公路抗車轍瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計探討

謝卓昊

（華設(shè)設(shè)計集團(tuán)股份有限公司 常州分公司，江蘇 常州 213000）

0 引言

國內(nèi)瀝青路面主要為半剛性路面結(jié)構(gòu)，整體強(qiáng)度高，故結(jié)構(gòu)性車轍和磨耗性車轍發(fā)生的可能性并不大，常見的車轍形式主要是失穩(wěn)性車轍，即因荷載及溫度耦合作用使瀝青面層發(fā)生剪切破壞后所表現(xiàn)出的永久側(cè)向流動變形，這種車轍形式與交通渠化存在密切關(guān)系且失穩(wěn)性車轍也主要出現(xiàn)在車道輪跡區(qū)域，輪跡帶瀝青面層逐漸下陷并持續(xù)向兩側(cè)推移，久而久之便形成“W”形車轍。當(dāng)前，解決瀝青路面失穩(wěn)性車轍問題的主要措施是使用高性能改性瀝青及優(yōu)化瀝青碎石級配，通過雙層改性瀝青路面結(jié)構(gòu)的應(yīng)用及骨架密實(shí)性級配設(shè)計，起到有效控制瀝青路面車轍病害的效果。然而，這種使用價格相對高昂、施工和易性相對較低的高性能改性瀝青，或是摻加抗車轍劑的處理方法必然會增大瀝青路面施工難度，增加施工造價。此外，這種處理方法也缺乏對瀝青路面整體結(jié)構(gòu)的考慮：一方面，瀝青路面中面層抗車轍性能定位對所有路面結(jié)構(gòu)均適用，但事實(shí)上卻是根據(jù)瀝青路面剪應(yīng)力分布情況確定抗車轍層位；另一方面，這種處理方法并未考慮瀝青路面交通渠化所引起的車道交通軸載雙峰特征［1］，單純地通過高性能混凝土全幅等厚攤鋪，必將造成路面非主要輪載區(qū)域內(nèi)高溫性能過度設(shè)計［2］。按照現(xiàn)有設(shè)計，抗車轍瀝青路面高溫車轍設(shè)計使用年限不超過10 a，使用壽命仍然較短。為此，必須采用全新的思路進(jìn)行瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計，克服以上問題的同時，提升瀝青路面抗車轍性能，延長其使用壽命。

1 工程概況

341省道溧陽段路線起自上黃鎮(zhèn)東側(cè)溧陽與宜興交界處，與宜興段終點(diǎn)相接，實(shí)施起點(diǎn)樁號為K0-098.751，路線向西經(jīng)239省道沿上黃鎮(zhèn)北側(cè)下穿常溧高速后，沿礦區(qū)南側(cè)向西穿越長蕩湖保護(hù)區(qū)，最終與老241省道相交，終點(diǎn)樁號為 K11+098.270，路線全長約 11.197 km。項(xiàng)目區(qū)地處長江下游的北亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，表現(xiàn)出明顯的溫暖濕潤、熱量豐富、雨量充沛的氣候特點(diǎn)。根據(jù)氣象統(tǒng)計結(jié)果，年平均氣溫在15.4 ℃，極端最高和最低氣溫分別為41.5 ℃和 -15.5 ℃。該公路段自運(yùn)行以來交通量持續(xù)增大，起訖樁號K3+245.27～K8+987.40段部分車道因重載交通的反復(fù)作用而出現(xiàn)路面下陷、軟化、車轍、擁包等病害，這種現(xiàn)象在江蘇省內(nèi)高速公路運(yùn)行中普遍存在。為此，考慮到瀝青路面承受交通荷載的同時還受到溫度荷載影響的事實(shí)，結(jié)合高速公路交通量增長趨勢，在路面結(jié)構(gòu)設(shè)計時重視高溫抗車轍設(shè)計，以提升路面抗車轍性能。

2 抗車轍瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 設(shè)計思路

《公路瀝青路面設(shè)計規(guī)范》（JTG D50—2017）中通過規(guī)定瀝青路面高溫永久變形量驗(yàn)算，將瀝青路面結(jié)構(gòu)豎向變形控制在瀝青混合料所容許的豎向變形范圍內(nèi)，為抗車轍瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計提出了具體要求，即提升瀝青混合料豎向變形量，通過材料及結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計使路面整體處于較低的受力水平，并達(dá)到控制路面結(jié)構(gòu)整體豎向變形的目的。

按照以下思路進(jìn)行抗車轍公路瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計：首先，根據(jù)所初步確定的路面結(jié)構(gòu)組合及相關(guān)原材料性能，應(yīng)用ABAQUS有限元軟件進(jìn)行行車荷載下瀝青路面結(jié)構(gòu)層剪切應(yīng)力分布情況的模擬和計算，確定剪切應(yīng)力對路面結(jié)構(gòu)作用的深度范圍，并明確抗車轍設(shè)計層位。其次，結(jié)合公路段交通量預(yù)測進(jìn)行路面橫向范圍內(nèi)車道輪跡的可能分布寬度，明確抗車轍瀝青路面設(shè)計的寬度范圍。最后，基于以上步驟，進(jìn)行抗車轍瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計斷面區(qū)域的確定，并據(jù)此調(diào)整和優(yōu)化原材料性能，明確抗車轍瀝青路面設(shè)計方案。

2.2 模型構(gòu)建

應(yīng)用觀測法對所研究路段實(shí)際交通量進(jìn)行調(diào)查，調(diào)查結(jié)果顯示，臨近硬路肩的寬度為3.75 m的重車道（即第3車道）輪跡橫向分布表現(xiàn)出明顯的雙峰特征（如圖1所示），車道寬度 0.5～1.5 m 及 2.25～3.25 m 均屬于輪跡分布頻率較大的區(qū)域。該公路瀝青路面高溫抗車轍設(shè)計的車道寬度范圍即左右輪跡帶實(shí)際寬度。結(jié)合工程實(shí)際，采用ABAQUS工程模擬有限元軟件進(jìn)行該公路路面結(jié)構(gòu)模型構(gòu)建，路基底完全固定，則路基和路面兩邊均僅承受水平約束。厚4 cm的SMA-13上面層彈性模量為12 000 MPa，泊松比為0.25；厚6 cm的AC-20C中面層和厚8 cm的AC-25C下面層彈性模量均為11 000 MPa，泊松比均為0.25；36 cm厚、水泥摻量5%的水穩(wěn)級配碎石基層彈性模量為 10 000 MPa，泊松比為 0.25 ；20 cm 厚、水泥摻量4%的水穩(wěn)石屑底基層彈性模量為8 000 MPa，泊松比為 0.25；路基彈性模量為 60 MPa，泊松比為 0.4。

圖1 重車道（即第3車道）輪跡橫向分布頻率曲線

2.3 瀝青路面結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)特點(diǎn)

根據(jù)靜力學(xué)分析可以得到，瀝青路面剪應(yīng)力受輪載作用后的分布情況。瀝青路面結(jié)構(gòu)剪應(yīng)力隨著深度的增大而呈遞減趨勢，瀝青面層以下18 cm的范圍內(nèi)的剪應(yīng)力在0.336～0.520 MPa范圍內(nèi)變化，平均降速為0.34 MPa/m；瀝青面層以下18～55 cm基層范圍內(nèi)的剪應(yīng)力基本穩(wěn)定在0.50 MPa；底基層和土基結(jié)構(gòu)中剪應(yīng)力降速均值在0.47 MPa/m；土基120 cm以下剪應(yīng)力基本穩(wěn)定在0.054 MPa。此外，瀝青中面層結(jié)構(gòu)剪應(yīng)力表現(xiàn)出急劇遞減的趨勢，平均降速達(dá)到1.51 MPa/m，上面層范圍內(nèi)結(jié)構(gòu)剪應(yīng)力取值在 0.418～0.521 MPa 的范圍內(nèi)，并且上面層剪應(yīng)力應(yīng)當(dāng)在路面結(jié)構(gòu)層中位于最高層位，而中面層結(jié)構(gòu)內(nèi)的剪應(yīng)力變動趨勢較為急劇，說明應(yīng)將該瀝青路面上中面層抗剪性能設(shè)計作為路面結(jié)構(gòu)設(shè)計及材料性能控制的重點(diǎn)［3］，此結(jié)論也與公路改性瀝青路面抗車轍設(shè)計思路吻合。分析結(jié)果還表明，下面層在標(biāo)準(zhǔn)軸載作用下剪應(yīng)力取值在 0.340～0.398 MPa 在進(jìn)行相應(yīng)路面結(jié)構(gòu)設(shè)計時必須結(jié)合力學(xué)分析，計算不同結(jié)構(gòu)層剪應(yīng)力水平，據(jù)此指導(dǎo)路面結(jié)構(gòu)設(shè)計，確保結(jié)構(gòu)層抗剪性能符合設(shè)計。

采用相同的分析思路，得到行車荷載作用下瀝青路面結(jié)構(gòu)層壓應(yīng)力豎向分布曲線，上、中面層深度范圍內(nèi)豎向壓應(yīng)力始終處于較高水平，變動趨勢也較為復(fù)雜。下面層、基層和底基層結(jié)構(gòu)內(nèi)豎向壓應(yīng)力隨著深度的增大而呈降低趨勢，路基結(jié)構(gòu)內(nèi)的豎向壓應(yīng)力變化始終不超出0.12 MPa。

2.4 模型優(yōu)化分析

結(jié)合以上對瀝青路面各結(jié)構(gòu)層應(yīng)力特征的分析可以得出，瀝青路面結(jié)構(gòu)中中面層是既承受剪應(yīng)力又承受豎向壓應(yīng)力的結(jié)構(gòu)層。為此，必須在充分考慮輪跡帶分布寬度的基礎(chǔ)上，基于瀝青路面抗車轍性能要求，進(jìn)行抗車轍瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計，具體如圖2所示。對于車道寬度0.5～1.5 m 和 2.25～3.25 m 等輪跡分布頻率較大的區(qū)域，必須將原中面層瀝青混合料改為抗車轍結(jié)構(gòu)條帶，并以素混凝土澆筑，深度按照6.0 cm的中面層設(shè)計厚度確定。為避免抗車轍結(jié)構(gòu)條帶出現(xiàn)裂縫、干縮，應(yīng)按照5 cm的縱向間隔、5 cm寬度和2 cm深度切縫，并在上面層施工前，采用熱瀝青進(jìn)行結(jié)構(gòu)條帶和中面層縱橫向接縫處灌縫處理，同時壓貼寬度為5 cm的裂縫帶。

圖2 抗車轍瀝青路面結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

為進(jìn)行優(yōu)化后的抗車轍路面結(jié)構(gòu)方案與初擬方案的對比，對優(yōu)化后的路面結(jié)構(gòu)進(jìn)行了二維有限元仿真分析，在有限元模型中將中面層輪跡帶處抗車轍結(jié)構(gòu)條帶彈性模量設(shè)定為31 000 MPa，泊松比設(shè)定為0.2，其余參數(shù)不變。根據(jù)有限元分析，抗車轍條帶增設(shè)后瀝青路面結(jié)構(gòu)應(yīng)力便表現(xiàn)出明顯的圍繞車道中心線對稱分布的趨勢特征，所以在分析路面結(jié)構(gòu)剪應(yīng)力豎向分布情況時，只需要對左側(cè)或右側(cè)輪跡帶處抗車轍條帶剪應(yīng)力進(jìn)行提取和分析即可。本文僅分析左側(cè)輪跡帶處路面剪應(yīng)力及豎向壓應(yīng)力分布情況，具體如圖3所示。從圖3（a）中可知，在對瀝青路面結(jié)構(gòu)初擬設(shè)計方案增設(shè)抗車轍結(jié)構(gòu)條帶后，路面結(jié)構(gòu)剪應(yīng)力表現(xiàn)出明顯的下降趨勢，取值在 0.18～0.54 MPa范圍內(nèi)，比初擬方案的結(jié)構(gòu)剪應(yīng)力平均降低20%；基層及底基層結(jié)構(gòu)剪應(yīng)力降低幅度更加明顯［4］。從圖3（b）中可知，在瀝青路面結(jié)構(gòu)初擬方案基礎(chǔ)上增設(shè)抗車轍結(jié)構(gòu)條帶后，結(jié)構(gòu)豎向壓應(yīng)力降低，降幅最大達(dá)37%。

圖3 左側(cè)輪跡帶處路面剪應(yīng)力及豎向壓應(yīng)力分布

3 方案驗(yàn)證

為進(jìn)行341省道溧陽段瀝青路面抗車轍方案高溫抗車轍性能及抵抗永久變形性能的驗(yàn)證，依據(jù)《公路瀝青路面設(shè)計規(guī)范》（JTG D50—2017）所規(guī)定的路面結(jié)構(gòu)永久變形驗(yàn)算方法，計算初擬方案和優(yōu)化后的方案下瀝青結(jié)構(gòu)層永久變形量。該公路工程資料顯示，造成其瀝青混合料永久變形的等效溫度為25.18 ℃，工程所在地年氣溫均值為23 ℃，月氣溫均值極差為7.6 ℃。上、中及抗車轍條帶均按照20 mm的厚度分層，下面層單獨(dú)為一層，上、中及下面層試驗(yàn)溫度均控制在60 ℃，試驗(yàn)壓強(qiáng)均為0.8 MPa，加載次數(shù)均為2 520次，所得到的上、中面層及下面層車轍永久變形量分別為 2.5 mm、3.0 mm、3.5 mm，而抗車轍結(jié)構(gòu)條帶無車轍變形［5］。瀝青路面結(jié)構(gòu)層發(fā)生永久變形后的抗車轍性能見表1，公路段通車后首次針對車轍養(yǎng)護(hù)時優(yōu)化后的抗車轍方案下當(dāng)量設(shè)計軸載作用次數(shù)累計值為4.136×109次，而初擬方案為0.064×109次；通過增設(shè)抗車轍結(jié)構(gòu)條帶進(jìn)行抗車轍方案優(yōu)化后路面混合料使用壽命約為初擬方案的65.7倍?？梢?，抗車轍方案優(yōu)化后瀝青路面結(jié)構(gòu)抗車轍性能及壽命均顯著改善。

表1 瀝青路面結(jié)構(gòu)層永久變形發(fā)生后的抗車轍性能

在進(jìn)行抗車轍瀝青路面結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的基礎(chǔ)上，得到的路面結(jié)構(gòu)原材料性能優(yōu)化方案見表2。

表2 路面結(jié)構(gòu)原材料性能優(yōu)化方案

本文通過有限元分析得到的瀝青路面結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方案及原材料設(shè)計方案，為高溫多雨地區(qū)瀝青路面抗車轍問題的解決提供了可行思路，但是相關(guān)成果仍處于理論研究和試驗(yàn)階段，其工程應(yīng)用效果仍有待進(jìn)一步實(shí)踐和驗(yàn)證。結(jié)合當(dāng)前高速公路路面工程普遍存在的工期緊、施工成本控制嚴(yán)格等問題，可以在施工成本允許的基礎(chǔ)上將設(shè)計車道內(nèi)的中面層全部更換為抗車轍結(jié)構(gòu)，以避免因分別增設(shè)抗車轍結(jié)構(gòu)條帶增加施工工序而延誤工期。

4 結(jié)論

綜上所述，公路瀝青路面在長期運(yùn)行過程中會表現(xiàn)出十分明顯的交通渠化特征，左右兩側(cè)輪跡分布范圍可能并不以車道中線為對稱軸而對稱分布，而是向車道一側(cè)偏移，為此必須在瀝青路面抗車轍結(jié)構(gòu)設(shè)計前，通過實(shí)地調(diào)查準(zhǔn)確掌握輪跡分布情況和范圍。對341省道溧陽段瀝青路面結(jié)構(gòu)層剪應(yīng)力及豎向壓應(yīng)力沿深度方向分布情況的分析得出，應(yīng)以其上、中面層為抗剪切變形和抗豎向受壓變形的主要控制層位。通過增設(shè)抗車轍結(jié)構(gòu)條帶，瀝青結(jié)構(gòu)面層剪應(yīng)力和豎向壓應(yīng)力均明顯降低，路面混合料抗車轍壽命顯著延長?？傊凑赵O(shè)計要求在瀝青路面增設(shè)抗車轍條帶后混合料動穩(wěn)定度下降，使混合料設(shè)計要求隨之降低，瀝青路面建造成本下降，工程效益與經(jīng)濟(jì)效益顯著。