開放交通初期車輛荷載對半剛性基層瀝青路面的影響

劉俊琴，馬士賓，陳 晗

(1.義烏工商職業技術學院，浙江 義烏 322000；2.河北工業大學 土木工程學院，天津 300400；3.義烏市城市規劃設計研究院，浙江 義烏 322000)

為了緩解交通壓力，公路建成后一般都希望盡快通車。由于半剛性基層材料的路用性能受溫度與齡期等因素影響很大，在實際工程中，很多公路尤其是我國北方地區秋季施工的瀝青路面基層養生溫度一般也很難在20 ℃下養生，基層7 d無側限抗壓強度強度也很難得到保證[1-2]。與此同時，路面結構設計時水泥穩定類材料的極限劈裂強度系指90 d齡期的強度，對二灰穩定類、石灰穩定類材料系指齡期為180 d的極限劈裂強度。即使按現行JTG F 40—2004《公路瀝青路面施工技術規范》要求，路面開放交通時的半剛性基層材料強度也很難達到設計齡期強度[3]。此外，雖然我國瀝青路面設計規范對半剛性基層7d無側限抗壓強度有所規定，但由于半剛性基層層底主要承受的是拉應力，半剛性基層材料早期抗彎拉強度較低，過早開放交通是否會導致路面結構發生早期破壞，一直是工程技術人員關心的問題[4]。

為探求不同情況下開放交通初期車輛荷載對路面結構的影響程度，筆者通過室內試驗，獲得了路面材料在10，20 ℃溫度下，7，14，21，28，35 d的路用性能參數，并利用KENPAVE程序計算出齡期、車輛軸載、溫度等各種因素作用下，豎向位移、路基頂壓應變和層底拉應力等力學指標變化規律，這對開放交通初期車輛管制具有一定的借鑒作用。

1 路面結構力學計算參數的確定

以廊坊市大慶—廣州高速霸州互通連接線為例進行路面結構分析，假設路面結構各層間是完全連續的，路面結構形式如表1。通過室內試驗，分別獲得各結構層的材料在標準養生溫度(20 ℃)和低溫環境(10 ℃)下7，14，21，28，35 d的抗壓回彈模量和路面材料的劈裂強度，如表1、表2。

表1 路面結構及材料參數

表2 路面材料的劈裂強度試驗結果

根據JTG F 40—2004《公路瀝青路面施工技術規范》，一般在路面下層結構鋪筑7 d后鋪筑上層結構[5]。路面開放交通時各結構層已養生的齡期見表3。

表3 路面開放交通時各結構層已養生的齡期

2 車輛、基層溫度和開放時間對力學指標的影響

2.1 各因素對路表豎向位移的影響

基層溫度不同時，開放交通初期路表豎向位移計算結果圖1。

圖1 路表豎向位移與軸載的關系Fig.1 Relationship between the vertical displacementof pavement surface and axle load

由圖1可以看出：

1)當車輛荷載一次性加載時，路表豎向位移隨著軸載的增加而呈線性增長趨勢。軸載由100 kN增加到300 kN時，路表豎向位移增加了3倍左右。可見，重載對路面的影響極大。在路面開放初期，應該嚴格控制重載車輛的出現。

2)開放交通時間的推遲可以減小路表豎向位移，原因在于基層的回彈模量隨齡期而增大，導致路表的豎向位移變小，從而提高了路面承載能力。

3)溫度對路表豎向位移的影響也很大。在一定軸載下，路面開放交通的季節溫度由10 ℃增加到20 ℃，路表豎向位移有一定程度的減小。

2.2 各因素對路基頂部壓應變的影響

開放交通時路基頂面壓應變計算結果如圖2。

圖2 路基頂最大壓應變與軸載的關系Fig.2 Relationship between maximum compressive strain at thetop of subgrade and axle load

由圖2可知：在車輛荷載一次性加載時，路基頂壓應變與路表豎向位移的變化規律基本一致。但相對來說，溫度對路基頂壓應變影響更大。當軸載一定時，同樣養生齡期的路面結構，溫度由10 ℃升高到20 ℃，路基頂壓應變減小了大約30%。而且當溫度升高時，養生齡期對路基頂壓應變的影響減弱。

2.3 各因素對面層層底應力的影響

路面開放交通時面層層底應力如圖3。

圖3 面層層底最大拉應力與軸載的關系Fig.3 Relationship between maximum tensile stress at the bottomof the surface layer and axle load

計算設定為車輛荷載一次性加載，由圖3可知：瀝青面層層底的拉應力值為負值，瀝青面層層底的應力為壓應力，瀝青面層處于受壓狀態。在不同的溫度下，應力都是隨著軸載的增加而增大。在軸載由100 kN增加到300 kN時，壓應力增加了3倍左右，可見軸載對面層層底的壓應力影響很大。開放交通時間對面層底的最大壓應力有一定的影響，但是影響較小。隨著溫度的升高，面層底最大壓應力減小。由于瀝青混凝土面層材料抗壓強度比較高，從計算結果來看，面層不會破壞。

2.4 各因素對上基層層底應力的影響

開放交通時上基層層底最大拉應力如圖4。

圖4 上基層層底最大拉應力與軸載的關系Fig.4 Relationship between maximum tensile stress at thebottom of the upper-base and axle load

由圖4可知：上基層層底最大拉應力都隨著軸載的增加而增大，并且開放交通時間對上基層層底最大拉應力有一定的影響。結構層層底拉應力高于材料的劈裂強度時，會造成結構的一次性破壞，所以要控制結構層層底拉應力低于相應材料在對應齡期下的劈裂強度。據此計算，氣溫為10 ℃情況下，當天開放，7 d和14 d開放交通時，上基層能承受的最大軸載分別是100，180，220 kN。從實際公路交通狀況來看，只允許軸載100 kN以下的車輛通行是不現實的。因此，在此溫度狀況下，應在面層鋪筑7 d，14 d后開放交通，并控制軸重180 kN和220 kN的車輛。在氣溫為20 ℃時，隨著開放交通時間的推遲，上基層層底最大拉應力呈增大的趨勢。但是，由于上基層材料在此溫度下的抗彎拉強度增長也較快，不論何時開放交通，即使車輛軸載達到300 kN也不會造成上基層的破壞。

2.5 各因素對下基層層底應力的影響

開放交通時，下基層層底最大拉應力計算結果如圖5。

圖5 下基層層底最大拉應力與軸載的關系Fig.5 Relationship between maximum tensile stressat the bottom of the sub-base and axle load

由圖5可知：下基層層底最大拉應力都隨著軸載的增加而增大，軸載對下基層層底最大拉應力的影響顯著。在軸載和開放時間相同情況下，當溫度由10 ℃升高到20 ℃時，下基層層底最大拉應力增加了近1倍，由此可見開放交通的季節溫度對下基層層底最大拉應力有著較為顯著的影響。

結合基層材料的劈裂強度可知，當溫度為10 ℃時，無論是當天開放交通，還是7 d，14 d后開放交通，軸載達到100 kN時，下基層材料都會發生破壞。當溫度為20 ℃時，當天，7 d開放交通的軸載限值為260 kN，而14 d時開放交通，基層則可承受軸載為300 kN的車輛通行。

2.6 各因素對底基層層底應力的影響

開放交通時底基層層底最大拉應力如圖6。

圖6 底基層層底最大拉應力與軸載的關系Fig.6 Relationship between maximum tensile stressat the bottom of the sub-base and axle load

由圖6可知：軸載對底基層層底最大拉應力的影響顯著。在軸載和開放時間相同情況下，當溫度由10 ℃升高到20 ℃時，底基層層底最大拉應力增加，但是增幅不大。

當溫度為10 ℃時，當天，7 d，14 d開放交通，在車輛軸載達到100 kN時，底基層都會發生破壞。當溫度為20 ℃時，3個時間點開放交通的軸重限制均為140 kN。

綜上所述，在溫度較低的季節施工，例如北方部分地區10—11月施工的基層平均溫度為10 ℃[6]，按照常規的施工方法施工后，即使是路面鋪完14 d后開放交通，也很難保證整個路面結構不發生早期破壞。對于基層養生期內的平均溫度能達到20 ℃，在開放交通早期也須限制軸重超過140 kN的車輛通行[7-8]。

3 開放交通后應變狀態測試和分析

為驗證理論分析的正確性，在廊坊市廊霸高速永清連接線瀝青路面中埋設應變片，埋設位置處于路緣石內邊緣1.5～2.1 m處，各應變片之間的間距為60 cm，壓力盒和溫度傳感器均距路緣石內邊緣2.7 m。對試驗路鋪筑的應變片以及壓力盒進行加載測試，測試時下基層已鋪筑14 d。測試車后軸采用100 kN，加載時，后軸一側車輪在應變片1的正上方(圖7)。測試結果見表4。

圖7 應變片埋設示意Fig.7 Schematic of strain gauges buried

應變片拉應變實測值拉應力/(0.01MPa)實測反算值理論計算值拉應力理論計算值與實測值的誤差/%111.3912.5312.640.8827.708.478.203.1932.753.022.7110.2644.234.654.793.0152.612.873.025.2361.321.451.2811.72

測試顯示數據與軟件分析數據基本相吻合。驗證了理論分析的正確性。

4 結 論

筆者運用KENPAVE軟件計算了開放交通初期，齡期、車輛軸載、溫度對瀝青路面結構的影響，重點研究了豎向位移、壓應變、拉應力等指標的變化規律，得到如下的結論：

1)隨著軸載的增加，路表豎向位移、路基頂面壓應變、面層底最大拉應力、上基層底最大拉應力、下基層底最大拉應力和底基層底最大拉應力都呈現顯著的增長趨勢。說明，超重載對路面危害極大，將大大削弱路面抵抗垂直變形的能力，造成路面結構的早期破壞，降低路面的使用壽命。所以在路面的開放初期應該嚴格控制超載重載車輛的出現。

2)開放交通時間的推遲可以減小路表豎向位移和路基頂的壓應變，避免路面結構早期變形而造成承載能力下降。開放交通時間對面層底的最大拉應力、上基層層底最大拉應力、下基層層底最大拉應力和底基層層底最大拉應力有一定的影響，但是影響較小。

3)養生溫度對路表豎向位移和路基頂壓應變的影響較大，隨著溫度由10℃升高到20℃時，路表豎向位移和路基頂壓應變顯著下降，面層底最大拉應力也有一定程度的減小。

4)因半剛性基層材料強度與齡期和養生溫度密切相關。若施工期間基層平均溫度為10℃，按照常規的施工方法施工后，即使是瀝青面層鋪完14d后開放交通，也很難保證整個路面結構不發生早期破壞。對于基層養生期內的平均溫度能達到20℃的路面結構，在開放交通早期也須限制軸重超過140 kN的車輛通行。

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