組合式基層瀝青路面結(jié)構(gòu)FWD 數(shù)據(jù)特性分析

■張 超

（1.福建省交通科學(xué)技術(shù)研究所，福州 350004；2.福建省公路水運(yùn)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福州 350004）

0 引言

隨著路面結(jié)構(gòu)的深入研究，我國(guó)高等級(jí)瀝青路面逐漸由單一的半剛性基層結(jié)構(gòu)形式發(fā)展出柔性基層路面結(jié)構(gòu)、組合式基層路面結(jié)構(gòu)（倒裝路面結(jié)構(gòu)）等多種形式，并在探索使用中獲得了較為良好的效果。

福建省地處我國(guó)東南沿海，具有多山濕熱的地理氣候特征，自1997 年泉廈高速通車以來(lái)，至今建成通車高速公路里程超過4000 公里。在路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，福建省前期主要采用我國(guó)常用的半剛性基層路面結(jié)構(gòu)，2006 年后開始采用組合式基層瀝青路面結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)形式為：密集配瀝青混凝土+瀝青穩(wěn)定碎石+級(jí)配碎石+水泥穩(wěn)定碎石，通常稱其中的“瀝青穩(wěn)定碎石+級(jí)配碎石+水泥穩(wěn)定碎石半剛性基層”為組合式基層。

組合式基層瀝青路面結(jié)構(gòu)在理論上具有減少瀝青路面反射裂縫、排出結(jié)構(gòu)內(nèi)部積水的優(yōu)點(diǎn)，但與現(xiàn)行瀝青路面設(shè)計(jì)、評(píng)價(jià)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)程相比，其在彎沉指標(biāo)的設(shè)置和研判上具有明顯的不一致。對(duì)組合式基層路面結(jié)構(gòu)的彎沉指標(biāo)進(jìn)行研究，有助于該指標(biāo)在路面設(shè)計(jì)、檢測(cè)中的應(yīng)用，為改進(jìn)路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法提供參考[1]。

1 彎沉指標(biāo)概述

1.1 當(dāng)前彎沉指標(biāo)的不足之處

長(zhǎng)期以來(lái)，我國(guó)公路工作者普遍認(rèn)為，彎沉指標(biāo)不僅能夠反映路面各結(jié)構(gòu)層及土基的整體強(qiáng)度和剛度，而且與路面的使用狀態(tài)存在一定內(nèi)在聯(lián)系，是一個(gè)能夠反映路面發(fā)生沉陷、網(wǎng)裂等的綜合強(qiáng)度指標(biāo)。因此，我國(guó)一直以來(lái)均采用路面彎沉作為路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、質(zhì)量控制和承載能力評(píng)估的主要指標(biāo)。

瀝青路面在我國(guó)使用之初，由于歷史原因，強(qiáng)基薄面的半剛性基層路面結(jié)構(gòu)在很長(zhǎng)時(shí)間里成為通行的結(jié)構(gòu)形式，我國(guó)路面各項(xiàng)指標(biāo)也基于此設(shè)置和使用。實(shí)際路面檢測(cè)表明，依據(jù)現(xiàn)行《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》得到的路表計(jì)算彎沉，與組合式基層瀝青路面結(jié)構(gòu)的實(shí)測(cè)值有較大的差異，這些源自路面結(jié)構(gòu)的差異成為路面設(shè)計(jì)與檢測(cè)評(píng)價(jià)的障礙。

1.2 FWD 彎沉的選擇

路面彎沉是反映路面結(jié)構(gòu)承載力的重要指標(biāo)。當(dāng)前，我國(guó)關(guān)于路面彎沉的檢測(cè)與分析主要基于貝克曼梁法，該方法測(cè)速慢、精度低，并且只檢測(cè)路面的單點(diǎn)彎沉，無(wú)法分析評(píng)價(jià)路基路面各結(jié)構(gòu)層的材料性能。

落錘彎沉儀（FWD）是測(cè)試一定高度的標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量重錘落下時(shí)對(duì)路基或路面所產(chǎn)生的瞬時(shí)變形，所測(cè)得的路面在動(dòng)態(tài)荷載作用下產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)彎沉及彎沉盆信息，為分析路面承載能力及結(jié)構(gòu)特性提供了基礎(chǔ)[2-3]。

FWD 法測(cè)速快、精度高、操作方便、數(shù)據(jù)信息豐富，逐漸成為路面承載能力檢測(cè)與結(jié)構(gòu)分析的重要手段。本文以FWD 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，分析組合式基層瀝青路面結(jié)構(gòu)的彎沉數(shù)據(jù)分布特性及路面結(jié)構(gòu)特征。

2 路面結(jié)構(gòu)形式

為對(duì)比研究半剛性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)與組合式基層瀝青路面結(jié)構(gòu)的彎沉差異，本文選擇某高速公路不同路面結(jié)構(gòu)的路段進(jìn)行了FWD 彎沉檢測(cè)，本段高速公路為雙向四車道，檢測(cè)車道為雙向的行車道輪跡帶。兩種路面結(jié)構(gòu)形式如表1 所示。

表1 路面結(jié)構(gòu)形式

表1 中兩種路面結(jié)構(gòu)路段通車時(shí)間基本相當(dāng)，至今運(yùn)營(yíng)約8 年，檢測(cè)路段分別長(zhǎng)為30km、20km，路面保持建成時(shí)的結(jié)構(gòu)形式，除了日常養(yǎng)護(hù)和局部微表處罩面外，沒有進(jìn)行過大中修。

3 數(shù)據(jù)分布特征

除去橋隧構(gòu)造物不檢，剔除彎沉不遞減、與其他點(diǎn)彎沉有明顯差距的兩類數(shù)據(jù)，組合式基層路面段落測(cè)得行車道FWD 彎沉數(shù)據(jù)461 組，半剛性基層路面段落測(cè)得行車道FWD 彎沉數(shù)據(jù)297 組。對(duì)中心彎沉值按照10μm 分檔，檢測(cè)數(shù)據(jù)數(shù)值分布情況如下表2 所示。

表2 FWD 彎沉數(shù)據(jù)分布

圖1 FWD 彎沉數(shù)據(jù)分布

圖2 FWD 彎沉數(shù)據(jù)占比

根據(jù)表2 數(shù)據(jù)分布情況，繪制出兩種路面結(jié)構(gòu)FWD 數(shù)據(jù)分布與占比曲線，如圖1 和2 所示。

（1）正態(tài)分布檢驗(yàn)

對(duì)“組合式基層”和“半剛性基層”路面結(jié)構(gòu)的FWD 彎沉數(shù)據(jù)分布進(jìn)行統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)，兩種路面結(jié)構(gòu)的概率P 值分別為0.29 和0.748，大于顯著性水平（0.05），可以認(rèn)為兩者的總體分布與正態(tài)分布沒有顯著差異，即兩者的總體分布均為正態(tài)分布。

（2）偏度和峰度

統(tǒng)計(jì)分析得出，兩種路面結(jié)構(gòu)FWD 數(shù)據(jù)的偏度分別為2.324 和-0.801，組合式基層路面結(jié)構(gòu)為正偏斜，而半剛性基層路面結(jié)構(gòu)為負(fù)偏斜；兩種路面結(jié)構(gòu)FWD數(shù)據(jù)的峰度分別為1.412 和0.512，均大于0，呈尖峰分布，組合式基層路面結(jié)構(gòu)的峰度較大，正態(tài)分布較集中。

數(shù)據(jù)樣本假設(shè)性檢驗(yàn)表明，兩種路面結(jié)構(gòu)FWD 數(shù)據(jù)的樣本均值存在顯著性差異，組合式基層路面結(jié)構(gòu)的總樣本均值大于半剛性基層路面結(jié)構(gòu)；由正態(tài)分布的特點(diǎn)，兩種路面結(jié)構(gòu)FWD 數(shù)據(jù)分布分別關(guān)于（220～230μm）和（160～170μm）對(duì)稱，最大值分別為16.8%和12.4%。

按照路面FWD 數(shù)據(jù)占比，半剛性基層路面結(jié)構(gòu)60%的數(shù)據(jù)（20%～80%）分布范圍為140μm～210μm，而組合式基層路面結(jié)構(gòu)60%的數(shù)據(jù)（20%～80%）分布范圍為210μm～270μm，組合式基層路面結(jié)構(gòu)FWD 數(shù)據(jù)在數(shù)值上大于“半剛性基層”路面結(jié)構(gòu)，分布范圍較窄。

4 彎沉盆特征

利用FWD 路表彎沉盆及其衍生參數(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)層狀況進(jìn)行評(píng)價(jià)是路面動(dòng)力響應(yīng)研究的重要途徑之一[4]。

本文根據(jù)不同路面結(jié)構(gòu)FWD 彎沉數(shù)據(jù)分布，對(duì)半剛性基 層 瀝 青 路 面130μm ～180μm 和 組 合 式 基 層 路 面210μm～260μm 數(shù)據(jù)集中分布范圍的彎沉盆進(jìn)行分析。分析時(shí)，對(duì)中心彎沉按照每10μm 一個(gè)分段，對(duì)段內(nèi)彎沉盆各測(cè)點(diǎn)數(shù)值進(jìn)行平均，作為該點(diǎn)的彎沉測(cè)值，繪制彎沉盆形狀如下圖3 所示。

圖3 兩種路面結(jié)構(gòu)彎沉盆形式

根據(jù)檢測(cè)數(shù)據(jù)，分三段（d0/d1,d1/d5,d5/d8,d0為彎沉中心點(diǎn)，d1、d5、d8距中心點(diǎn)d0分別為200mm、900mm 和1800mm）計(jì)算圖3 彎沉曲線不同測(cè)點(diǎn)比值如下表3 所示。

表3 彎沉盆分段斜率計(jì)算結(jié)果

由圖3 和表3 計(jì)算結(jié)果可以看出，兩種不同路面結(jié)構(gòu)的彎沉盆形式有著明顯的差別，對(duì)于組合式基層瀝青路面結(jié)構(gòu)，除了中心彎沉值較大外（組合式基層瀝青路面結(jié)構(gòu)的中心彎沉值分布峰值約為半剛性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)的1.5 倍），其彎沉盆坡度也整體較大，半剛性基層路面結(jié)構(gòu)的彎沉盆總體上“淺且大”，組合式基層路面結(jié)構(gòu)的彎沉盆則“深且窄”。

5 路面結(jié)構(gòu)分析

對(duì)于半剛性基層路面結(jié)構(gòu)而言，有研究指出，彎沉盆參數(shù)可以歸結(jié)為四個(gè)方面[5]：①承載板中心彎沉盆反映路面結(jié)構(gòu)整體剛度；②加載中心附近彎沉盆坡度及差異反映路面上部結(jié)構(gòu)的相對(duì)剛度；③300～900mm 附近的彎沉盆坡度及差異反映下部結(jié)構(gòu)或路面基層的相對(duì)剛度；④彎沉盆末端彎沉反映路基剛度。

在組合式基層瀝青路面結(jié)構(gòu)中，倒裝結(jié)構(gòu)使該路面結(jié)構(gòu)上部瀝青層與級(jí)配碎石層、級(jí)配碎石層與下部水泥穩(wěn)定碎石層的模量比出現(xiàn)順序與比值的根本變化，并且級(jí)配碎石夾層的力學(xué)狀態(tài)特性及其與相鄰層位的接觸條件也異于水泥穩(wěn)定碎石半剛性基層，所以組合式基層瀝青路面結(jié)構(gòu)彎沉盆表現(xiàn)出來(lái)的性狀特性及其表征的路面結(jié)構(gòu)性能，有其自身不同的含義。

（1）承載板中心彎沉盆雖然總體上反映路面結(jié)構(gòu)整體剛度，但更集中反映了級(jí)配碎石層的結(jié)構(gòu)狀態(tài)。

與半剛性基層路面結(jié)構(gòu)相比，組合式基層路面結(jié)構(gòu)瀝青層（含ATB-25 層）厚度大，起到部分承重層作用，置于瀝青混凝土與水泥穩(wěn)定碎石層之間的級(jí)配碎石，其未處置粒料具有顯著的非線性特點(diǎn),模量參數(shù)與其在路面結(jié)構(gòu)中所處的應(yīng)力狀態(tài)密切相關(guān),即其模量參數(shù)受到上覆層厚度與模量、下承層模量及粒料層本身厚度等眾多因素的影響。

半剛性基層路面結(jié)構(gòu)與組合式基層路面結(jié)構(gòu)的最大差異體現(xiàn)在“級(jí)配碎石”層的設(shè)置上，這個(gè)路面結(jié)構(gòu)上的最大差異在FWD 彎沉盆中則體現(xiàn)在最為顯著的中心彎沉盆上。由數(shù)據(jù)可以解讀：FWD 中心彎沉越大，路面整體剛度越小，“級(jí)配碎石”層與瀝青混凝土層模量比越大，其對(duì)路面強(qiáng)度影響越大，即其材料質(zhì)量越不穩(wěn)定，甚至在一定程度上產(chǎn)生卸載末期變形不恢復(fù)的情況。

（2）“加載中心附近彎沉盆”坡度及差異主要反映“密集配瀝青混凝土+瀝青穩(wěn)定碎石+級(jí)配碎石”結(jié)構(gòu)層的剛度，尤其反映了“級(jí)配碎石”層對(duì)其上部結(jié)構(gòu)層剛度的影響。

“加載中心附近彎沉盆”半徑通常是指承載板中心點(diǎn)至彎沉盆曲線凸點(diǎn)的距離，在半剛性基層路面結(jié)構(gòu)中，彎沉盆曲線凸點(diǎn)距中心的距離通常為300mm，但從本文數(shù)據(jù)看，組合式基層路面結(jié)構(gòu)中這個(gè)距離則為200mm。“加載中心附近彎沉盆”半徑的大小主要反映了FWD 沖擊荷載在瀝青層的下承層中的影響范圍，在半剛性基層路面結(jié)構(gòu)中，瀝青層的下承層為半剛性水泥穩(wěn)定碎石材料，在組合式基層路面結(jié)構(gòu)中，瀝青層的下承層則為級(jí)配碎石層。

“加載中心附近彎沉盆”的數(shù)據(jù)解讀主要分為兩個(gè)部分：一是彎沉盆半徑，主要受級(jí)配碎石層厚度影響較大，同厚度級(jí)配碎石的路面結(jié)構(gòu)中，該半徑變化較小；另外一個(gè)是彎沉盆坡度，主要反映級(jí)配碎石材料的壓實(shí)質(zhì)量，同等應(yīng)力狀態(tài)條件下，彎沉盆坡度越大，級(jí)配碎石材料的模量越小，壓實(shí)質(zhì)量則越差。

（3）“中段彎沉盆”坡度及差異反映組合式基層路面下部結(jié)構(gòu)“水泥穩(wěn)定碎石”層的相對(duì)剛度。

“中段彎沉盆”是指彎沉盆曲線凸點(diǎn)至曲線末端直線段起點(diǎn)的距離。組合式基層路面結(jié)構(gòu)中，該范圍內(nèi)的彎沉盆曲線逐漸脫離級(jí)配碎石層的顯著影響，級(jí)配碎石下承層——半剛性水泥穩(wěn)定碎石層的影響增加，彎沉盆曲線特性體現(xiàn)了半剛性水泥穩(wěn)定碎石自身厚度、強(qiáng)度對(duì)整個(gè)路面結(jié)構(gòu)相對(duì)剛度的影響。

“中段彎沉盆”半徑越大或者坡度越小，說明組合式基層中半剛性底基層的剛度越大，反之，則說明半剛性底基層的剛度相對(duì)較小。

（4）彎沉盆末端彎沉反映組合式基層路面上部結(jié)構(gòu)“密集配瀝青混凝土+瀝青穩(wěn)定碎石”層的相對(duì)剛度。

在半剛性基層路面結(jié)構(gòu)中，彎沉盆末端彎沉反映路基剛度，但在組合式基層路面結(jié)構(gòu)中，由于級(jí)配碎石夾層的存在，半剛性基層與級(jí)配碎石層之間、級(jí)配碎石層與瀝青穩(wěn)定碎石層之間存在顯著的非連續(xù)接觸狀況，路基應(yīng)變向上反映到彎沉盆末端的路徑被消滯，所以末端彎沉受近中心點(diǎn)瀝青面層應(yīng)變的影響更大，即其更多反映的是上部瀝青混凝土層的剛度。

6 結(jié)語(yǔ)

對(duì)比半剛性基層瀝青路面，組合式基層瀝青路面結(jié)構(gòu)在FWD 彎沉指標(biāo)上主要有以下特性：

（1）FWD 彎沉數(shù)據(jù)雖然同樣為正態(tài)分布，但組合式基層路面結(jié)構(gòu)的峰度較大，正態(tài)分布更集中。

（2）組合式基層路面結(jié)構(gòu)的總樣本均值大于半剛性基層路面結(jié)構(gòu)；FWD 數(shù)據(jù)分布分別關(guān)于（220～230μm）和（160～170μm）對(duì)稱。

（3）彎沉盆形狀存在明顯差異，相比而言，半剛性基層路面結(jié)構(gòu)的彎沉盆“淺且大”，組合式基層路面結(jié)構(gòu)的彎沉盆則“深且窄”。

（4）承載板中心彎沉盆更集中反映了級(jí)配碎石層的結(jié)構(gòu)狀態(tài)，F(xiàn)WD 中心彎沉越大，表明“級(jí)配碎石”層所處狀態(tài)對(duì)路面影響越大，其材料質(zhì)量越不穩(wěn)定。

（5）“加載中心附近彎沉盆”主要反映“密集配瀝青混凝土+瀝青穩(wěn)定碎石+級(jí)配碎石”結(jié)構(gòu)層的剛度，彎沉盆坡度與級(jí)配碎石材料壓實(shí)質(zhì)量密切相關(guān)，坡度越大則壓實(shí)質(zhì)量越差。

（6）“中段彎沉盆”反映下部結(jié)構(gòu)“水泥穩(wěn)定碎石”層的相對(duì)剛度，“中段彎沉盆”半徑越大或者坡度越小，表明組合式基層中半剛性底基層的剛度越大，反之亦然。

（7）彎沉盆末端彎沉反映上部結(jié)構(gòu)“密集配瀝青混凝土+瀝青穩(wěn)定碎石”層的相對(duì)剛度。

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