基于正交試驗的瀝青路面結(jié)構(gòu)優(yōu)化組合分析

趙艷納

（廣西高速公路投資有限公司，廣西　南寧　530021）

基于正交試驗的瀝青路面結(jié)構(gòu)優(yōu)化組合分析

趙艷納

（廣西高速公路投資有限公司，廣西南寧530021）

通過正交試驗，以路表彎沉、路面各結(jié)構(gòu)層層底彎拉應(yīng)力、瀝青層最大剪應(yīng)力為評價指標(biāo)，對各結(jié)構(gòu)層不同厚度、模量組合下的瀝青路面結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，確定了各影響因素對各結(jié)構(gòu)層評價指標(biāo)的影響敏感程度，提出了路面結(jié)構(gòu)最優(yōu)組合方案。研究表明，土基模量對各評價指標(biāo)均有較大影響，在瀝青路面設(shè)計與施工中應(yīng)重視路基模量的取值和工程措施；通過對各結(jié)構(gòu)層厚度、模量的合理組合可使整個路面結(jié)構(gòu)剛度漸變、受力合理、變形協(xié)調(diào)，充分發(fā)揮各結(jié)構(gòu)層材料的性能。

公路；瀝青路面；正交試驗；厚度；模量

中國瀝青路面大多在使用8～10年后就出現(xiàn)明顯的結(jié)構(gòu)性破壞，甚至部分瀝青路面在使用一兩年內(nèi)就出現(xiàn)結(jié)構(gòu)性破壞和功能性缺陷。其原因除材料、施工和超載等因素外，路面結(jié)構(gòu)層厚度與模量組合設(shè)計不合理等亦是主要原因。中國現(xiàn)行瀝青路面設(shè)計主要采用力學(xué)-經(jīng)驗法，它是通過固體力學(xué)方法計算路面結(jié)構(gòu)的力學(xué)響應(yīng)，如應(yīng)力、應(yīng)變與變形等，同時通過室內(nèi)試驗、試驗路及在用道路破壞特征的跟蹤觀測與評價，并進(jìn)行相應(yīng)累計交通量統(tǒng)計分析，建立路面結(jié)構(gòu)的破壞準(zhǔn)則和結(jié)構(gòu)抗力標(biāo)準(zhǔn)，通過力學(xué)響應(yīng)量與結(jié)構(gòu)抗力比較進(jìn)行路面結(jié)構(gòu)設(shè)計。主要以雙圓垂直均布荷載作用下的多層彈性理論為基礎(chǔ)，以路面結(jié)構(gòu)層層底拉應(yīng)力和路表彎沉值為設(shè)計指標(biāo)，以路面各結(jié)構(gòu)層厚度計算為核心進(jìn)行瀝青路面設(shè)計，依據(jù)設(shè)計規(guī)范提供的材料參數(shù)值，在確定路面結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)的基礎(chǔ)上，利用相應(yīng)的彈性層狀體系設(shè)計分析軟件計算確定路面各結(jié)構(gòu)層設(shè)計厚度。以路面各結(jié)構(gòu)層厚度為核心的設(shè)計方法為瀝青路面設(shè)計提供了有效指導(dǎo)，但這種方法重視路面結(jié)構(gòu)層厚度計算，卻忽略了路面結(jié)構(gòu)厚度與模量優(yōu)化組合設(shè)計，存在一定缺陷。相對而言，歐美等發(fā)達(dá)國家在瀝青路面設(shè)計中比較注重結(jié)構(gòu)組合厚度與模量的設(shè)計，但至今仍無公認(rèn)的理論體系。該文擬通過正交試驗對瀝青路面結(jié)構(gòu)厚度與模量進(jìn)行優(yōu)化組合，分析各影響因素對各結(jié)構(gòu)層評價指標(biāo)的影響，并確定最優(yōu)的結(jié)構(gòu)組合方案。

1　正交試驗評價指標(biāo)選取

根據(jù)瀝青路面結(jié)構(gòu)組合特點，確定路面結(jié)構(gòu)在交通荷載作用下的主要力學(xué)破壞模式，根據(jù)結(jié)構(gòu)破壞模式確定評價指標(biāo)。

（1）路表彎沉。路表彎沉反映路面的整體結(jié)構(gòu)強度和剛度，為現(xiàn)行瀝青路面設(shè)計規(guī)范的設(shè)計指標(biāo)之一，與各結(jié)構(gòu)層強度及結(jié)構(gòu)層間粘結(jié)情況有關(guān)，且受土基回彈模量的影響較大。

（2）層底彎拉應(yīng)力。路面開裂是瀝青路面最主要的破壞形式，為現(xiàn)行瀝青路面設(shè)計規(guī)范的設(shè)計指標(biāo)之一。這里采用結(jié)構(gòu)層底拉應(yīng)力為設(shè)計指標(biāo)，以控制結(jié)構(gòu)層疲勞開裂。

（3）瀝青層最大剪應(yīng)力。在荷載作用下，瀝青路面可能發(fā)生剪切破壞。當(dāng)結(jié)構(gòu)內(nèi)部剪應(yīng)力超過材料的抗剪強度時就會發(fā)生剪切破壞，瀝青砼內(nèi)部出現(xiàn)滑動，從而出現(xiàn)車轍損壞。這是目前中國高等級公路的主要破壞形式之一。

依據(jù)上述分析，選擇路表彎沉、層底彎拉應(yīng)力和瀝青層最大剪應(yīng)力作為正交試驗評價指標(biāo)。

2　路面結(jié)構(gòu)優(yōu)化組合分析

2.1路面結(jié)構(gòu)組合參數(shù)選取

原路面結(jié)構(gòu)方案設(shè)計參數(shù)如表1所示。根據(jù)原設(shè)計方案路面結(jié)構(gòu)組合及相應(yīng)結(jié)構(gòu)參數(shù)，選取各結(jié)構(gòu)層厚度、模量水平值（如表2所示）。考慮到瀝青層在結(jié)構(gòu)受力中不起主要承重層作用，故取與原設(shè)計方案相同的瀝青層參數(shù)。瀝青層以下結(jié)構(gòu)為主要承重層，在正交分析中選取不同的參數(shù)，分析其對結(jié)構(gòu)性能的影響。

為了評價瀝青路面結(jié)構(gòu)在高溫下的抗剪性能，對瀝青路面面層內(nèi)的剪應(yīng)力狀況進(jìn)行分析。因高溫下瀝青混合料的模量較常溫下的小，面層模量取值比彎沉與層底拉應(yīng)力計算時的取值小；因基層、底基層模量受溫度影響很小，其取值與層底拉應(yīng)力計算時的取值一致。

依據(jù)表2所確定的正交分析的影響因素（厚度、模量）及水平值，編制正交分析結(jié)構(gòu)參數(shù)組合表（如表3所示）。

表1　原路面結(jié)構(gòu)方案設(shè)計參數(shù)

表2　各結(jié)構(gòu)層厚度、模量水平值

2.2各評價指標(biāo)計算結(jié)果

依據(jù)表2、表3，對路表彎沉、層底拉應(yīng)力、瀝青層剪應(yīng)力分別進(jìn)行18種方案的分析計算，計算結(jié)果如表4所示。

表3　正交分析結(jié)構(gòu)參數(shù)組合

表4　各項指標(biāo)的計算結(jié)果

續(xù)表4

2.3直觀分析

直觀分析方法通過簡單的數(shù)據(jù)分析，判別各影響因素的水平變動對評價指標(biāo)的影響程度。計算方法是將每個因素水平下的所有計算值相加，取該水平下的平均值，并比較這些值兩兩之差絕對值的最大值，即極差。極差越大，說明該因素影響越大。表5為直觀分析計算結(jié)果，圖1為不同結(jié)構(gòu)參數(shù)對評價指標(biāo)影響的相對極差（將第一個影響因素即土基模量的影響極差定為1，將其他因素的影響極差值與第一個影響因素的極差值相比，得到相對極差）。

表5　各項指標(biāo)的極差計算結(jié)果

續(xù)表5

從圖1可以看出：1）對于路表彎沉，各因素的影響程度大小次序為土基模量>底基層厚度>墊層厚度>基層厚度>基層模量>墊層模量>底基層模量。土基模量對路表彎沉的影響程度遠(yuǎn)高于其他因素，對于以路表彎沉為設(shè)計指標(biāo)的路面設(shè)計，需重視對土基的處理。2）對于底基層層底拉應(yīng)力，各因素的影響程度大小次序為底基層模量>墊層厚度>底基層厚度>基層厚度>基層模量>土基模量=墊層模量，其中底基層模量對底基層層底拉應(yīng)力影響最大。3）對于基層層底拉應(yīng)力，各因素的影響程度大小次序為底基層厚度>底基層模量>基層模量>墊層厚度>基層厚度=墊層模量>土基模量，其中底基層厚度對基層層底拉應(yīng)力影響最大，其次為底基層模量，說明下承層對上層結(jié)構(gòu)受力影響較大。4）對于下面層層底拉應(yīng)力，各因素的影響程度大小次序為土基模量>基層模量>底基層厚度>墊層厚度>底基層模量>墊層模量>基層厚度。土基模量越大，下面層層底所受壓應(yīng)力越大。計算出的下面層層底拉應(yīng)力為負(fù)值，說明下面層層底實際受力為受壓。5）對于中面層層底拉應(yīng)力，各因素的影響程度大小次序為土基模量>底基層厚度>基層厚度>墊層厚度>墊層模量>底基層模量>基層模量。與下面層一樣，土基模量對中面層層底的壓應(yīng)力影響最大。6）對于上面層層底拉應(yīng)力，各因素的影響程度大小次序為基層厚度=底基層厚度>土基模量>基層模量>墊層厚度>墊層模量>底基層模量。基層與底基層厚度對其影響最大。7）對于瀝青層最大剪應(yīng)力，各因素的影響程度大小次序為土基模量>底基層厚度=基層厚度>墊層厚度=墊層模量>底基層模量=基層模量。總體來說，瀝青層最大剪應(yīng)力受結(jié)構(gòu)層參數(shù)的影響不大，其中土基模量的影響最大。

圖1　不同結(jié)構(gòu)參數(shù)對評價指標(biāo)影響的相對極差

綜合上面的分析，可以看出：重視土基處理，對路面各項評價指標(biāo)均具有重要作用，尤其是對于路表彎沉。瀝青層內(nèi)最大剪應(yīng)力受結(jié)構(gòu)參數(shù)影響較小，瀝青路面防車轍設(shè)計難以從結(jié)構(gòu)的角度去解決，更應(yīng)重視材料抗剪切性能設(shè)計。

2.4綜合分析

由于在瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計中必須保證每個設(shè)計指標(biāo)和其對應(yīng)的驗算指標(biāo)均滿足相應(yīng)要求，在選擇設(shè)計方案時，務(wù)必要兼顧到路面設(shè)計指標(biāo)。以上僅對單個設(shè)計指標(biāo)進(jìn)行了極值分析，下面將各指標(biāo)綜合在一起進(jìn)行極值分析。

綜合評分方法是分析多指標(biāo)問題的有效方法。根據(jù)各指標(biāo)重要性的不同，按照得出的每組結(jié)果綜合分析，給每組結(jié)果評出一個分?jǐn)?shù)，作為這組結(jié)果的總指標(biāo)，根據(jù)這個總指標(biāo)（分?jǐn)?shù)），可進(jìn)行相關(guān)極差分析，從而得出瀝青路面總體設(shè)計對各影響因素的敏感性。

該方法的關(guān)鍵是怎樣評分即如何確定指標(biāo)的權(quán)重。上述評價指標(biāo)均為保證路面不出現(xiàn)破壞而選取，其重要性是相同的，可直接將各指標(biāo)的得分相加得到總的得分。指標(biāo)值越小，相應(yīng)的路面越安全，根據(jù)評價指標(biāo)計算結(jié)果，將每個指標(biāo)中第一個值作為基準(zhǔn)值分?jǐn)?shù)，確定為100分，其余得分按下式計算：

式中：vi為第i組計算的指標(biāo)值；v0為得分為100的指標(biāo)值。

將不同類型基層路面指標(biāo)的得分相加得到綜合得分，按照直觀分析方法得到綜合得分（取基準(zhǔn)值為水平1的均值，如表6所示），不同結(jié)構(gòu)參數(shù)對綜合得分影響的相對極差如圖2所示。

表6　各項指標(biāo)的綜合得分

圖2　不同結(jié)構(gòu)參數(shù)對綜合得分影響的相對極差

從圖2可以看出：各因素對綜合得分的影響程度大小次序為土基模量>底基層厚度>基層模量>墊層厚度>墊層模量>底基層模量>基層厚度，土基模量的影響最大，其次為底基層厚度。為了保證結(jié)構(gòu)的整體強度，需做好路基處理，保證路基具有一定的剛度，通過提高路基模量達(dá)到減小路表彎沉、增大路面整體剛度的目的。同時還要保證一定的底基層厚度。

3　組合優(yōu)化方案的確定

計算指標(biāo)值越小，相應(yīng)路面越安全，故選取綜合得分最小時對應(yīng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)為最終優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)，以保證結(jié)構(gòu)耐久性最好，結(jié)果如表6所示。優(yōu)化后的瀝青路面結(jié)構(gòu)方案如表7所示。

表7　優(yōu)化后的瀝青路面結(jié)構(gòu)方案

從表6、表7可以看出：對于基層模量D的優(yōu)化結(jié)果取值為基層模量的最小值（水平1，D1），從結(jié)構(gòu)受力協(xié)調(diào)性層面來講，并非是傳統(tǒng)認(rèn)識上的基層模量越大越好，而應(yīng)是采用降低基層模量以與其他結(jié)構(gòu)層厚度模量相協(xié)調(diào)，達(dá)到改善瀝青路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部應(yīng)力狀態(tài)的目的。

通過上述綜合分析，瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計時應(yīng)采取適當(dāng)柔化的方法，合理降低基層模量，使基層和瀝青面層具有合理的模量匹配，同時使半剛性基層和墊層、路基具有合理的模量匹配，達(dá)到整個路面結(jié)構(gòu)剛度漸變、受力合理、變形協(xié)調(diào)的目的。

4　結(jié)論

（1）土基模量對各種路面結(jié)構(gòu)各項力學(xué)指標(biāo)均有較大影響，應(yīng)重視土基的處理。

（2）瀝青層內(nèi)最大剪應(yīng)力受結(jié)構(gòu)參數(shù)影響較小，瀝青路面防車轍設(shè)計難以從結(jié)構(gòu)的角度去解決，更應(yīng)重視材料抗剪切性能設(shè)計。

（3）并不是結(jié)構(gòu)層模量越大，結(jié)構(gòu)越強，只有各結(jié)構(gòu)層厚度與模量合理匹配，才能得出最優(yōu)的結(jié)構(gòu)組合。

（4）在設(shè)計施工時應(yīng)高度重視路基模量的選取，保證路基具有一定的剛度，通過提高路基模量達(dá)到減小路表彎沉、增大路面整體剛度的目的。底基層厚度對路面力學(xué)性能的影響較顯著，在設(shè)計時應(yīng)合理選取底基層厚度，以節(jié)約成本，使路面受力更加合理，延長瀝青路面的使用壽命。

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1671-2668（2016）01-0111-07

2015-11-04