耐久性瀝青路面結構疲勞壽命對比分析*

李 浩 許新權 劉 鋒

(公路交通安全與應急保障技術及裝備交通運輸行業研發中心1) 廣州 510420)(廣東華路交通科技有限公司2) 廣州 510420)

耐久性瀝青路面結構疲勞壽命對比分析*

李 浩1,2)許新權1,2)劉 鋒1,2)

(公路交通安全與應急保障技術及裝備交通運輸行業研發中心1)廣州 510420)(廣東華路交通科技有限公司2)廣州 510420)

以廣東省云羅高速公路耐久性瀝青路面試驗路為依托，通過對比改進型半剛性基層、碾壓混凝土基層和倒裝式半剛性基層三種瀝青路面結構層間連續下的力學響應，應用國內外瀝青路面設計方法預估三種瀝青路面結構的疲勞性能.理論計算結果和4年跟蹤試驗觀測結果表明，改性型半剛性基層和碾壓混凝土基層瀝青路面車轍深度小，使用性能好，疲勞性能優.

道路工程；瀝青路面；改進型半剛性基層；碾壓混凝土基層；疲勞性能

0 引 言

為解決我國高速公路早期病害問題，以修筑更耐久、使用性能更優的高速公路.沙慶林[1]提出了新水泥碎石基層瀝青路面結構型式，并在內蒙古、廣東省等地區鋪筑了大量試驗路，使用效果很好.福建省開展了倒裝結構的研究與實際工程應用[2]，在省內多條高速取得了不錯的應用效果.廣東省開展了高速公路瀝青路面新式碾壓混凝土基層的研究與實際工程應用[3].

文中依托云羅高速公路耐久性試驗路工程，對三種結構型式瀝青路面進行力學計算，應用國內外設計方法對比分析其疲勞壽命，并結合多年跟蹤觀測結果，以探索適合于廣東省的耐久性瀝青路面結構型式.

1 計算模型及參數

1) 計算模型 采用文獻[4]的雙圓均布荷載，作用半徑為10.65 cm，荷載圓中心間距31.95 cm，荷載0.707 MPa.路面結構力學響應計算采用BISAR3.0軟件，假設層間完全連續.

2) 計算參數 云羅高速公路長壽命試驗路項目共鋪筑三種結構試驗路，長度分別為951.5，1 037，969 m.其中，結構一基層為加強型半剛性基層;結構二為碾壓混凝土(RCC)基層;結構三為倒裝式半剛性基層.瀝青材料、半剛性材料及級配碎石抗壓回彈模量取值參照文獻[5-6].三種路面結構及其設計參數見表1～3.

3)計算點位 在雙圓均布荷載下，選取通過輪隙中心沿橫斷面Y方向的斷面進行研究，并各選取30個點.計算點位選取見表4.

表1 結構一路面結構型式及設計參數

表2 結構二路面結構型式及設計參數

表3 結構三路面結構型式及設計參數

注：*強度為7 d無側限抗壓強度設計值;**級配碎石不計算拉應力、拉應變,但在結構計算時仍給該結構層賦予模量值.

表4 路面結構力學計算點位的Y坐標分布

2 力學響應分析

文獻[7]以路表彎沉、瀝青層底拉應力及基層底拉應力為設計指標；針對無機結合料穩定類基層瀝青路面，以瀝青層永久變形量、基層底拉應力為設計指標；國外以殼牌(SHELL)設計法為代表的柔性路面設計法以瀝青層底拉應變、土基表面壓應變為設計指標[8].

針對以上規范，分別提取其設計指標在路表或關鍵層底沿橫斷面方向的30個數值，借助origin軟件繪制圖像，見圖1～3.

圖1 三種結構路表彎沉

圖2 三種結構瀝青層底拉應變

圖3 三種結構關鍵層底拉應力

3 計算結果對比分析

3.1 我國2006版規范

1) 路表彎沉 三種結構的路表彎沉見表5.

表5 三種結構路表彎沉 0.01 mm

2) 瀝青層底拉應力 三種結構瀝青層底拉應力見表6.

表6 三種結構瀝青層底拉應力 MPa

3) 基層底拉應力 三種結構基層底及底基層底最大拉應力見表7.

表7 三種結構基層底拉應力 MPa

3.2 我國2017版規范

本節僅分析三種結構瀝青層的永久變形量，文獻[7]給出了瀝青混合料永久變形量驗算公式，將BISAR計算得到的各分層豎向壓應力計算結果代入公式，得到永久變形量見表8.

表8 三種結構永久變形量對比表 mm

3.3 殼牌(SHELL)設計法

殼牌設計法設計指標為瀝青層底彎拉應變和土基頂面壓應變，瀝青層底最大彎拉應變和土基頂面最大壓應變計算結果見表9.

表9 三種結構拉壓應變 ×10-6

4 疲勞壽命

4.1 按照我國規范驗算

三種結構瀝青層底均為壓應力，此控制指標失效.按照文獻[7]中關于彎沉值與疲勞壽命的關系：

(1)

按照文獻[7]中關于基層底拉應力與疲勞壽命的關系為

(2)

(3)

(4)

(5)

式中：σR為路面結構材料層最大拉應力；σs為極限劈裂強度，三種結構中，半剛性基層材料劈裂強度σs取0.6 MPa，碾壓混凝土基層材料劈裂強度σs取2.1 MPa[9]；Ks為抗拉強度結構系數；Ac為公路等級系數，文中Ac取值為1.0.各參數的物理意義參閱文獻[7].基層底最大拉應力σR取值見表7.疲勞壽命計算結果見表10.

表10 三種結構疲勞壽命 次/車道

由表10可知，通過彎沉值反算得到的疲勞壽命顯著大于通過基層底拉應力反算得到的疲勞壽命.按照文獻[7]取最小值，三種結構的疲勞壽命大小順序：結構一>結構二>結構三，且結構一和結構二疲勞壽命數量級大于結構三；按照我國新版規范設計理論，根據基層底最大拉應力驗算得到的結果將與文獻[7]相同，不同之處在于增加了瀝青層永久變形量，根據表8計算結果，可得三種結構的疲勞壽命大小順序仍然為：結構一>結構二>結構三.

4.2 按照殼牌(SHELL)設計法驗算

殼牌設計法通過瀝青層底彎拉應變和土基頂面壓應變來控制瀝青路面的疲勞壽命.

(6)

式中:Nf為疲勞破壞時疲勞應變的作用次數；Smix為瀝青混合料的勁度模量；Vbit為瀝青所占的體積;ε為疲勞應變.

30號、70號基質瀝青混合料勁度模量分別取4.5和0.5 MPa，瀝青體積Vbit取12%，30號、70號基質瀝青混合料勁度模量Smix分別取1 000和450 MPa.將表9應變值分別代入式(5)～(6)驗算三種結構的疲勞壽命，計算結果見表11.

表11 三種結構疲勞壽命 次/車道

結構二瀝青層底為壓應變，殼牌設計法中瀝青層底拉應變對于結構二失效.由表11可知，按照疲勞壽命取最小值原則，三種結構的疲勞壽命大小順序：結構一>結構二>結構三.

對比我國規范與殼牌設計法的疲勞壽命計算結果，預估結果大小順序一致.因殼牌設計法主要針對于柔性路面，其計算結果普遍小于我國規范計算結果.

4.3 跟蹤觀測結果

云羅高速公路耐久性瀝青路面試驗段于2012年年底建成通車，根據四年多時間里對試驗路使用狀況的持續跟蹤觀測結果：結構一至今沒有出現裂縫，結構二有極少裂縫出現，結構三有少量裂縫出現；結構一和結構二車轍深度均在5 mm以下，結構三車轍深度在10 mm之內.理論計算結果與道路實際運行狀況基本相符.

5 結 束 語

以廣東省云羅高速公路改進型半剛性基層、碾壓混凝土基層和倒裝式半剛性基層三種結構瀝青路面試驗路為依托，通過對比分析層間連續下的力學響應，并應用文獻[7]設計規范及殼牌設計法分別對三種瀝青路面結構的疲勞性能進行了預估.理論計算結果和試驗路四年跟蹤觀測結果表明，改性型半剛性基層和碾壓混凝土基層瀝青路面車轍深度小，使用性能好，疲勞性能優，倒裝式半剛性基層瀝青路面略次.

[1] 沙慶林.新水泥碎石基層[J].鐵道建筑技術，2009(10)：1-6．

[2] 胡昌斌.福建省瀝青路面區域特性[M].北京：人民交通出版社，2013．

[3] 吳傳海，許新權，周勇.高速公路瀝青路面新式碾壓混凝土基層設計與施工技術[M].北京：人民交通出版社，2016.

[4] 中華人民共和國交通部.公路瀝青路面設計規范:JTG D50-2006[S].北京：人民交通出版社,2006.

[5] 譚振宇，李浩，許新權，等.瀝青路面力學響應監測系統布置方案研究[J].武漢理工大學學報(交通科學與工程版)，2017,41(3):528-532.

[6] 李蕓,李浩,黃克旺,等.瀝青路面三向應力響應對比分析[J].廣東公路交通，2017(3)：1-4.

[7] 中華人民共和國交通部.公路瀝青路面設計規范:JTG D50-2017[S].北京:人民交通出版社,2017.

[8] 沈金安．國外瀝青路面設計方法總匯[M]．北京：人民交通出版社，2004．

[9] 中華人民共和國交通部.公路水泥混凝土路面施工技術規范:JTG F30-2003[S]．北京：人民交通出版社，2003．

Comparative Analysis on Fatigue Life of Durable Asphalt Pavement Structure

LIHao1,2)XUXinquan1,2)LIUFeng1,2)

(ResearchandDevelopmentCenteronRoadTransportSafetyandEmergencySupportTechnology&Equipment,MinistryofTransport,Guangzhou510420,China)1)(GuangdongHualuCommunicationsTechnologyCo.LTD.,Guangzhou510420,China)2)

Based on the durable asphalt pavement test road of Yunluo Expressway in Guangdong Province, by comparing the mechanical response of three kinds of asphalt pavement structures with improved semi-rigid base, roller compacted concrete base and inverted semi-rigid base, the fatigue performances of three asphalt pavement structures are estimated in the methods of asphalt pavement design at home and abroad. The results of the theoretical calculation and the four-year follow-up of the test road show that the improved semi-rigid base and the roller compacted concrete pavement have small rutting depth, good performance and excellent fatigue performance.

road engineering; asphalt pavement; improved semi-rigid base; roller compacted concrete base; fatigue performance

U416

10.3963/j.issn.2095-3844.2017.06.033

2017-10-10

李浩(1988—)：男，碩士，工程師，主要研究領域為道路結構力學計算

*廣東省交通運輸廳科技項目資助(2012-02-011)