瀝青路面中瀝青混合料層永久變形量驗算問題與分析

陳新富

(廣東省交通規劃設計研究院股份有限公司，廣州 510507)

0 概述

車轍是指行車道上出現的轍槽，車轍變形的內因是瀝青砼的高溫穩定性和抗變形能力差，在車輛荷載的重復作用下，產生橫向剪切變形。廣東省內高速公路由于氣溫較高，高溫天氣時間持續較長，而且交通量較大，重載車比例高，瀝青路面較易出現車轍病害，嚴重影響行車質量及安全。

《公路瀝青路面設計規范》(JTG D50-2017)(以下簡稱“新規范”)于2017年9月1日開始實施，新規范在驗算路面設計指標的選擇上較原規范有較大調整[1]，其中增加了瀝青混合料層永久變形量設計指標?？刂茷r青層的永久變形是控制瀝青路面車轍量的關鍵，特別是對于無機結合料穩定類基層、底基層的瀝青路面，無機結合料穩定層和路基由于荷載重復作用而產生的永久變形累積量不大，在路表的車轍總量中僅占很小的比重，可認為不產生永久變形，這類路面車轍主要由瀝青混合料層永久變形產生，因此新規范3.0.6條[1]無機結合料穩定類基層、底基層的瀝青路面瀝青混合料層的容許永久變形量與路面容許車轍相同，為15mm。

近期筆者在廣東省幾條采用水泥穩定碎石基層、底基層的半剛性高速公路瀝青路面設計計算過程中發現，設計使用年限為15年時，采用通常的材料設計參數驗算得出的瀝青混合料層永久變形量指標難以滿足新規范要求，或者計算得出的瀝青混合料動穩定度值特別大，而在工程實際應用中瀝青混合料的質量要求和施工控制均較難實現。

但新規范附錄B.3.2計算瀝青混合料層永久變形量公式中[1]：設計車道上當量設計軸載累計作用次數是指設計使用年限內或通車至首次針對車轍維修的期限內，條文說明中指出[1]“結構分析需綜合考慮路面的養護、維修工作。對交通量大、重載比例高的項目，路面設計使用年限內有時需要針對車轍進行一次或一次以上的維修，此時Ne3采用通車至首次維修的期限內當量設計軸載累計作用次數”。結合廣東省內高速公路營運期路面實際養護維修情況，一般針對路面車轍等病害在通車后8～10年進行一次大修，因此筆者通過調整設計期取通車至針對路面車轍維修所對應的時長進行計算，得到合理的瀝青混合料動穩定度要求，以用作瀝青混合料的質量要求和施工控制指標。

本文結合廣東省懷集至陽江港高速公路懷集至郁南段(以下簡稱懷郁高速公路)的路面工程中瀝青混合料層永久變形量設計驗算情況，對上述問題進行分析。

1 交通量

1.1 交通量預測

懷郁高速公路通車年為2021年，各路段、各特征年車型交通量分布情況及年平均交通量見表1[4]。

表1 交通量預測結果 (單位：Pcu/d)

懷郁高速公路各特征年車型比例見表2[4]。

表2 特征年份車型比例 (單位：%)

1.2 累計交通量

根據交通量OD調查分析，懷郁高速公路建成通車2021年的雙向大型客車和貨車交通量為5 320輛/d，計算得到交通量年平均增長率為7.4%，方向系數選取0.55，車道系數取0.7。根據新規范計算得到其設計使用年限內(15年)設計車道上當量設計軸載累計作用次數為41 123 820次，設計使用年限內設計車道累計大型客車和貨車交通量為17 664 380，設計交通荷載等級屬于重交通。

2 路面材料參數及結構設計分析

2.1 參數設計水平

新規范規定路面結構層材料設計參數的確定分為下列三個水平[1]：水平一，通過室內試驗實際測試確定；水平二，利用部分已有的經驗關系式確定；水平三，參照規范推薦或常用的典型數值確定。具體如表3所示。

表3 路面結構層材料設計參數確定水平情況[1]

對應參數水平的確定，新規范在5.1.4章節中規定如下[1]：“高速公路和一級公路的施工圖設計階段宜采用水平一，其他設計階段可采用水平二或水平三；二級及二級以下公路可采用水平二或水平三。”

本文結合懷郁高速公路路面工程情況，參數設計采用水平三，即參照典型數值確定。主要基于以下三個方面：(1)新規范用的是“宜”，并非強制性要求采用水平一；(2)考慮到懷郁高速公路路面施工圖設計正好位于新舊規范交替的特殊時期，如采用水平一，周期長，影響工程進度；(3)對新建高速公路兩階段施工圖設計，材料參數的確定可先采用水平三，待施工過程中原材料確定且具備室內試驗條件時，再采用水平一確定設計參數，并進行動態設計。

2.2 初擬路面結構設計方案

懷郁高速公路初擬路面結構方案見表4。

表4 路面結構方案

3 瀝青混合料層永久變形量驗算分析

根據新規范[1]“表G.1.2 各地氣溫統計資料及相應的基準路面結構溫度調整系數和等效溫度”，查出項目區基準等效溫度為26.3℃，由公式(G.2.1)計算得到對應瀝青混合料層永久變形的等效溫度為29.3℃。

3.1 正常情況下，設計使用年限為15年的瀝青混合料層永久變形量計算分析

根據新規范附錄B.3.1條[1]規定的分層方法，需將本項目瀝青混合料層分為7個分層，各分層厚度(hi)如表5所示。利用彈性層狀體系理論，分別計算設計荷載作用下各分層頂部的豎向壓應力(Pi)。根據新規范[1]公式(B.3.2-3)和公式(B.3.2-4)，計算得到d1=-4.15，d2=0.66。將d1和d2的計算結果代入公式(B.3.2-2)，可得到各分層的永久變形綜合修正系數(kRi)，并進而利用公式(B.3.2-1)計算各分層永久變形量(Rai)。計算結果見表5。

表5 瀝青層永久變形量計算結果

根據附錄B公式(B.3.4)

DS=9 365R0-1.48

式中：DS—瀝青混合料動穩定度。

進而計算得出車轍試驗動穩定度要求：

第1層瀝青混合料車轍試驗動穩定度技術要求為6 351次/mm；

第2層瀝青混合料車轍試驗動穩定度技術要求為6 351次/mm；

第3層瀝青混合料車轍試驗動穩定度技術要求為2 276次/mm。

從以上計算結果可知，本項目瀝青混合料層永久變形量Ra=18.37mm，根據新規范[1]表3.0.6-1，無機結合料穩定類基層、底基層瀝青路面的瀝青混合料層容許永久變形量為15.0mm，因此擬定的路面結構不滿足新規范瀝青混合料層永久變形量的要求，而且要求的瀝青混合料動穩定度值也較大。

3.2 試算設計使用年限為15年且滿足新規范要求的瀝青混合料層永久變形量計算分析

正常情況下，設計使用年限為15年的瀝青混合料層永久變形量結果經過驗算不滿足規范要求，而假定設計使用年限為15年且瀝青混合料各層總永久變形量為15mm臨界值時，通過附錄B公式(B.3.4)試算得出車轍動穩定度。試算總永久變形量為15mm的瀝青層永久變形量詳見表6。

表6 總永久變形量為15mm的瀝青層永久變形量

進而由附錄B公式(B.3.2-1)和(B.3.4)得出對應的車轍動穩定度結果：

第1層瀝青混合料車轍試驗動穩定度技術要求為12 122次/mm；

第2層瀝青混合料車轍試驗動穩定度技術要求為11 911次/mm；

第3層瀝青混合料車轍試驗動穩定度技術要求為4 196次/mm。

由上述可知，設計使用年限為15年且滿足新規范要求的瀝青混合料層永久變形量要求后，瀝青混合料的車轍動穩定度值很大，實際瀝青混合料的質量及施工控制很難達到要求。

3.3 調整設計期為10年時的瀝青混合料層永久變形量計算分析

根據新規范附錄B條文說明[1]，允許路面設計使用年限內針對車轍進行一次或一次以上的維修，將本項目通車至首次針對車轍維修的期限取為10年，對應于瀝青混合料層永久變形的設計車道上當量設計軸載累計次數為23 083 950，進而計算得出永久變形量結果(表7)。

表7 設計期為10年時瀝青層永久變形量計算結果

由表7可知，將通車至首次針對車轍維修的期限取為10年后，擬定的路面結構滿足新規范瀝青混合料層永久變形量的要求。

根據附錄B公式(B.3.4)，進而計算得出車轍試驗動穩定度：

第1層瀝青混合料車轍試驗動穩定度技術要求為6 006次/mm；

第2層瀝青混合料車轍試驗動穩定度技術要求為5 691次/mm；

第3層瀝青混合料車轍試驗動穩定度技術要求為1 937次/mm。

以上瀝青混合料的車轍試驗動穩定度要求，在目前的材料和施工工藝條件下可以達到。

4 結論

(1)在廣東大部分地區氣溫較高、交通量較大和重載比例高的情況下，按照《公路瀝青路面設計規范》(JTG D50-2017)，若設計車道上當量設計軸載累計作用次數采用路面設計使用年限15年時，瀝青混合料層永久變形量指標難以滿足規范要求，或者計算得出的瀝青混合料動穩定度值特別大，但在實際工程中瀝青混合料的質量及施工控制很難達到要求。

(2)規范附錄B.3.2計算瀝青混合料層永久變形量公式中：設計車道上當量設計軸載累計作用次數是指設計使用年限內或通車至首次針對車轍維修的期限內，因此通過調整設計期取通車至針對路面車轍維修所對應的時長(一般8～10年)進行計算，瀝青混合料層永久變形量指標滿足規范要求，且得到的瀝青混合料動穩定度要求符合實際工程情況。

(3)以上調整設計期計算瀝青混合料層永久變形量的方法，符合廣東省內高速公路營運期一般針對路面車轍等病害在通車后8～10年進行一次大修的實際情況，也可供類似工程參考。