瀝青路面面層各結構層疲勞壽命預測分析*

邱懷中

(湖北省交通運輸廳漢十高速公路管理處 武漢 430051)

瀝青路面在全天候服役環境中，一方面承受車輛荷載的作用，另一方面由于溫度差異，內部長期處于應力變化狀態，路面性能不斷下降，損傷不斷積累，當車輛作用軸載次數超過臨界值時，路面產生疲勞破壞[1]，因此，瀝青混合料疲勞性能與服役壽命緊密相關。高速公路瀝青路面面層各結構層級配、瀝青含量不同，其疲勞壽命也不相同；在服役的過程中，瀝青路面的疲勞破壞并非整體發生，而是優先出現在疲勞性能較差的結構層，進而擴展至整個面層[2]。因此，準確比較不同結構層間疲勞性能的強弱，確定最先發生疲勞破壞的結構層對科學制定養護決策具有重要意義[3]。

現階段我國公路性能評價主要依據JTG H20-2007 《公路技術評定標準》[4]，以公路技術狀況各項指數為標準進行，這些指數僅代表了路表的服役性能，缺少對道路在長期服役后道路面層各結構層性能差異的分析[5]。因此本文選用JTG D50-2017 《公路瀝青路面設計規范》中瀝青混合料疲勞開裂驗算模型[6]，通過對瀝青面層進行現場取芯檢測[7]和落錘式彎沉儀(FWD)檢測，獲取現場道路性能參數，進而準確地對路面剩余服役壽命進行預估，分析比較不同結構層剩余疲勞壽命狀況。

1 理論基礎

傳統的基于現象學的疲勞壽命預估模型主要建立在傳統疲勞試驗方法上，將試驗產生疲勞損傷的重復加載次數稱為疲勞壽命[8]。這些模型考慮瀝青混合料材料、環境等因素的影響，在大量試驗基礎上總結相應的瀝青混合料疲勞方程[9-10]。但上述瀝青混合料疲勞壽命預估模型均有限制條件，得到的疲勞壽命為對應試驗條件下的加載周期，而非標準軸載次數，無法應用于服役壽命的預估。

JTG D50-2017 《公路瀝青路面設計規范》中瀝青混合料疲勞開裂驗算模型如式(1)所示，該模型考慮了材料、環境等因素，相較于室內試驗得到的加載周期數，預估的疲勞壽命為標準軸載加載次數。

Nf=6.32×1015.96-0.29βkakbkT1-1·

(1)

式中：Nf為瀝青混合料疲勞開裂壽命，軸次；β為目標可靠指標；ka為季節性凍土地區調整系數；kT1為溫度調整系數；εa為瀝青混合料層層底拉應變，×10-6；Ea為瀝青混合料20 ℃時壓縮動態模量，MPa；VFA為瀝青飽和度，%；kb為疲勞加載模式系數。

其中：ha為路面結構層厚度，mm。

溫度調整系數kT1通過《公路瀝青路面設計規范》附錄G中的方法進行確定，通過式(2)進行計算。

kT1=AhAEkTi1+Bh+BE

(2)

式中：下標i為1代表瀝青混合料疲勞開裂分析；kTi為基準路面結構溫度調整系數；Ah、Bh、AE、BE為與面層、基層有關函數，由于本文僅針對瀝青混合料疲勞開裂進行計算，故僅列出以上4個參數的計算方法見式(3)～(6)。

AE=0.76λE0.09

(3)

Ah=1.14λh0.17

(4)

BE=0.14ln(λE/20)

(5)

Bh=0.23ln(λh/0.45)

(6)

式中：λE為面層與基層的當量模量比；λh為面層與基層的當量厚度比。

2 試驗設計

由式(1)可知，根據該模型，瀝青路面疲勞壽命與環境溫度、瀝青混合料動態模量、路面厚度，以及路面各結構層層底拉應變相關。由于瀝青路面各結構層配合比設計不同、厚度不同，其在長期服役后的材料性能存在差異，導致各結構層的疲勞壽命不同。因此，對在役高速公路瀝青路面剩余疲勞壽命預估時，須獲得在役路面各結構層的實際材料性能參數，具體流程如下。

1) 鉆取在役瀝青路面芯樣，測量芯樣各結構層的實際厚度。

2) 進行室內20 ℃各結構層動態模量測試，獲取在役路面面層各結構層的動態模量。

3) 采用FWD檢測路面彎沉，判斷路面強度，反算路面基層與路基的動態模量。

4) 根據路面各結構層實際厚度和動態模量，基于層狀彈性理論，采用BISAR軟件分別計算瀝青路面上、中、下面層層底拉應變。

5) 根據公路等級和所在地區確定相應的修正系數，包括目標可靠指標、季節性凍土地區調整系數和溫度調整系數。

6) 查找公路設計資料確定各面層瀝青飽和度VFA。

7) 將上述參數帶入疲勞開裂驗算模型，得到在役高速公路取芯路段面層各結構層的剩余疲勞壽命。

本文依托的實際工程為漢十高速公路孝襄段，全長243 km，其路面結構信息及瀝青飽和度見表1。

本次研究于漢十高速公路K1016+000-K1021+000路段進行鉆芯取樣，每1 km選取1個芯樣進行后續試驗，通過實測路面芯樣各結構層的動態模量參數表征該路段瀝青面層的動態模量，并采用FWD對取芯路段進行檢測，反算得到道路基層與路基模量。

2.1 芯樣各結構層動態模量測量

考慮試驗便捷性和準確性，采用單軸壓縮試驗測定芯樣的動態模量。試驗儀器為DTS-30動態測試系統，儀器加載力上限為30 kN，負載波形頻率上限為100 Hz，能夠滿足應力加載需求，且精度較高。式(1)中采用的動態模量為瀝青混合料20 ℃、10 Hz下的動態模量，因此在該條件下對所取芯樣的動態模量進行測試，試驗過程見圖1，通過分層粘貼試模，對路面芯樣上、中、下面層分別進行動態模量測試，LVDT測量標距通過各結構層實際厚度進行調整。

圖1 路面芯樣動態模量測試

試驗得到各路段芯樣各結構層動態模量見表2。

表2 取芯路段上、中、下面層厚度及20 ℃、10 Hz動態模量

2.2 基層和土基模量計算

針對路面基層結構強度檢測，漢十高速公路每年分段采用落錘式彎沉儀進行檢測。FWD檢測路面行車道彎沉，以20 m為單位保存檢測數據，根據每公里彎沉代表值，計算對應路段結構強度指數PSSI。通過彎沉盆數據反算確定評價路段基層及土基的模量，表3為漢十高速公路取芯路段彎沉反算模量。

表3 FWD彎沉反算模量

2.3 層底拉應變計算

以K1017+000-K1018+000路段為例，采用BISAR軟件進行層底拉應變計算，依據表1、表2、表3中檢測結果，輸入各結構層參數見表4。其中上、中、下面層厚度為現場取芯測量所得，基層厚度依據漢十高速公路設計資料取0.6 m，泊松比根據相關文獻選取了常用的經驗值。

表4 BISAR軟件路面模型參數輸入

圖2中A、B、C、D4點為規范推薦的進行計算結構層層底拉應變最大的位置。根據各結構層參數，計算各點沿行車方向的層底水平拉應變，車輛輪胎與路面接觸形狀近似為橢圓，在路面設計中被簡化為圓形均布荷載，其中δ是當量圓的半徑為106.5 mm，由式(7)計算可得，我國標準軸載為100 kN，車輪荷載為25 kN，輪胎接觸壓力為0.7 MPa。

(7)

式中：P為車輪荷載，kN；p為輪胎接觸壓強，kPa。

圖2 路面結構層層底拉應變計算位置示意圖

在BISRA軟件計算中需要輸入4個點的坐標，其中Z方向為路面深度方向，Y方向為車輛的行車方向，X方向為路表垂直行車的方向，各結構層的A、B、C、D點坐標見表5。

表5 層底拉應變計算點坐標值 m

BISAR軟件以層狀彈性理論為基礎進行分析計算，計算得到各結構層層底A、B、C、D4點拉應變見表6，并確定各結構層最大層底拉應變。

表6 面層各結構層層底拉應變

續表6

3 疲勞壽命預估

本文基于試驗檢測得到的路面各結構層參數，計算得到了長期服役后瀝青混合料面層各結構層的層底拉應變。根據漢十高速孝襄段的瀝青路面的材料參數和所處環境，可以確定式(1)中各項系數的大小，從而通過該疲勞開裂驗算模型對不同結構層疲勞壽命進行預估。

3.1 模型參數確定

依據《公路瀝青路面設計規范》，高速公路目標可靠指標β為1.65。依據JTG/TD31-06-2017《季節性凍土地區公路設計與施工技術規范》[11]，確定湖北省漢十高速公路孝襄段為規范中的其它地區，調整系數ka為1.00。

路面結構溫度調整系數根據式(2)～式(6)進行計算，該系數考慮了氣溫狀況對瀝青路面結構損壞的影響。漢十高速位公路于武漢地區的部分根據《公路瀝青路面設計規范》中相應的基準路面結構溫度調整系數表，確定瀝青混合料層底壓應變的基準路面結構溫度調整系數kT1為1.41。

計算路面結構溫度調整系數時，需將路面結構按式(9)、式(10)換算為當量瀝青面層和當量基層。超過2層時，重復采用公式自上而下進行換算，最終簡化為由當量瀝青面層、當量基層和路基構成的3層結構，計算結果見表7。基層當量厚度為0.6 m，當量模量為FWD反算模量。

(9)

(10)

表7 取芯路段面層結構簡化

通過式(3)～(6)確定式(2)各項系數，求得各路段溫度調整系數kT1，見表8。

表8 取芯路段溫度調整系數

計算疲勞加載模式系數kb，其中各結構層瀝青飽和度按表1中設計值進行取值，計算結果見表9。

表9 取芯路段疲勞加載模式系數

3.2 疲勞壽命預估

將上文確定的各項參數代入式(1)，確定各路段各結構層剩余疲勞壽命見表10。

表10 取芯路段上、中、下面層剩余疲勞壽命

對比表10中各路段上面層、中面層、下面層剩余疲勞壽命分析得，在標準荷載作用下，服役路面中面層剩余疲勞壽命最大，其次是上面層，下面層最小。由此可得在行車荷載作用下，面層中最先發生失效的并非是車輛直接作用的上面層，而是距離車輛作用最遠的下面層。

比較取芯路段上、中、下面層剩余疲勞壽命，以上、中、下面層剩余疲勞壽命的最小值為該路段的剩余疲勞壽命。路面技術狀況指數PQI反映路面表面總體性能，一定程度上代表了路面病害嚴重程度，表11對比了取芯路段剩余疲勞壽命和路面使用性能指數。

表11 取芯路段上、中、下面層剩余疲勞壽命與PQI對比

根據表11，所選路段路面技術狀況指數均在93～95之間，表示各路段路面技術狀況較為接近，且JTG H20-2007 《公路技術評定標準》中對該指數在90以上的路段評定為“優”。然而，各路段計算所得剩余疲勞壽命存在明顯差異，K1017+000-K1018+00疲勞壽命下降明顯，說明路面技術狀況指數與路面剩余疲勞壽命之間并沒有必然的聯系。因此僅通過路面表觀性能并不能反映路面的服役壽命、確定路面養護時機，為完善路面服役性能評價，需要進一步評價路面材料性能。

4 結語

本文依托于漢十高速公路孝襄段，通過現場芯樣動態模量試驗及FWD現場檢測數據獲取了長期服役后道路各結構層的模量參數。以高速公路瀝青路面長期服役后的路面性能參數為基礎，選取了JTG D50-2017 《公路瀝青路面設計規范》中瀝青混合料層的疲勞開裂壽命預測模型，預估了在役瀝青路面面層各結構層的疲勞壽命，得到結論如下。

1) 采用規范中模型，對各結構層疲勞壽命進行預估，發現取芯路段中面層疲勞壽命>上面層疲勞壽命>下面層疲勞壽命，說明在行車荷載作用下，面層中最先發生失效的并非是車輛直接作用的上面層，而是距離車輛作用最遠的下面層。

2) 路面技術狀況指數PQI與路面剩余疲勞壽命之間不存在明顯聯系，路面表觀性能并不能準確反映路面服役壽命，確定路面養護時機，需要進一步評價路面材料性能。

該研究通過對長期服役后瀝青路面進行實地取樣和檢測，采用JTG D50-2017 《公路瀝青路面設計規范》中的疲勞壽命預測模型對道路剩余疲勞壽命進行了預估，提出了一種在役路面疲勞壽命的預估方法，分析了瀝青路面面層各結構層在長期服役后疲勞壽命的差異，并指出目前道路檢測體系的不足，需進一步完善。