結(jié)構(gòu)層厚度和模量對全厚式瀝青路面設(shè)計指標(biāo)的影響

李小勇，韋金城，徐希忠，胡 超

(1.山東建筑大學(xué)，山東 濟南 250000；2.山東省交通科學(xué)研究院，山東 濟南 250000；3.齊魯交通發(fā)展集團有限公司，山東 濟南 250000)

0 前 言

我國高等級公路多采用半剛性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)形式，這種路面結(jié)構(gòu)具有較高的剛度與承載力，半剛性基層的板體性和擴散應(yīng)力能力強且水穩(wěn)定性好。但是半剛性基層瀝青路面的早期損壞嚴(yán)重，唧泥和層間結(jié)合的問題一直得不到有效解決，成為目前半剛性基層瀝青路面最常見的問題。

相比半剛性基層瀝青路面，全厚式瀝青路面由于柔性基層的加入，可以很好地避免上述問題。全厚式瀝青路面是一種直接在路基上鋪筑瀝青混凝土的路面結(jié)構(gòu)，其最大特點是能夠確保各類路面損壞控制在表面層頂部較薄的范圍內(nèi)，如自上而下的溫度疲勞開裂、車轍、表面磨耗、瀝青老化等，且有效防止出現(xiàn)聯(lián)結(jié)層以下的結(jié)構(gòu)性損壞。而表面層的損壞僅需通過預(yù)防性養(yǎng)護即可得以處治，一旦道路表面損壞達到臨界水平，其最為經(jīng)濟的處理方法是對損壞的表面層進行銑刨、罩面或者加鋪。全厚式瀝青路面不僅有效的避免了路面結(jié)構(gòu)性破壞，而且路面厚度較薄，可以節(jié)約大量砂石料等資源。國外大量實踐證明，全厚式瀝青路面雖然初期投資較高，但使用壽命更長，在五十年內(nèi)無需進行路面結(jié)構(gòu)性大修，在全壽命周期內(nèi)具有顯著的經(jīng)濟性和結(jié)構(gòu)性優(yōu)勢。

瀝青混合料的模量和結(jié)構(gòu)層的厚度是進行全厚式瀝青路面設(shè)計的兩個重要參數(shù)。不同類型的瀝青混合料模量相差較大，在法國，低標(biāo)號高模量的瀝青混合料廣泛應(yīng)用于柔性基層，其模量遠高于普通瀝青混合料。路面結(jié)構(gòu)層的厚度也是設(shè)計中的一個重要參數(shù)，根據(jù)彈性層狀體系理論和“應(yīng)變下限”理論，面層越厚，結(jié)構(gòu)層的層底拉應(yīng)變越小，但過大的厚度不僅會造成材料的浪費，也會造成施工的困難。因此，研究模量和厚度對全厚式瀝青路面力學(xué)設(shè)計指標(biāo)的影響，對路面結(jié)構(gòu)設(shè)計與材料優(yōu)選具有重要的意義。

1 試驗設(shè)計

為了更好地研究結(jié)構(gòu)層模量和厚度變化對全厚式瀝青路面設(shè)計指標(biāo)的影響規(guī)律，先對全厚式瀝青路面結(jié)構(gòu)層不同厚度處彎拉應(yīng)變的變化進行研究分析。再按法國瀝青路面設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)及指標(biāo)，選擇模量和厚度兩個結(jié)構(gòu)層參數(shù)進行正交試驗設(shè)計。選擇模量參數(shù)作變量設(shè)計時，先確定路面各結(jié)構(gòu)層厚度，再利用軟件計算各結(jié)構(gòu)層不同模量下的瀝青混合料層底彎拉應(yīng)變和路面承臺層頂壓應(yīng)變，選擇厚度作為變量設(shè)計時，同樣先確定各結(jié)構(gòu)層模量再進行計算。

1.1 設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)及指標(biāo)

法國路面設(shè)計理論采用雙圓均布荷載作用下的彈性層狀理論體系，與我國路面設(shè)計不同之處在于參數(shù)的選擇上，法國以單軸雙輪130 KN為標(biāo)準(zhǔn)軸載，輪胎接地壓強為0.662 MPa，當(dāng)量圓半徑為0.125 m，材料參數(shù)以15 ℃、10 Hz動態(tài)復(fù)合模量為瀝青混合料的材料參數(shù)進行計算。

法標(biāo)全厚式瀝青路面設(shè)計以瀝青混合料的層底彎拉應(yīng)變εt和路面承臺層頂壓應(yīng)變εz為控制指標(biāo)，瀝青混合料的層底彎拉應(yīng)變可以反映材料的疲勞和應(yīng)力應(yīng)變情況，路面承臺的層頂壓應(yīng)變可以更好的反映路面的總變形量。

1.2 應(yīng)變分析方案

本文采用法國標(biāo)準(zhǔn)，利用法國瀝青路面設(shè)計軟件ALIZE進行設(shè)計，分析全厚式瀝青混凝土路面不同厚度處的應(yīng)變變化規(guī)律。部分設(shè)計參數(shù)取自于沾臨高速，如表1所示。

表1 設(shè)計參數(shù)表

根據(jù)結(jié)構(gòu)路網(wǎng)VRS道路(高速公路)卡片中全厚式瀝青路面的常用材料，磨耗層選擇BBME2瀝青混合料、聯(lián)結(jié)層選擇BBSG3瀝青混合料、基層選擇GB4瀝青混合料、底基層選擇GB3瀝青混合料，材料性能見表2。

表2 材料性能表

1.3 正交試驗方案

(1)模量的影響

根據(jù)法國規(guī)范中的各結(jié)構(gòu)層材料的選擇及各材料的性能參數(shù)，列出各層材料模量參數(shù)表，如表3所示。

表3 模量參數(shù)表

采用正交試驗法，各結(jié)構(gòu)層選取其中4組數(shù)據(jù)進行計算，按照3因素4水平的正交試驗安排試驗表。選取模量時，為了更直接有效的反映其中關(guān)系，本文選取面層和基層模量時以整數(shù)單位選取，正交試驗表見表4。參考結(jié)構(gòu)性路網(wǎng)所提供的結(jié)構(gòu)，厚度選取磨耗層4 cm+聯(lián)結(jié)層6 cm+基層12 cm+底基層12 cm。

表4 3因素4水平模量變化正交試驗表L16(43)

(2)厚度的影響

法標(biāo)中，各結(jié)構(gòu)層和材料都有一個厚度范圍，如表5所示。

進行正交設(shè)計時，將磨耗層、聯(lián)結(jié)層和基層一起組成3因素4水平正交試驗表，見表6。參考各結(jié)構(gòu)層材料規(guī)范，選取各結(jié)構(gòu)層模量，磨耗層7 000 MPa+聯(lián)結(jié)層9 000 MPa+基層、底基層11 000 MPa+路面承臺120 MPa。

表5 材料厚度規(guī)范表

表6 3因素4水平厚度變化正交試驗表L16(43)

2 計算結(jié)果與分析

2.1 應(yīng)變結(jié)果與分析

利用ALIZE軟件進行計算，計算出瀝青層底拉應(yīng)變εzadm為240.2 με，承臺層頂壓應(yīng)變εtadm為52.8 με，并確定路面厚度為磨耗層4 cm+聯(lián)結(jié)層6 cm+基層16 cm+底基層16 cm。不同厚度處彎拉應(yīng)變?nèi)鐖D1所示。

圖1 彎拉應(yīng)變沿深度變化圖

從圖1可以看出，初始時應(yīng)變?yōu)槔瓚?yīng)變，到9 cm深度處開始轉(zhuǎn)為壓應(yīng)變，面層和基層的應(yīng)變沿深度變化的變化率近乎相似。在荷載作用下，面層主要為拉應(yīng)變，基層主要為壓應(yīng)變，拉應(yīng)變最大值出現(xiàn)在磨耗層層底位置，壓應(yīng)變最大值出現(xiàn)在路面承臺頂部。瀝青層的拉應(yīng)變值較小，路面承臺壓應(yīng)變值較大，在進行設(shè)計時，應(yīng)重點考慮路面承臺的壓應(yīng)變。

2.2 模量的影響結(jié)果與分析

按照表3的正交試驗表，利用ALIZE軟件計算瀝青層層底拉應(yīng)變和路面承臺層頂壓應(yīng)變，得出結(jié)果如表7所示。

表7 拉、壓應(yīng)變計算結(jié)果

對試驗結(jié)果采用極差法進行數(shù)據(jù)處理，求出各個因素水平下的指標(biāo)之和，計算平均值然后求極差，極差值越大，對試驗指標(biāo)的影響越大。分析結(jié)果如表8、表9所示。

表8 瀝青層層底拉應(yīng)變極差分析結(jié)果

表9 承臺層頂壓應(yīng)變極差分析結(jié)果

由表8結(jié)果可以看出，路面承臺模量的極差值是面層的10倍，是基層的3倍，表明路面承臺模量是瀝青層層底拉應(yīng)變的重要影響因素，其次是基層模量，面層模量的影響最小。由表9結(jié)果可以看出，路面承臺模量的極差值是面層的11倍，是基層的5倍，表明路面承臺模量同樣也是路面承臺層頂壓應(yīng)變的重要影響因素，其次是基層模量，面層模量對承臺層頂壓應(yīng)變的影響最小。模量對瀝青層層底拉應(yīng)變和路面承臺層頂壓應(yīng)變影響規(guī)律呈現(xiàn)相似性。

2.3 厚度的影響結(jié)果與分析

將表5的數(shù)據(jù)輸入軟件，計算瀝青層層底拉應(yīng)變和路面承臺層頂壓應(yīng)變，得出結(jié)果如表10所示。

表10 拉、壓應(yīng)變計算結(jié)果

對試驗數(shù)據(jù)進行極差分析，分析結(jié)果如表11、表12所示。

表11 瀝青層層底拉應(yīng)變極差分析結(jié)果

表12 承臺頂面壓應(yīng)變極差分析結(jié)果

表11和表12結(jié)果顯示，基層厚度的極差值是磨耗層和聯(lián)結(jié)層的1.9倍，磨耗層厚度和聯(lián)結(jié)層厚度的極差值幾乎相等，表明基層厚度對設(shè)計指標(biāo)的影響顯著，磨耗層厚度和聯(lián)結(jié)層厚度對設(shè)計指標(biāo)的影響結(jié)果相同。厚度對瀝青層層底拉應(yīng)變和路面承臺層頂壓應(yīng)變影響規(guī)律呈現(xiàn)相似性。

3 結(jié) 論

(1)全厚式瀝青路面面層和基層應(yīng)變沿深度變化的變化率相近，拉應(yīng)變出現(xiàn)在面層，壓應(yīng)變出現(xiàn)在基層。拉應(yīng)變較小，壓應(yīng)變較大，最大應(yīng)變出現(xiàn)在路面承臺頂部。

(2)路面承臺模量是設(shè)計指標(biāo)的重要影響因素，遠大于基層模量和面層模量對設(shè)計指標(biāo)的影響。

(3)基層厚度對設(shè)計指標(biāo)影響顯著，其次是磨耗層厚度和聯(lián)結(jié)層厚度，磨耗層厚度和聯(lián)結(jié)層厚度對設(shè)計指標(biāo)的影響結(jié)果相同。

(4)模量和厚度對瀝青層層底拉應(yīng)變和路面承臺層頂壓應(yīng)變影響規(guī)律呈現(xiàn)相似性。