瀝青路面結構設計參數取值分析

殷宇翔

(廣東省交通規劃設計研究院集團股份有限公司，廣州 510507)

0 引言

《公路瀝青路面設計規范》(JTG D50-2017)(以下簡稱“規范”)較《公路瀝青路面設計規范》(JTG D50-2006)調整了設計指標的選取，在交通參數上遞進式考慮了車輛類型、軸型、軸載譜等因素對軸載換算的影響，在材料參數上考慮動載和濕度等因素對力學響應的影響[1]，使得瀝青路面結構設計與計算過程更為合理。規范最終在設計指標的驗算時充分考慮溫度、結構等因素，提出了更為精細的計算公式，使設計與驗算結果更有科學依據。但規范提出的公式中存在參數較多、計算較為復雜等問題，易導致設計人員在設計過程中難以抓住主要矛盾。

廣東省高速公路主要采用半剛性基層瀝青路面，該路面主要問題為車轍和半剛性基層的疲勞開裂，在設計時需根據其結構特點進行針對性的設計[2-4]。瀝青路面設計過程中，交通參數與環境參數由項目所處的區域位置所決定，因此設計主要是從材料參數與結構參數著手。從材料角度來看，除滿足基本的力學性能要求外，設計時需考慮各結構層模量的選取對力學指標值的影響，進而對設計指標和設計結果的影響[5]。從結構角度來看，在路面結構組合形式確定的前提下，各結構層厚度則是影響設計的核心因素。

基于此，本文選取廣東省典型的半剛性基層瀝青路面結構形式，利用公路路面設計程序系統HPDS2017，探究結構層模量、厚度等核心參數對控制指標的影響，明確設計要素與設計指標之間的變化規律，以期為瀝青路面結構設計和驗算提供參考。

1 路面結構及交通參數

1.1 路面結構

選取廣東省典型的半剛性基層瀝青路面為研究對象，采用HPDS2017軟件進行路面結構設計與驗算。路面結構形式及材料參數見表1，其中瀝青層模量值為20℃、10Hz條件下的動態壓縮模量，水泥穩定碎石層模量值為經調整系數修正后的彈性模量，級配碎石層模量值為濕度調整后的回彈模量值，土基模量值為平衡濕度狀態下并考慮干濕與凍融循環作用后的頂面回彈模量值[6-8]。

表1 路面結構及材料參數

1.2 交通參數

規范中考慮了車型、軸型和軸重等因素對路面結構的影響，主要目的是計算與設計指標相對應的當量設計軸載累計作用次數。當分析無機結合料穩定層疲勞開裂時，該值主要是用來與無機結合料穩定層的疲勞開裂壽命進行對比；分析瀝青層變形時，該值主要是用來計算瀝青混合料層永久變形量。對于半剛性基層瀝青路面，交通參數的取值將會影響到瀝青層永久變形的計算結果[9-10]。由于本文主要分析材料和結構參數對設計指標的影響規律，無需獲取精確的當量設計軸載累計作用次數，故對于交通參數的取值不作深入考究。為避免結構驗算結果不滿足要求，分析時交通參數值選取相對保守,其中初始年大型客車和貨車雙向年平均日交通量取3 500輛/d，交通量年平均增長率取5%，方向系數取0.55，車道系數取0.45。

2 材料參數影響分析

在表1的基礎上，通過調整各結構層的模量值，分析材料參數對設計指標的影響。設計指標為水泥穩定層的疲勞開裂壽命次數和瀝青混合料層永久變形量。

2.1 瀝青層模量變化

分別選取上中下面層不同的動態壓縮模量值，模量選取范圍均為9 000～13 500MPa，計算底基層疲勞開裂壽命和瀝青層永久變形量,計算結果如圖1所示。

圖1 瀝青層模量與設計指標的關系

由計算結果可知，底基層疲勞壽命次數隨面層模量的增加而波動，但整體有增大的趨勢，其中上面層模量變化的影響更為顯著。由規范中驗算過程可知[1]，在影響疲勞壽命次數的因子中與材料模量有關的主要為底基層層底拉應力和溫度調整系數，計算過程中上述兩因子隨模量的變化規律如圖2所示，可見底基層層底拉應力隨面層模量的增加有逐漸變小的趨勢，這與彈性層狀體系理論下的結構模量組成相關。層底拉應力減小將有利于底基層的抗疲勞開裂性能，但另一因子溫度調整系數會隨面層模量的增加而增大，導致疲勞壽命次數的縮減，故最終疲勞壽命次數隨面層模量的增加呈現波動的趨勢。

圖2 瀝青層模量與計算因子的關系

瀝青層永久變形量隨上中面層模量的增加而逐漸減小，隨下面層模量的增加而逐漸增大，這是結構模量組合對瀝青混合料各分層頂面豎向壓應力產生影響而導致的。計算結果表明,在荷載條件和瀝青混合料動穩定度等因素不變的前提下，瀝青層永久變形量會受瀝青混合料模量的影響，且變化規律與瀝青混合料層位有關，因此在瀝青路面抗車轍性能優化設計時，可通過改變瀝青混合料模量來減小瀝青層的永久變形，但具體調整方向需進行設計驗算。

2.2 水泥穩定層模量變化

選取基層和底基層不同的彈性模量值，其中基層模量變化范圍9 000～14 000MPa，底基層模量變化范圍為7 000～10 000MPa，計算結果如圖3所示。

圖3 水泥穩定層模量與設計指標的關系

由圖3可見，底基層疲勞壽命次數隨基層模量的增加由2.93×109增大到3.85×109，而隨著底基層模量的增加，疲勞壽命則由4.54×109減小到2.67×109。瀝青層永久變形量隨基層模量的增加略有增大，隨底基層模量的變化無明顯變化。這表明在水泥穩定類材料彎拉強度不變的前提下，適當增大基層模量或減小底基層模量，有助于減緩水泥穩定層的疲勞開裂。

2.3 土基模量變化

選取土基頂面不同的當量回彈模量值，變化范圍為40～70MPa，計算結果如圖4所示。

圖4 土基回彈模量與設計指標的關系

由圖4可見，隨著土基模量的增加，底基層疲勞壽命次數呈現增大的趨勢，瀝青層永久變形量則無變化，這主要是因為土基頂面回彈模量的增加會減小底基層層底拉應力，但對瀝青層頂面豎向壓應力影響不大。在設計時可以考慮通過提高路基性能來減少半剛性基層的疲勞開裂現象。

2.4 結構層模量敏感性

為分析各結構層模量對設計指標影響的顯著程度，采用正交試驗極差分析法進行敏感性分析。選取下面層動態壓縮模量Ea、基層彈性模量Eb、底基層彈性模量Ec和路基頂面回彈模量Ed作為試驗因素，每因素選取五水平，進行四因素五水平正交試驗。試驗因素水平設置見表2，正交試驗方案及計算結果見表3。

表2 正交試驗因素水平 (模量單位：MPa)

表3 正交試驗方案及計算結果 (模量單位：MPa)

極差分析法是通過對比各因素的極差大小判斷因素主次。判斷過程為先計算i因素在j水平時所對應的設計指標值和Kj，再計算對應均值Mj，最后計算各水平設計指標均值中最大值與最小值之差，即i因素的極差Ri。極差Ri即為設計指標隨i因素水平變動時的變化幅度。當極差Ri值越大時，表明該因素對設計指標的影響越大，反之，則影響越小。極差分析結果見表4。

由表4可知，對于無機結合料穩定層疲勞開裂指標而言，對其影響程度大小分別為Ec>Ed>Eb>Ea；對于瀝青層永久變形指標而言，對其影響程度大小分別為Ea>Eb>Ec>Ed。因此，對于半剛性基層瀝青路面，當針對半剛性基層疲勞開裂性能進行設計時，可選擇通過調整無機結合料穩定層模量或路基頂面回彈模量進行優化；當針對路面抗車轍性能設計時，應優先調整瀝青層模量。

表4 正交試驗結果極差分析

由表4分析可知，相對提高上中面層模量有助于減小瀝青層的永久變形，但對底基層疲勞壽命影響不大。相對提高基層模量可顯著增大底基層的疲勞壽命，但一定程度上不利于瀝青層永久變形。因此，針對不同的設計指標要求，需要調整的材料參數不盡相同，且設計指標隨材料參數變化的幅度也不盡相同，設計時建議根據實際情況和計算分析合理調整對應的材料參數。

3 結構參數影響分析

當路面結構組合形式確定后，路面設計的重點即為確定各結構層的厚度。結構層厚度的變化將會引起路面結構力學響應值變化，進而影響相應的設計指標值。在表1各參數的基礎上，分別調整瀝青層和水穩層的厚度值，分析其變化對設計的影響規律。

3.1 瀝青層厚度變化

由于瀝青層厚度受集料公稱最大粒徑和施工因素的限制，故選定上面層厚度變化范圍為4～6cm，中面層厚度變化范圍為5～7cm，下面層厚度變化范圍為7～9cm。計算結果如圖5所示。

圖5 瀝青層厚度與設計指標的關系

由計算結果可見，增大瀝青面層的厚度有利于提高水穩層的疲勞壽命，瀝青厚度每增加1cm，疲勞壽命次數約增長4%，且各面層厚度變化對疲勞壽命的影響規律較為相似。上面層厚度的增大可顯著降低瀝青層永久變形量，而中面層厚度變化對變形量的削減相對較弱，下面層厚度增大則有加速瀝青層永久變形的趨勢。出現該現象的主要原因，一是瀝青層厚度不同使得永久變形計算時層位劃分不同，各層位的豎向壓應力也不盡相同；二是因為上中下面層瀝青混合料的高溫穩定性不同，一般上面層混合料動穩定度較高，在計算模型中以較小的車轍試驗永久變形量體現。因此，增大厚度這一措施對于高溫穩定性較好的瀝青層可提高路面整體結構的抗車轍性能，對于高溫穩定性相對較弱的瀝青層則會適得其反。

3.2 水泥穩定層厚度變化

參照廣東省公路路面典型結構，選定“36cm+36cm”、“36cm+20cm”和“20cm+36cm”三種水泥穩定層厚度組合形式。計算結果如圖6所示。

圖6 水泥穩定層厚度與設計指標的關系

由圖6可見，水泥穩定層厚度變化對瀝青層永久變形量無明顯影響，但對水穩層的疲勞壽命影響較大。增大底基層厚度可顯著提高底基層的疲勞壽命次數，當水泥穩定層厚度一定時，相對減小基層厚度會對底基層的疲勞壽命略有削弱。因此，在路基性能等條件相對受限時，可通過調整水泥穩定層的厚度來提高半剛性基層的抗疲勞開裂性能。

4 結論

(1)底基層疲勞壽命次數隨面層模量的增加而波動，隨基層和土基模量的增加而增大，隨底基層模量的增加而減小，各參數影響程度大小分別為Ec>Ed>Eb>Ea。增大瀝青面層厚度有利于提高底基層的疲勞壽命，增大底基層厚度可顯著提高底基層的疲勞壽命次數。

(2)瀝青層永久變形量隨上中面層模量的增加而逐漸減小，隨下面層模量的增加而逐漸增大；瀝青層永久變形量隨基層模量的增加略有增大，隨底基層模量和土基模量的變化無明顯變化，各參數影響程度大小分別為Ea>Eb>Ec>Ed。增大上面層厚度可顯著提高瀝青層的抗車轍性能，而水穩層厚度變化對其無明顯影響。