公路瀝青路面的彎沉與耐久性關系探討

摘要 為了保證公路工程建設質量，文章首先總結了瀝青混合料路面耐久性影響因素、驗收彎沉值和彎沉代表值的計算方法，隨后分析了貝克曼梁法、自動彎沉儀、FWD在瀝青路面彎沉檢測中的應用要點，最后以某高速公路的A～D路段為研究對象，分析了瀝青路面彎沉和耐久性隨運營時間的變化規律，研究成果可供類似項目借鑒。

關鍵詞 瀝青路面；彎沉檢測；耐久性；運營時間；工程案例

中圖分類號 U416.217 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2024）04-0096-03

0 引言

相對于水泥路面，瀝青混凝土路面在施工、行車、養護等方面具有明顯的優勢，在公路工程中應用廣泛。瀝青路面經過多年運營，其抗滑性能、結構強度、承載力等會不斷下降，使得路面耐久性衰減，影響了行車安全。在實際項目中，彎沉值是評價瀝青路面性能的重要指標，但對于彎沉值和耐久性之間關系的研究較少，研究成果可參考性不足。鑒于此，該文深入研究了瀝青路面彎沉檢測方法及其與耐久性之間的關系。

1 瀝青路面耐久性影響因素和彎沉類型

1.1 耐久性影響因素

（1）溫度。瀝青混凝土是一種對溫度較敏感的材料，其力學性能表現為黏彈性。在夏季連續高溫天氣下，瀝青混凝土為黏性，抗變形能力降低，在車輛荷載下容易出現不可恢復的車轍變形；在冬季連續負溫天氣下，瀝青混凝土為彈性，硬度增加，在車輛荷載下容易出現大面積脆性裂縫。上述兩種情況，都會使瀝青路面使用性能衰減，耐久性降低^[1]。

（2）濕度。如果瀝青路面遇連續降雨，形成的雨水徑流會充滿瀝青混合料空隙，使得基質瀝青與集料之間的吸附性下降。車輪經過積水路面引起的動水壓力會破壞集料，使瀝青混凝土出現松散破壞。同時，冬季的水會以冰的形態存在，而春季溫度升高后冰再融化成水，即產生“凍融循環”，使路面使用性能劣化，降低了路面耐久性。

（3）行車荷載。瀝青混合料路面設計是基于BZ-100標準軸載，如果交通量調查、預測不合理或標準軸載換算不當，可能使瀝青路面承載能力差。在運營期間受到車輛荷載后，路面內部或層底會出現較大的拉應力。當拉應力大于材料抗拉強度，層底開裂并不斷向上延伸，在路面形成反射裂縫，使路面發生疲勞破壞，降低其耐久性。

（4）瀝青混合料性能。為了保證瀝青路面的耐久性，瀝青混合料要有良好的性能，比如結合項目所處地區選擇瀝青標號；再比如粗細集料選擇棱角分明、堅硬、干燥的玄武巖或石灰巖，并選擇合理的礦料級配。粗集料含量不宜過低，否則會造成瀝青混合料的空隙被瀝青填充，難以形成有效的持力骨架，降低路面承載力。以路面上面層常用的SMA-13為例，其礦料級配宜采用中值，見表1。

1.2 彎沉類型

（1）驗收彎沉值。彎沉是反映瀝青混凝土路面結構承載力和耐久性的關鍵指標。由《公路瀝青路面設計規范》（JTG D50—2017，下簡稱《規范》）可知，路表驗收彎沉值應按彈性層狀體系理論計算，見公式（1）和公式（2）^[2]。

E₀——路基頂面回彈模量（MPa）；h₁、h₂…h_n?1——路面結構層厚度（m）；E₁、E₂…E_n?1——路面結構層彈性模量（MPa）；δ——當量圓半徑（mm）；k_l——調整系數，與路面基層材料和面層材料相關。

（2）彎沉代表值。路表彎沉檢測要先將公路劃分為若干個路段，每個路段的長度為1～3 km。隨后測定出每個路段的路表彎沉代表值l₀，并與驗收彎沉值進行對比。當l₀＜l_a，說明路面彎沉滿足設計要求，耐久性合理；當l₀＞l_a，說明路面耐久性不足。由《規范》可知，l₀可按公式（3）計算^[3]。

2 瀝青路面彎沉測試方法分析

2.1 貝克曼梁法

貝克曼梁法由合金鋁材料制作而成，有5.4 m梁和3.6 m梁兩種類型。由于該高速公路的路面基層屬于半剛性基層，可選擇長度為5.4 m的梁。同時，瀝青路面的加載車很重要，荷載不宜過大或者過小。《公路路基路面現場測試規程》（JTG 3450—2019，下簡稱《規程》）規定貝克曼梁法的標準加載參數如下：后軸標準軸載100±1 kN、單側雙輪荷載50±0.5 kN、輪胎氣壓0.7±0.05 MPa、單輪傳壓面當量圓面積（3.56±0.2）×10⁴mm²。

在檢測路面彎沉前，要先做好準備工作，比如檢查加載車的車況，給加載車配重，并統計試驗期間當地的平均氣溫。如果加載車磨損較大時，應測試輪胎傳壓面面積。

路表彎沉檢測時，要將加載車停放于測試路段，將貝克曼梁插入加載車后輪輪隙處（梁臂不接觸輪胎）。隨后，安排專職人員指揮加載車緩慢前進，行車速度應均勻，宜取3～5 km/h。百分表示值會隨路面變形的增加而增加，當百分表示值達到最大時，讀取初始讀數L₁，待加載車駛出彎沉影響范圍后，讀取最終讀數L₂。因此，路面回彈彎沉值為2×（L₁?L₂）。

2.2 自動彎沉儀

自動彎沉儀包括承載車、位移傳感器、距離傳感器、數據處理系統等，其中承載車荷載、輪胎氣壓等參數與貝克曼梁法相同，位移傳感器分辨率≤0.01 mm、量程≥3 mm，距離傳感器示值誤差≤1.0%。

彎沉檢測時，承載車緩慢加速至測試速度（＜3.5 km/h），并沿著正常行車軌跡駛入測試路段，開始采集數據。自動彎沉儀所獲取的路面彎沉盆峰值為路面總彎沉，并結合橫坡i修正。當路面橫坡≤4.0%，不需修正彎沉；當路面橫坡＞4.0%，高位修正系數和低位修正系數分別取1/（1?i）、1/（1+i）^[4]。

2.3 落錘式彎沉儀

落錘式彎沉儀（FWD）的測試結果與實際更加貼近，主要原因在于：FWD可以模擬車輛荷載，對測試位置設置沖擊力，測試出動態彎沉。FWD測定瀝青路面彎沉的具體步驟如下：將FWD牽引至測試路段起始點—設置狀態參數—承載板中心對準測點—啟動荷載發生裝置—記錄路表變形數據，變形峰值就是彎沉值。為了保證測試數據的準確性，每個測點至少測試3次，再將FWD牽引至下一測點，重復上述步驟，完成整個路段的測試。

由于我國瀝青路面結構設計時基于回彈彎沉值，在評價瀝青路面耐久性時也應將自動彎沉儀和FWD的測試值轉換為貝克曼梁值，并按《規程》附錄C得到自動彎沉儀測值、FWD測值與貝克曼梁測值的相關性關系式，相關系數R≥0.95^[5]。

3 瀝青路面彎沉與耐久性關系的具體關系

3.1 工程概況

研究對象為某高速公路，設計速度為100 km/h，橫斷面為雙向四車道，寬25 m，路面為瀝青路面，路面結構組合如下：SMA-13+AC-20+AC-25+水穩碎石基層+石灰穩定土底基層+土基，不同路面結構層的設計參數如表2所示。

瀝青路面所處區域地勢平坦、地基土以第四系上更新統松散堆積層為主，自上至下是粉土、粉砂、粉質黏土等。同時，項目所在區域夏季高溫、冬季寒冷、年平均降水量較大，約950.8 mm，勘察時地下水深度約1～2.5 m，且主要受降水補給。

3.2 瀝青路面彎沉隨使用年限的變化規律

（1）測試結果。在公路沿線取4個典型路段（編號為A路段、B路段、C路段、D路段），設置若干個測點，利用FWD測定了不同測點在公路運營6年內的彎沉，并按前期標定的關系將其轉換為貝克曼梁測值，見表3。

（2）變化規律。各個路段彎沉代表值與公路運營時間的曲線，如圖1所示。

由圖1可知：各個路段的彎沉代表值相差不大，且均滿足設計文件要求，說明瀝青路面的施工質量良好。同時，瀝青路面彎沉隨公路運營時間的增加而增加，但變化速率不均勻。在公路通車的2年內，瀝青路面使用性能較好，路表彎沉變化不明顯。當公路通車時間超過2年，瀝青路面受車輛荷載、降雨、溫度等因素的影響后耐久性開始衰減，承載能力下降，路表彎沉代表值快速增大。當公路通車時間超過5年，路表彎沉趨于穩定，最終達到52（0.01 mm）。

3.3 實測數據與理論計算值對比

通過Midas/GTS軟件建立瀝青混凝土路面計算模型，計算各個路段的最大彎沉。建模時，路面幾何尺寸不宜過大或過小，擬取6 m×6 m×6 m的立方體。為了簡化計算，計算模型采用實體單元模擬，不同瀝青路面結構層之間、瀝青結構層與土基之間是完全接觸的。同時，將路面模型的底面完全約束、頂面不約束，可自由變形，計算荷載采用《規范》中的標準軸載。

利用Midas/GTS軟件計算了A路段～D路段的路表彎沉最大值，并與彎沉實際檢測值進行對比，如圖2所示。

由圖2可知：對于同一路段，Midas/GTS軟件計算出的瀝青路面彎沉最大值均小于實測值，最小誤差是0.38%、最大誤差是1.15%，滿足工程精度要求。在實際項目中，可將有限元軟件對彎沉的計算值和實測值相互校核。

4 結語

該文主要研究了瀝青路面耐久性影響因素、彎沉測試方法及彎沉與耐久性之間的關系，得到了以下幾個研究成果：

（1）影響瀝青路面耐久性的因素可劃分為內因和外因，前者包括溫度、濕度、行車荷載等，后者主要是指瀝青混合料的自身特性。

（2）瀝青路面要合理確定驗收彎沉值和彎沉代表值，可采用貝克曼梁法、自動彎沉儀、落錘式彎沉儀等方法。

（3）隨著公路運營時間的增加，瀝青混凝土路面彎沉值增加，耐久性不斷衰減。此外，有限元軟件計算出的瀝青路面彎沉峰值要略小于實測值，最大誤差僅1.15%。

參考文獻

[1]羅品. 高速公路瀝青路面結構強度彎沉檢測技術研究[J]. 交通世界， 2023（28）： 73-75.

[2]王輝， 焦寶莉. 公路瀝青路面彎沉值在耐久性評價中的應用[J]. 運輸經理世界， 2022（15）： 29-31.

[3]張培輝. 安徽某高速公路瀝青路面彎沉與典型病害的灰色關聯分析[J]. 工程與建設， 2013（6）： 746-748.

[4]祝剛， 吳群. 淺談高速公路瀝青路面彎沉的問題[J]. 廣東科技， 2009（12）： 264-265.

[5]劉忠根， 孟瑩琳， 白日華， 等. 公路瀝青路面動態彎沉與靜態彎沉關系研究[J]. 中外公路， 2008（3）： 47-50.

收稿日期：2023-12-12

作者簡介：艾洋（1986—），男，本科，工程師，從事公路工程和橋梁施工技術研究和管理工作。