开放交通初期车辆荷载对半刚性基层沥青路面的影响
2014-02-28刘俊琴马士宾
刘俊琴，马士宾，陈 晗
(1.义乌工商职业技术学院，浙江 义乌 322000；2.河北工业大学 土木工程学院，天津 300400；3.义乌市城市规划设计研究院，浙江 义乌 322000)
为了缓解交通压力，公路建成后一般都希望尽快通车。由于半刚性基层材料的路用性能受温度与龄期等因素影响很大，在实际工程中，很多公路尤其是我国北方地区秋季施工的沥青路面基层养生温度一般也很难在20 ℃下养生，基层7 d无侧限抗压强度强度也很难得到保证[1-2]。与此同时，路面结构设计时水泥稳定类材料的极限劈裂强度系指90 d龄期的强度，对二灰稳定类、石灰稳定类材料系指龄期为180 d的极限劈裂强度。即使按现行JTG F 40—2004《公路沥青路面施工技术规范》要求，路面开放交通时的半刚性基层材料强度也很难达到设计龄期强度[3]。此外，虽然我国沥青路面设计规范对半刚性基层7d无侧限抗压强度有所规定，但由于半刚性基层层底主要承受的是拉应力，半刚性基层材料早期抗弯拉强度较低，过早开放交通是否会导致路面结构发生早期破坏，一直是工程技术人员关心的问题[4]。
为探求不同情况下开放交通初期车辆荷载对路面结构的影响程度，笔者通过室内试验，获得了路面材料在10，20 ℃温度下，7，14，21，28，35 d的路用性能参数，并利用KENPAVE程序计算出龄期、车辆轴载、温度等各种因素作用下，竖向位移、路基顶压应变和层底拉应力等力学指标变化规律，这对开放交通初期车辆管制具有一定的借鉴作用。
1 路面结构力学计算参数的确定
以廊坊市大庆—广州高速霸州互通连接线为例进行路面结构分析，假设路面结构各层间是完全连续的，路面结构形式如表1。通过室内试验，分别获得各结构层的材料在标准养生温度(20 ℃)和低温环境(10 ℃)下7，14，21，28，35 d的抗压回弹模量和路面材料的劈裂强度，如表1、表2。
表1 路面结构及材料参数
表2 路面材料的劈裂强度试验结果
根据JTG F 40—2004《公路沥青路面施工技术规范》，一般在路面下层结构铺筑7 d后铺筑上层结构[5]。路面开放交通时各结构层已养生的龄期见表3。
表3 路面开放交通时各结构层已养生的龄期
2 车辆、基层温度和开放时间对力学指标的影响
2.1 各因素对路表竖向位移的影响
基层温度不同时，开放交通初期路表竖向位移计算结果图1。
图1 路表竖向位移与轴载的关系Fig.1 Relationship between the vertical displacementof pavement surface and axle load
由图1可以看出：
1)当车辆荷载一次性加载时，路表竖向位移随着轴载的增加而呈线性增长趋势。轴载由100 kN增加到300 kN时，路表竖向位移增加了3倍左右。可见，重载对路面的影响极大。在路面开放初期，应该严格控制重载车辆的出现。
2)开放交通时间的推迟可以减小路表竖向位移，原因在于基层的回弹模量随龄期而增大，导致路表的竖向位移变小，从而提高了路面承载能力。
3)温度对路表竖向位移的影响也很大。在一定轴载下，路面开放交通的季节温度由10 ℃增加到20 ℃，路表竖向位移有一定程度的减小。
2.2 各因素对路基顶部压应变的影响
开放交通时路基顶面压应变计算结果如图2。
图2 路基顶最大压应变与轴载的关系Fig.2 Relationship between maximum compressive strain at thetop of subgrade and axle load
由图2可知：在车辆荷载一次性加载时，路基顶压应变与路表竖向位移的变化规律基本一致。但相对来说，温度对路基顶压应变影响更大。当轴载一定时，同样养生龄期的路面结构，温度由10 ℃升高到20 ℃，路基顶压应变减小了大约30%。而且当温度升高时，养生龄期对路基顶压应变的影响减弱。
2.3 各因素对面层层底应力的影响
路面开放交通时面层层底应力如图3。
图3 面层层底最大拉应力与轴载的关系Fig.3 Relationship between maximum tensile stress at the bottomof the surface layer and axle load
计算设定为车辆荷载一次性加载，由图3可知：沥青面层层底的拉应力值为负值，沥青面层层底的应力为压应力，沥青面层处于受压状态。在不同的温度下，应力都是随着轴载的增加而增大。在轴载由100 kN增加到300 kN时，压应力增加了3倍左右，可见轴载对面层层底的压应力影响很大。开放交通时间对面层底的最大压应力有一定的影响，但是影响较小。随着温度的升高，面层底最大压应力减小。由于沥青混凝土面层材料抗压强度比较高，从计算结果来看，面层不会破坏。
2.4 各因素对上基层层底应力的影响
开放交通时上基层层底最大拉应力如图4。
图4 上基层层底最大拉应力与轴载的关系Fig.4 Relationship between maximum tensile stress at thebottom of the upper-base and axle load
由图4可知：上基层层底最大拉应力都随着轴载的增加而增大，并且开放交通时间对上基层层底最大拉应力有一定的影响。结构层层底拉应力高于材料的劈裂强度时，会造成结构的一次性破坏，所以要控制结构层层底拉应力低于相应材料在对应龄期下的劈裂强度。据此计算，气温为10 ℃情况下，当天开放，7 d和14 d开放交通时，上基层能承受的最大轴载分别是100，180，220 kN。从实际公路交通状况来看，只允许轴载100 kN以下的车辆通行是不现实的。因此，在此温度状况下，应在面层铺筑7 d，14 d后开放交通，并控制轴重180 kN和220 kN的车辆。在气温为20 ℃时，随着开放交通时间的推迟，上基层层底最大拉应力呈增大的趋势。但是，由于上基层材料在此温度下的抗弯拉强度增长也较快，不论何时开放交通，即使车辆轴载达到300 kN也不会造成上基层的破坏。
2.5 各因素对下基层层底应力的影响
开放交通时，下基层层底最大拉应力计算结果如图5。
图5 下基层层底最大拉应力与轴载的关系Fig.5 Relationship between maximum tensile stressat the bottom of the sub-base and axle load
由图5可知：下基层层底最大拉应力都随着轴载的增加而增大，轴载对下基层层底最大拉应力的影响显著。在轴载和开放时间相同情况下，当温度由10 ℃升高到20 ℃时，下基层层底最大拉应力增加了近1倍，由此可见开放交通的季节温度对下基层层底最大拉应力有着较为显著的影响。
结合基层材料的劈裂强度可知，当温度为10 ℃时，无论是当天开放交通，还是7 d，14 d后开放交通，轴载达到100 kN时，下基层材料都会发生破坏。当温度为20 ℃时，当天，7 d开放交通的轴载限值为260 kN，而14 d时开放交通，基层则可承受轴载为300 kN的车辆通行。
2.6 各因素对底基层层底应力的影响
开放交通时底基层层底最大拉应力如图6。
图6 底基层层底最大拉应力与轴载的关系Fig.6 Relationship between maximum tensile stressat the bottom of the sub-base and axle load
由图6可知：轴载对底基层层底最大拉应力的影响显著。在轴载和开放时间相同情况下，当温度由10 ℃升高到20 ℃时，底基层层底最大拉应力增加，但是增幅不大。
当温度为10 ℃时，当天，7 d，14 d开放交通，在车辆轴载达到100 kN时，底基层都会发生破坏。当温度为20 ℃时，3个时间点开放交通的轴重限制均为140 kN。
综上所述，在温度较低的季节施工，例如北方部分地区10—11月施工的基层平均温度为10 ℃[6]，按照常规的施工方法施工后，即使是路面铺完14 d后开放交通，也很难保证整个路面结构不发生早期破坏。对于基层养生期内的平均温度能达到20 ℃，在开放交通早期也须限制轴重超过140 kN的车辆通行[7-8]。
3 开放交通后应变状态测试和分析
为验证理论分析的正确性，在廊坊市廊霸高速永清连接线沥青路面中埋设应变片，埋设位置处于路缘石内边缘1.5～2.1 m处，各应变片之间的间距为60 cm，压力盒和温度传感器均距路缘石内边缘2.7 m。对试验路铺筑的应变片以及压力盒进行加载测试，测试时下基层已铺筑14 d。测试车后轴采用100 kN，加载时，后轴一侧车轮在应变片1的正上方(图7)。测试结果见表4。
图7 应变片埋设示意Fig.7 Schematic of strain gauges buried
应变片拉应变实测值拉应力/(0.01MPa)实测反算值理论计算值拉应力理论计算值与实测值的误差/%111.3912.5312.640.8827.708.478.203.1932.753.022.7110.2644.234.654.793.0152.612.873.025.2361.321.451.2811.72
测试显示数据与软件分析数据基本相吻合。验证了理论分析的正确性。
4 结 论
笔者运用KENPAVE软件计算了开放交通初期，龄期、车辆轴载、温度对沥青路面结构的影响，重点研究了竖向位移、压应变、拉应力等指标的变化规律，得到如下的结论：
1)随着轴载的增加，路表竖向位移、路基顶面压应变、面层底最大拉应力、上基层底最大拉应力、下基层底最大拉应力和底基层底最大拉应力都呈现显著的增长趋势。说明，超重载对路面危害极大，将大大削弱路面抵抗垂直变形的能力，造成路面结构的早期破坏，降低路面的使用寿命。所以在路面的开放初期应该严格控制超载重载车辆的出现。
2)开放交通时间的推迟可以减小路表竖向位移和路基顶的压应变，避免路面结构早期变形而造成承载能力下降。开放交通时间对面层底的最大拉应力、上基层层底最大拉应力、下基层层底最大拉应力和底基层层底最大拉应力有一定的影响，但是影响较小。
3)养生温度对路表竖向位移和路基顶压应变的影响较大，随着温度由10℃升高到20℃时，路表竖向位移和路基顶压应变显著下降，面层底最大拉应力也有一定程度的减小。
4)因半刚性基层材料强度与龄期和养生温度密切相关。若施工期间基层平均温度为10℃，按照常规的施工方法施工后，即使是沥青面层铺完14d后开放交通，也很难保证整个路面结构不发生早期破坏。对于基层养生期内的平均温度能达到20℃的路面结构，在开放交通早期也须限制轴重超过140 kN的车辆通行。
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