基于性能分析的刚果（布）沥青路面结构优化研究

邓云纲，王志勇，吴福宝

（中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北武汉 430063）

0 引言

刚果（布）国家1号公路是连接刚果（布）第一大城市首都布拉柴维尔和第二大城市黑角之间的唯一公路交通，起点城市黑角位于大西洋东岸，是刚果（布）的经济中心，所有进出刚果（布）以及周边内陆国家的重要物资均通过黑角港运输，1号公路成了连接内陆城市与港口的唯一通道，其战略意义与现实意义巨大。1号公路建成以来，为刚果（布）地区的经济发展起了重大的作用，改变了人们的出行方式，产生了深远的社会效益。但由于各方面的问题，1号公路一期工程的部分区域路段已经出现了路面损害现象。为了更好的改善刚果（布）沥青路面的使用性能，延长路面使用寿命，故对刚果（布）沥青路面的结构进行优化。

1 刚果（布）1号公路原始沥青路面结构形式

刚果（布）1号公路的沥青路面结构形式见图1。根据路面结构形式，得到简化的路面结构分析参数，具体见表1。

2 路面结构优化方案[1-2]

路面结构优化方向为：增加沥青层厚度、增加级配碎石层厚度和增大路基回弹模量。具体优化方案见表2。

图1 刚果（布）地区沥青路面结构示意图

表1 原路面结构方案

表2 路面结构具体优化方案

（1）优化方案1：增大沥青层厚度，采用沥青层厚度10 cm和17 cm两种方案，分别标记为方案1-1和方案1-2。面层是承受荷载直接作用的层次，增加面层的厚度，一方面可以增加路面结构整体强度，另一方面还可以进一步保护路面结构，防止外界水分对于路面结构的侵蚀与渗入，在一定程度上起到保护级配碎石层的作用。这对提高以湿热多雨为显著特点的刚果地区路面结构的耐久性具有积极意义。

（2）优化方案2：增加级配碎石层厚度，该方案在原基础上增加级配碎石层厚度，即采用了双层级配碎石层，通过增加应力传递的路径，降低路面结构荷载，达到增强路面结构的目的。其中30 cm的级配碎石层宜分两层摊铺，每层15 cm。

（3）优化方案3：增大路基回弹模量，模量由25 MPa增大为40 MPa。

3 优化方案性能评价

3.1 采用荷载容许作用次数Ne评价

AI设计方法中，对路基顶面压应变与疲劳作用次数的关系采用式（1）确定：

式中：εv——路基顶面压应变（με）；

N——荷载容许作用次数；

l，m——方程的参数，根据Chervon的建议，车辙深度小于0.5 in（12.7 mm）时，相应的参数值为l=1.05，m=0.223。

不同方案的荷载作用次数的对数值见图2。由图2可知：各方案中，从提高幅度分析，方案1-2最优，其次是方案2。再继续细化，方案1中，面层厚度增加1 cm，荷载容许作用次数增加101 944次；方案2中，级配碎石层厚度增加1 cm，荷载容许作用次数增加67 122次；因此，从材料角度而言，增加面层厚度优于增加级配碎石层厚度。

图2 不同方案的荷载容许作用次数

3.2 采用车辙深度评价

参考美国力学经验设计指南中建议的沥青混合料永久变形与无结合料层永久变形预估公式，预估了在不同交通量下的路面结构永久变形的发展趋势。

用于预测沥青混合料永久变形的基本公式为：

式中：εp——塑性应变（in./in.）；

εr——弹性应变（in./in.）；

T——温度（℉）；

N——作用次数。

k1为用于修正最终车辙深度的修正系数。该系数是与沥青层厚度hac与计算点深度depth有关的函数关系式，由以下方程组确定。

根据弹性理论计算得到荷载作用下的沥青层（亚层）的弹性压应变εr，并由永久变形的基本公式得到每亚层i的塑性压应变εip，根据每亚层厚度hi由式（3）确定沥青层最终变形。

用于评价无结合料粒料类基层、底基层或路基土永久变形的基本公式为：

式中：δa——各层次或亚层的永久变形(in.)；

N——荷载作用次数；

ε0,β和ρ——材料属性系数；

εr——室内试验得到材料属性系数ε0,β和ρ时所施加的弹性应变εr(in./in.)；

εv——每层或亚层的平均竖向压应变(in./in.)；

h—每层或亚层的厚度(in.)；

β1——无结合料粒料类基层、底基层或路基土的修正系数。这里对于级配碎石层采用1.673；砾石土采用1.35。

不同方案各层次的车辙深度见图3～图7。

对比图3～图7可知：

（1）所有方案在荷载作用初期，卵砾石土层变形对路面结构整体的车辙起主要贡献，其次为级配碎石层，沥青层的变形在荷载作用初期非常小。

图3 车辙深度与荷载累计作用次数对数关系——原方案

图4 车辙深度与荷载累计作用次数对数关系——方案1-1

图5 车辙深度与荷载累计作用次数对数关系——方案1-2

图6 车辙深度与荷载累计作用次数对数关系——方案2

图7 车辙深度与荷载累计作用次数对数关系——方案3

（2）随着荷载作用次数的增加，各层的永久变形量均不断增加。对于卵砾石土层和级配碎石层在荷载作用次数为104次以后基本保持稳定；对于沥青层，当荷载作用次数达到104次以后，永久变形量开始稳定增加，当加载次数增加至5×105次以后，沥青层的变形量将占路面结构总体变形量的50%以上。

（3）方案1与方案2对比发现，通过增加级配碎石层厚度可以有效降低路面结构整体变形量，两种方案的车辙深度在荷载作用次数达到104次以后开始出现差别。因此从车辙深度角度分析，宜将方案2作为优选方案。

（4）通过对比不同路基土模量的车辙深度可以看出，随着路基土模量的增加，路面结构车辙将有所降低。当三种路基土模量的差异在荷载作用次数为5×105次时才达到5 mm以上。说明在路面运营初期或小交通量下，路基模量对车辙深度影响并不大，路基模量对路面结构整体变形的影响仅在较大、中交通量情况时明显体现。

4 优化结果分析

综合荷载容许作用次数和车辙深度分析结果，3种优化方案性能评价结果汇总如下：

（1）总体而言，增加沥青层厚度和增加级配碎石层厚度的效果优于增大路基回弹模量的效果。

（2）采用荷载容许作用次数进行评价，增加沥青层厚度优于增加级配碎石层厚度：面层厚度增加1 cm，荷载容许作用次数增加101 944次；级配碎石层厚度增加1 cm，荷载容许作用次数增加67122次，以方案1-2为最优。

（3）采用车辙深度进行评价，增加级配碎石层厚度优于增加沥青层厚度。增加级配碎石层厚度可显著降低车辙深度，增加沥青层厚度改善车辙性能效果不是很好，且沥青层厚度太厚反而会增加车辙深度，这是因为沥青层是主要车辙来源层。

（4）考虑到刚果（布）地区存在“强基薄面”的使用现状，且车辙病害不是该地区的典型病害，本研究建议增加沥青层厚度优化方案以延长路面结构的使用寿命，增加耐久性能。

[1]JTG D50-2006,公路沥青路面设计规范[S].

[2]李刚,赵永国,张留俊.法国沥青路面设计体系的特点[J].中外公路,2009(3):316-320.

[3]刘军勇,李刚,张留俊,等.基于法国标准的沥青路面结构设计[J].公路工程,2010(5):85-88,102.

[4]徐鸥明.长寿命沥青路面设计指标与设计方法研究[D].陕西西安:长安大学,2008.

[5]姚祖康.沥青路面结构设计[M].北京:人民交通出版社,2011

[6]胡佳佳.国外沥青路面设计方法和指标综述[J].湖南交通科技,2008(4):42-49.