耐久性沥青路面力学响应及疲劳寿命预估研究

陈林，王树杰

（苏交科集团股份有限公司，江苏南京 210017）

耐久性沥青路面力学响应及疲劳寿命预估研究

陈林，王树杰

（苏交科集团股份有限公司，江苏南京 210017）

通过Bisar软件分析了耐久性沥青路面沥青层底弯拉应变和基层层底弯拉应变随水泥稳定碎石厚度、模量及级配碎石厚度变化的规律，并选择合理的疲劳寿命预估模型对路面进行疲劳寿命计算。结果表明，沥青层底弯拉应变、基层层底弯拉应变随着水稳碎石厚度、模量和级配碎石厚度的增大而减小，但水稳碎石厚度增大到36 cm以上时并不能有效减小层底弯拉应变；通过沥青路面疲劳寿命预估能更好地区分设计弯沉、容许弯沉对应的临界状态和破坏状态，以实际弯沉反算的预估疲劳寿命能为后期路面养护时机选择提供依据。

公路；耐久性沥青路面；沥青层底；弯拉应变；水泥稳定碎石；疲劳寿命

随着中国经济的快速发展，日趋繁重的运输业和对出行质量的提升等对道路使用性能提出了更高的要求，耐久性沥青路面成为改善道路使用质量、延长使用寿命的研究热点。

耐久性沥青路面包括材料的耐久性和路面结构的耐久性，其中材料的耐久性是指路面材料在使用期内具有良好的高温、低温、疲劳及抗老化等性能，结构的耐久性是指在外界环境因素和行车荷载作用下路面结构不产生结构性破坏。有关研究表明，在道路使用过程中，如果沥青层底的弯拉应变小于疲劳极限，则沥青路面不会发生破坏。如果沥青层底弯拉应变大于疲劳极限，则沥青路面会产生结构性破坏。而无结构性破坏是耐久性沥青路面的核心。该文依托北京地区半刚性基层耐久性沥青路面G108国道，利用Bisar软件，通过改变半刚性基层结构参数分析沥青路面沥青层底弯拉应变、基层层底弯拉应变的变化规律，并利用合理的寿命预估模型计算耐久性沥青路面的寿命，验证设计承载力是否满足要求，为类似半刚性基层耐久性沥青路面设计提供参考。

1 工程概况

108国道（北京—昆明）是北京市道路网中西南部主要放射线，是北京城区与京郊门头沟、房山地区联系的重要交通纽带。设计标准为山区一级公路，设计行车速度为60 km／h，设计年限为35年。在108国道大修工程K14+107—827右幅铺筑试验段，长700多m，路面结构为4 cm改性SMA-13+ 6 cm AC-20+12 cmATB-25+36 cm水泥稳定碎石+20 cm级配碎石+土基。

1.1 路面结构和材料参数

大量调查研究表明，普通沥青混合料的疲劳极限约70με，改性沥青混合料的疲劳极限约100με。对于半刚性基层，应力强度比应小于0.35，土基顶面压应变小于200με。为了研究半刚性基层结构参数对耐久性沥青路面的力学响应，在原路面结构设计参数的基础上，通过增加水稳碎石、级配碎石厚度及选择水稳碎石不同模量来分析水稳碎石、级配碎石厚度和水稳碎石模量对路面结构的力学响应。沥青路面结构参数见表1。

表1 沥青路面结构和材料参数

1.2 交通荷载

对该试验路段各年交通量进行调查与预测，结果见表2。

表2 试验路段各年交通量调查及预测结果

调查发现，该路段上通行的车辆中客车约占64%，货车约占36%；货车中大货车约占35.5%，拖挂车约占26.5%，重车（大货和拖挂车）约占总交通量的22%，大型车比重相当高。根据京港澳（京石）高速公路大型车轴载调查成果，车辆的最大轴重达322 k N（见表3）。为了能较为真实地反映荷载情况，选取设计轴载为150 k N，根据JTG D50-2006《沥青路面设计规范》计算得到该路段的设计弯沉为24.70（0.01 mm）。

表3 京港澳高速公路最大轴重调查结果

2 层底弯拉应变分析

利用Bisar软件，根据路面结构、材料参数条件对沥青层底和基层层底弯拉应变进行计算，分析水稳碎石、级配碎石厚度及水稳碎石抗压模量对层底弯拉应变的影响。计算中采用的轴载为150 k N，荷载方式为双圆均布荷载，层间接触条件设定为不完全光滑接触。

2.1 沥青层底弯拉应变分析

如图1所示，在相同水稳碎石抗压模量下，沥青层底弯拉应变随着水稳碎石厚度的增大而减小，表明半刚性基层材料厚度对沥青面层力学状态有着明显的影响，水稳碎石厚度越大则沥青层底弯拉应力越小，沥青路面的疲劳破坏减少，耐久性增强，使用寿命增大。但基层厚度增加会使道路修建成本增加、环境污染增大，且水稳碎石厚度为30 cm时的沥青层底弯拉应变明显大于厚度为36和40 cm时，但增大到36和40 cm时，沥青层底弯拉应变相差很小，可见厚度增大并不能带来路面性能的最大化，不能有效减少层底弯拉应变，故路面设计时需合理选择水稳碎石厚度。另外，在一定水稳碎石厚度下，随着水稳碎石模量的增大，沥青层底弯拉应变逐渐减小，路面设计时要合理选择基层材料模量，取值太小过于保守，取值太大则不够安全。

图1 不同水稳碎石厚度下抗压模量与沥青层底弯拉应变的关系

如图2所示，沥青层底弯拉应变随着级配碎石厚度的增大而减小，表明级配碎石的设置对沥青路面有利，能降低沥青层底受力，减少疲劳破坏，延长使用寿命。实际上，根据弹性层状体系理论，随着结构层本身及其下承层模量和厚度的增加，结构层层底拉应变必然减小，且减小幅度逐渐平缓，但此时面层的剪应力会发生重分布，不利于抗车辙要求，故结构层厚度选择是一个较为复杂的问题。

图2 级配碎石厚度与沥青层底弯拉应变的关系

2.2 基层层底弯拉应变分析

如图3所示，基层层底弯拉应变随着水稳碎石厚度的增大而逐渐减小。当水稳碎石厚度30 cm时，基层层底弯拉应变变化幅度最大；水稳碎石厚度为36和40 cm时，基层层底应变变化幅度相当。表明水稳碎石厚度对基层层底弯拉应变的影响较大，与沥青层底情况类似，水稳碎石厚度增大能减少基层层底开裂，有效防止沥青面层发生破坏，但厚度过大会导致经济不适性。另外，在一定水稳碎石厚度下，随着水稳碎石模量的增大，基层层底弯拉应变变

化较小，故沥青路面结构设计时对材料模量的取值要尽量避免极端值。

图3 不同水稳碎石厚度下抗压模量与基层层底弯拉应变的关系

如图4所示，随着级配碎石厚度的增大，基层层底弯拉应变逐渐减小，接近线性变化，表明两者存在较为紧密的联系。增大级配碎石厚度能减少基层层底的破坏，传递到基层的荷载应力能通过级配碎石均匀地释放到土基，增大沥青路面的使用寿命，这与耐久性沥青路面的理念相符。

图4 级配碎石厚度与基层层底弯拉应变的关系

3 耐久性沥青路面寿命预估

3.1 沥青路面的理论弯沉与实际弯沉

路表弯沉表征路面的整体承载力，是沥青路面设计的重要指标。因此，有必要对不同荷载作用下沥青路面结构的路表弯沉进行计算，并研究不同水稳碎石厚度对路表弯沉的影响。

先利用层状弹性体系理论，通过Bisar软件计算理论弯沉ll；再根据JTG D50-2006《沥青路面设计规范》中的实际弯沉计算公式，通过弯沉综合修正系数F对理论弯沉进行修正，得到实际弯沉ls。选取标准轴载100 k N和设计荷载值150 k N作为计算荷载，水稳碎石厚度取30、36、40 cm，级配碎石厚度取20 cm，水稳碎石模量取1 500 MPa，其他面层厚度和材料模量为设计值，计算结果见表4。

由表4可看出：水稳碎石厚度和轴载条件对理论弯沉、实际弯沉都会产生较大影响。随着水稳碎石厚度的增大，理论弯沉与实际弯沉逐渐减小，这种变化与层状弹性体系计算理论相吻合。150 k N轴载条件下的弯沉值明显大于标准轴载时，可见在路面设计时设计轴载的选择尤为重要，偏大或偏小都会使设计结果不合理，偏大会使设计结果偏于保守，偏小则设计结果容易不满足要求。该路段的实际弯沉为23.96（0.01 mm），小于设计弯沉24.70（0.01 mm），说明各结构层的厚度设计合理，满足设计弯沉要求。而其他两种水稳碎石厚度对应的实际弯沉要么不满足弯沉设计要求，要么弯沉满足设计要求，但水稳碎石厚度过大，从经济性上考虑不合理。这也说明路面设计中对各结构层厚度的优化很重要。

表4 不同轴载和水稳碎石厚度条件下路表弯沉计算结果

3.2 沥青路面寿命预估

耐久性沥青路面的最大特点是使用寿命长，故对其疲劳寿命进行预估具有重要意义。要较为准确地计算疲劳寿命，需选择合适的疲劳方程。鉴于室内疲劳试验与实际工程的差别导致按照室内试验推导出的疲劳方程所计算的疲劳寿命与实际疲劳寿命存在偏差，这里根据JTG D50-2006《沥青路面设计规范》有关沥青路面设计弯沉和容许弯沉的概念，尝试以此反算沥青路面的寿命。

目前中国沥青路面设计采用的是破坏状态设计法，其失效准则以容许弯沉为指标，设计标准以设计弯沉为指标。后者通过前者表征的破坏准则与弯沉的衰变规律建立而来，并且设计弯沉和容许弯沉的计算公式是经过大量路面调查及路表弯沉数据统计分析得到的，设计弯沉以沥青路面出现纵向裂缝为标准，容许弯沉以沥青路面表面出现大量网状裂缝为标准。因此，通过设计弯沉和容许弯沉可反算出两个寿命，分别对应沥青路面的临界状态和破坏状态。对于目前沥青路面设计规范中的设计弯沉计算公式，郑健龙认为该公式是对路面通车4～6年测得的数据统计分析得到的，而对于设计年限15年以上的需对该公式进行修正，修正后得到的建议设计弯

沉公式为ls=530Ne-0.2AcAbAs，容 许弯 沉 值公 式为lr=720Ne-0.2AcAbAs。采用这两类沥青路面疲劳寿命反算公式计算疲劳寿命，第一类由容许弯沉公式反算，疲劳寿命为：

第二类由建议设计弯沉公式反算，疲劳寿命为：

式中：ls为修正过的实际计算弯沉值，系数均为1。

根据上述两类疲劳寿命计算公式对该路段进行疲劳寿命预估，结果见表5和表6。

表5 第一类疲劳寿命预估结果

表6 第二类疲劳寿命预估结果

由表5、表6可看出：预估的疲劳寿命随着水稳碎石厚度的增加而增大，随着作用轴载的增大而减小，并且幅值较大，表明结构层厚度及作用轴载对路面疲劳寿命有很大影响。另外，总体上沥青路面第一类预估疲劳寿命大于第二类预估疲劳寿命，这与两类预估疲劳寿命模型公式有直接关系，并且通过数据大小能更直观地区分和理解设计弯沉、容许弯沉分别对应着临界状态、破坏状态，即当路面疲劳寿命达到临界状态时，路面并没有丧失大部分功能，还能继续服役；随着对路面的继续使用，当疲劳寿命达到破坏状态时，路面已基本失去使用性能，无法满足使用要求，需采取措施进行修复。根据疲劳寿命预估结果，该路段预估寿命累计当量轴次5 295 967大于设计累计当量轴次4 548 776，路面的承载力满足设计要求。此外，以实际弯沉反算的疲劳寿命大于以理论弯沉反算的疲劳寿命，说明通过弯沉综合修正系数对理论弯沉进行修正可使沥青路面设计更加准确，对路面结构、材料的选择更加合理，同时以实际弯沉反算的预估疲劳寿命可为后期路面养护时机选择提供依据。

4 结论

（1）耐久性沥青路面沥青层底弯拉应变、基层层底弯拉应变随着水稳碎石厚度、模量的增大而减小，但当厚度增大到36和40 cm时，沥青层底弯拉应变相差很小，表明厚度的增大并不能有效减小层底弯拉应变。另外，弯拉应变随着级配碎石厚度的增大而减小，级配碎石的设置能降低沥青层底受力，减少疲劳破坏，延长使用寿命。但随着结构层本身及其下承层模量和厚度的增加，面层的剪应力会发生重分布，不利于抗车辙要求，故对结构层厚度的选择需慎重。

（2）根据以理论弯沉和以实际弯沉反算的沥青路面疲劳寿命，能更直观地区分设计弯沉、容许弯沉分别对应着沥青路面的临界状态和破坏状态。采用弯沉综合修正系数对理论弯沉进行修正，可使沥青路面设计更加准确，对路面结构、材料的选择更加合理。以实际弯沉反算的预估疲劳寿命可为后期路面养护时机选择提供依据。

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1671-2668（2016）06-0116-04

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