半刚性沥青路面结构强度综合评价方法研究

邹晓明 姚新宇 满新耀 刘宇

摘要：为进一步研究路面结构强度不同评价方法在广西地区半刚性沥青路面的适用性，文章通过FWD采集广西典型高速公路沥青路面指标，并通过现行养护规范法、水稳层底面应变法、模量衰减法、路表弯沉法计算评价路面结构强度。经验算对比，其强度系数、上水稳层底面拉应变和损伤度指标具有良好的对应关系，可为广西地区半刚性沥青路面结构强度评价的准确性、路面寿命评估与养护决策规划提供参考依据。

关键词：沥青路面;结构强度;强度系数;拉应变;损伤度

0 引言

目前，国内外还没有普遍接受的评价沥青路面结构强度的方法。美国采用结构数SN评价路面结构强度[1-4]，但仍未成为权威方法，研究还在进行中。我国现行沥青路面养护规范采用设计弯沉与当前实测弯沉的比值来评价路面结构强度[5]。然而，确定结构层厚度的指标是水稳基层和沥青层疲劳强度，而非设计弯沉，因此该方法未必合理。此外，我國还有学者通过研究半刚性材料疲劳性能[6]、路面材料模量衰变[7]、路面破损状况与弯沉[8]等指标间接评价路面结构强度与使用寿命。但上述成果结论适用性均未在广西地区高速公路得到验证。本文通过现行养护规范法、水稳层底面应变法、模量衰减法、路表弯沉法计算评价广西某典型高速公路半刚性沥青路面，为广西地区沥青路面结构强度评价的准确性、路面寿命评估与养护决策规划提供参考依据。

1 路面数据采集与结构层模量反算

1.1 路面数据采集方案

采用落锤式弯沉仪检测路面弯沉，共有7段检测慢车道右轮迹弯沉，每段500 m，其中2个路段同时检测快车道、慢车道和路肩。仅检测完好处路面，不检测有病害路面。现场测试时是冬季，日间气温为15 ℃～20 ℃，按现行规范方法对9个测点弯沉检测结果作了温度修正。FWD测点与荷载板中心距离见下页表1。共设9个传感器，其中第9个传感器位于荷载板左侧，距中心点30 cm。FWD检测时，施加3级荷载，然后按线性回归后计算荷载为50 kN对应的弯沉（这时承载板底压应力为0.7 MPa，采用实测弯沉盆反算结构层模量，用于路面结构荷载应力和应变分析。

1.2 结构层模量反算

本文采用美国AASHTO《路面结构设计指南》计算地基模量，分别采用距荷载板中心1 200 mm、1 500 mm处弯沉计算后取平均值，然后将路基模量作为已知参数输入SIDMOD软件反算其他结构层模量。采用SIDMOD反算沥青层和水稳层模量时，弯沉盆采用8个弯沉点50 kN对应的弯沉值平均值，每个路段测点数约为30～35个;反算模量时，沥青层厚度采用路段芯样平均值，水稳层厚度为设计厚度，取540 mm。路面结构图及力学模型见图1和图2。

本次检测2个路段（K1035～K1035.5上行、K1083～K1083.5下行），分别检测了快车道、慢车道和路肩弯沉，采用弯沉盆反算结构层模量，结果见表2。反算的模量值用于路面结构层应力和应变分析。

2 现行养护规范法评价路面结构强度

根据现行《公路技术评定标准》（JTG5210-2018）[9]结构强度系数评价路面强度标准见表3。路面结构强度指数SSR计算式为：

根据设计文件，该高速公路施工时的设计弯沉值通过贝克曼梁与FWD相关性换算后为LFWD=199 μm，FWD实测路面弯沉值与所计算的路面结构弯沉值列于表4。

由表4可见，7个检测路段的慢车道、快车道和路肩等共11个车道的结构强度系数均>0.95，表明路面结构强度达到优等，现行养护规范法无法预测路面剩余疲劳寿命。慢车道路面结构强度系数<快车道路面结构强度系数<路肩路面结构强度系数，显然路面结构强度随着行车作用次数增加而不断衰减。

3 水稳层底面应变法评价路面结构强度

本文根据实测弯沉盆平均值采用SIDMOD软件反算了沥青层、水稳层模量，而路基模量则根据美国AASHTO《路面结构设计指南》计算地基模量，根据结构层模量应用BISAR软件计算上水稳层和下水稳层

底面拉应变，结果列于表5。表中计力学模型为沥青层与上水稳基层连续、上水稳层与下水稳层分离，详见图3。

有研究者进行了室内水泥稳定碎石材料小梁四点弯曲疲劳试验，应力水平S=0.5～0.8。结果表明：小梁模量随荷载作用次数不断降低，底面拉应变不断增大，至疲劳破坏时极限应变的实测结果变化较大，达139～300 με;上水稳层底面最大拉应变为58 με，远小于疲劳破坏的极限拉应变（139～300 με，而底基层底面拉应变均<15 με。由此可见，上水稳层底面拉应变远大于下水稳层拉应变，上水稳层底面拉应变远小于室内小梁疲劳试验极限值（139～300 με，表明路面尚远离疲劳破坏阶段。

4 模量衰减法评价路面结构强度

本文对2个路段（K1035～K1035.5上行、K1083～K1083.5下行）分别检测了快车道、慢车道和路肩弯沉，采用弯沉盆反算结构层模量（结果见表2），并采用模量衰减方程估算慢车道疲劳损伤，如以下公式所示，计算结果见下页表6。

根据《公路沥青路面设计规范》（JTG D50-2017），对于单幅两车道高速公路，超车道标准轴次是慢车道的0.25倍，因此：

5 路表弯沉法评价路面结构强度

交通运输部公路研究院1995年完成的沥青路面设计指标和参数研究课题，汇总了国内31段试验路和实体工程4～8年的跟踪观测数据，分析得到路面弯沉随路龄变化规律的函数，见公式（8）及公式（9）。此外，技术人员通过调查江苏半刚性基层沥青路面典型路段路况，建立了路面破损状况与弯沉的关系，通过引用公式（10）与公式（11）计算路面损伤量，计算结果见表7和表8。

6 结语

（1）经计算分析得知，该高速公路7个路段慢车道的路面结构强度良好，损伤度小，具有较长的剩余使用寿命。

（2）四种方法计算的指标评价路面结构承载力，其结果并不完全相同，强度系数SSR、上水稳层底面拉应变和表面弯沉法的Df有良好的对应关系，而模量衰减法的Df与其他三种方法计算结果未形成对应关系。

（3）评价广西地区高速公路半刚性沥青路面结构强度可优先选用强度系数SSR、上水稳层底面拉应变和表面弯沉法。

参考文献：

[1]AASHTO.AASHTO Guide for Design of Pavement Structures Washington D.C.[Z].1993.

[2]Rafiqul A.Tarefder，M.ASCE，Damien Bateman.Design of Optimal Perpetual Pavement Struncture[J].Journal of Transportation Engineering，2012，138（2）：157-175.

[3]婁宇赛，樊宇亮，周 林，等. 基于美国AASHTO方法的沥青路面设计[J].科学技术创新，2018（32）：128-132.

[4]Zhengjianlong.Design Guid for Semirigid Pavements in China Based on Critical State of Asphalt Mixture[J].Journal of Materials in Civil Engineering，2013，25（7）：899-906.

[5]JTG D50-2017，公路沥青路面设计规范[S].

[6]甘旭东，扈慧敏，朱昌胜.水泥稳定碎石材料疲劳性能试验分析[J].南京工业大学学报（自然科学版），2012（34）：118-123.

[7]马 融，陈 飞.成型工艺对水泥稳定再生混合料性能影响研究[J].中国科技论文，2019（2）：129-134.

[8]郭永祥.半刚性基层沥青混凝土路面病害分析与路面结构设计参数研究[D].长沙：中南大学，2012.

[9]JTG5210-2018，公路技术评定标准[S].

作者简介：邹晓明（1973—），高级工程师，在职研究生，研究方向：防灾减灾及防护工程;

姚新宇（1989—），硕士，工程师，从事道路结构与材料耐久性研究工作;

满新耀（1980—），硕士，高级工程师，从事高速公路建设与养护管理工作;

刘 宇（1976—），正高级工程师，博士后，研究方向：路面结构与材料研究。

基金项目：广西科技计划项目“湿热地区高速公路沥青路面养护科学决策关键技术研究与应用”（桂科AB17292061）