基于FWD弯沉盆分析的旧沥青路面直接加铺结构验算

刘 霞

(新邵县公路管理局， 湖南 邵阳 422900)

0 引言

随着我国道路行业的迅速发展，目前国内高速公路旧沥青路面已进入大、中修的高峰阶段，许多之前修建的沥青路面出现了大量的病害，道路性能进入快速下降的时期，许多已经达到了服务中期。目前在旧沥青路面上进行沥青面层直接加铺已经取得一些成功经验并得到道路界的普遍认同，但如何进行旧沥青路面加铺结构的结构与厚度设计、确定设计参数与刚度要求等方面还需进一步研究[1-2]。

沥青路面直接加铺结构层的施工虽然简单，但可以有效改善旧沥青路面的性能，延长路面的使用寿命，降低维护成本。因此，在国内外沥青路面改造项目中得到了广泛的应用[3]。但是在工程实践中，加铺后的路面一般并不能按照预想的状态工作，导致路面经常在没有达到设计年限的情况下就出现了不同程度的病害，断裂数增加，破坏程度增加，加快了道路整体强度的衰减，使道路的服务水平和使用寿命降低[4-6]。新《公路沥青路面设计规范》在验算路面设计指标的选择上较原规范有较大调整，增加沥青混合料层的永久变形量为设计指标[7]。沥青混合料层的永久变形量是控制沥青路面车辙量的关键，路面上的车辙主要是由沥青混合料的永久变形引起的，对加铺层结构也是如此。因此，验算沥青混合料层永久变形量和层底拉应变对沥青路面的行车舒适性和结构安全至关重要。本文结合采集的FWD(落锤式弯沉仪)弯沉盆和模量拟合，对实体工程的旧沥青路面直接加铺结构进行验算，研究成果可为旧沥青路面大修工程的加铺结构设计提供参考。

1 FWD弯沉采集及结构层模量反演

1.1 工程背景

1.1.1工程介绍

本文以湖南某高速公路大修工程加铺结构为例，对旧路加铺结构进行结构验算研究，原路面结构参数如图1所示。随着使用年限的增加，交通量激增，路面出现了很严重的结构破坏，为保障行车安全，对路面在进行了加铺改造，改造方式是在病害处治的原路面上直接加铺沥青层，加铺后的结构参数如图2所示。

图1 原路面结构示意图

图2 旧路面直接加铺结构示意图

1.1.2交通数据及气象资料

沥青路面设计使用年限为15 a，根据交通量调查分析，断面大型客、货交通量为7104辆/日，交通量年增长率为7.6%[8]。根据设计资料，方向系数取55.0%；根据沥青路面设计规范[7]，车道系数取80.0%。经计算得到，设计车道初始年大型客、货日均交通量为3126辆/日，设计使用年限内设计车道大型客、货累计交通量为19001411辆，对应的荷载等级为特重。根据沥青路面设计规范，计算得到对应沥青混合料层永久变形量和层底拉应变的当量设计轴载累计作用次数为1.92×107次，对应无机结合料层疲劳开裂的当量设计轴载累计作用次数为4.88×107次。

湖南地处亚热带，属于典型中亚热带湿润季风气候，实体工程所在地区自然区划属东南湿热Ⅳ5区，沥青路面气候分区属Ι-4区，年均降雨量1100～1400mm，年平均气温16.1 ℃～17.4 ℃。其中7月最热，月平均气温26.6 ℃～28.5 ℃；1月最冷，月平均气温4.7 ℃～5.6 ℃。

1.2 FWD动态弯沉采集

研究利用FWD采集弯沉数据，弯沉检测通常受结构组合、厚度、沥青层温度、路基土湿度、各结构层模量、层间连接状态等各种因素影响；对于高速公路大修工程来说，还会受到通行区重型车辆通行的影响。为减少误差，提高数据的可信度，将采集密度设置为每50m一点，并记录准确桩号和具体位置，一共采集20个位置的弯沉值。每一个点采集C0～C6这7个传感器位置的弯沉，FWD测点位置分布见表1。

对比实测弯沉盆数据，根据BISAR程序拟合的原理并通过不断调整参数，直至C0～C6传感器位置的弯沉综合误差基本满足要求。理论值与实测值的对比见表2、图3。

表1 FWD测点位置分布传感器编号距落锤中心距离/mmC00C1203C2305C3457C4610C5914C61 219

表2 拟合弯沉与实测弯沉对比分析检测点理论值/μm实测值/μm相对平方误差(×10-5)相对平方误差和(×10-4)C060.4560.701.7C148.5248.450.2C243.4543.154.8C338.1137.5522.25.03C433.3533.250.9C526.4826.8519.0C621.5321.451.4

图3 拟合弯沉与实测弯沉对比图

模量拟合结果如表3所示。

表3 结构层参数及拟合结果结构层层厚/m泊松比μ拟合模量/MPaSMA-130.040.2510 000AC-20C0.060.2515 000旧沥青层0.160.2513 000水稳基层0.360.252 000水稳底基层0.200.25800土基—0.4052

2 加铺层刚度验算

2.1 CMSR程序基本原理

加铺结构刚度验算采用CMSR (Calculation method for stiffness of reinforcement) 程序进行计算。该程序通过顶面当量刚度、加铺层厚度和加铺结构顶面设计弯沉值，快速计算加铺层结构刚度须达到的量化指标。CMSR程序结构为函数式结构，基本命令格式如下所示：

式中：E0表示旧路表面的当量回弹模量，MPa；Emin_max表示加铺层模量的拟设计值数组向量；h表示加铺层厚度，m；p表示等效荷载集度，MPa；μ表示旧路表面和新加铺层材料的泊松比，以数组表示；wdx表示加铺后结构顶面回弹弯沉的设计值或控制值。

2.2 刚度验算

旧沥青路面的计算弯沉l0为：

旧沥青路面的顶面回弹模量Et为：

式中：Et表示旧沥青路面当量回弹模量，0.01 mm；P表示标准轴载下轮胎接地压强，取0.70 MPa；δ表示标准车型下当量圆半径，取10.65 cm；m1、m2分别为轮板对比值和原路面回弹模量的扩大系数，根据《公路沥青路面设计规范》分别取1.1和1.0。

根据设计资料，加铺后的结构验收弯沉为20.1 mm。旧沥青路面直接加铺结构参数取值见表4。

表4 旧沥青路面直接加铺结构参数取值参数E0/MPaEmin_max/MPah/cmP/MPaR/mμwdx/(0.01 mm)设计值603.46[1 000,10 000]0.100.70.150.2520.1

将表3的参数输入至CMSR程序中，输出的结果如图4所示。

图4 旧沥青直接加铺结构刚度与弯沉关系

由图4可知，当加铺层拟加铺厚度为0.10 m时，加铺层顶面设计弯沉为20.1(0.01 mm)，则加铺层材料的刚度需不低于1 488 MPa。

3 沥青加铺层结构验算

拟定的旧沥青路面直接加铺结构方案和结构层厚度如表5所示。

表5 路面结构方案结构层材料类型厚度/mm泊松比SMA-13 (SBS改性沥青)400.25面层AC-20C (SBS改性沥青)600.25普通沥青旧面层1600.25基层水泥稳定碎石3600.25底基层水泥稳定碎石2000.25土基低液限黏土—0.40

路基为受气候影响的干燥类，土质为低液限黏土。低液限黏土路基标准状态下回弹模量取80MPa，回弹模量湿度调整系数ks取0.80，则经过湿度调整的路基顶面回弹模量为64MPa，满足设计要求。由拟合结果可知水稳基层模量为2000MPa，但考虑到层间补偿原因，水稳碎石层模量根据设计资料取值。水泥稳定碎石基层和底基层弹性模量为14000MPa，弯拉强度为1.2MPa，乘以结构层模量调整系数0.5，水泥稳定碎石基层模量取7000MPa，弯拉强度取0.6MPa。沥青层的模量结合拟合结果并参考现行规范进行取值，SBS改性沥青SMA-13上面层模量取10000MPa，改性沥青AC-20C中面层模量取10000MPa，旧沥青层下面层模量取8000MPa。

根据沥青路面设计规范需要验算的设计指标为沥青混合料层永久变形量和水泥稳定碎石层底拉应力[9]。

1) 沥青混合料层永久变形量

根据沥青路面设计规范得基准等效温度Tξ=23.9 ℃，将Tξ和ha带入沥青路面设计规得到沥青混合料层永久变形等效温度：

Tpef=Tξ+0.016ha=27.1 ℃。

根据沥青路面设计规范对沥青混合料层进行分层，共分为6层：40mm改性沥青SMA-13上面层，分为10mm+15mm+15mm，共3层；60mm改性沥青AC-20C中面层，分为20mm+20mm+20mm，共3层。

根据沥青路面设计规范分别计算设计荷载作用下各分层顶部的竖向压应力，以上6个分层应力分别标识为:P1～P6,结果见表6。

表6 不同分层顶部压应力计算结果MPaP1P2P3P4P5P60.700.700.690.660.600.53

根据沥青路面设计规范计算得到：ha=100mm时,d1=-7.7，d2=-0.76。各分层深度取值和各分层的永久变形综合修正系数KRi如表7所示。

表7 各分层深度的修正系数KRi计算结果各分层深度(mm)的修正系数KRi1517.532.55070902.453.466.987.726.725.20

经试验测试，在试验温度为60 ℃，压强为0.7MPa，加载次数为2520次时，SMA-13上面层和AC-20C中面层车辙试验变形深度R0分别为1.65、1.98mm。

根据以上参数，计算各分层永久变形量和沥青混合料层总的永久变形量，结果如表8所示。

经过计算，考虑一定折减系数的沥青混合料层总的永久变形量11.93mm<15mm，满足沥青路面设计规范沥青层容许变形量的要求。

表8 各分层永久变形量和总永久变形量mm各分层永久变形量总变形量Ra1Ra2Ra3Ra4Ra5Ra6Ra0.541.142.243.662.691.6611.93

2) 水泥稳定碎石层层底拉应力

根据结构层厚度和力学参数，采用弹性层状体系理论计算水泥稳定碎石层层底拉应力。高速公路目标可靠度和目标可靠指标β分别取95%和1.65。根据气象资料，工程所在地区冻结指数F≤50℃·d，项目处于非季节性冻土地区，所以不需要进行低温开裂指数验算和防冻厚度验算，季节性冻土地区调整系数Ka取1.0。所在地区基准路面结构温度调整系数KTi=1.45，计算路面结构的温度调整系数。

当量沥青面层换算：

当量基层换算：

计算无机结合料稳定层疲劳开裂相关参数。

温度调整系数：

KT2=AhAKKT21+Bh+BE=1.629;

现场综合修正系数：

Kc=c1ec2(ha+hb)+c3=-1.44。

由沥青路面设计规范可得，水泥稳定碎石层疲劳开裂模型参数a=13.4，b=12.52。按照弹性层状体系理论计算水泥稳定碎石层层底拉应力，得到σt=0.101 MPa。根据以上所取参数计算水泥稳定碎石层疲劳开裂寿命：

综上所述，拟定的沥青加铺层结构及厚度满足设计要求。

4 结语

1) 利用FWD对旧沥青路面直接加铺结构进行了动态弯沉采集，共采集了C0～C6这7个传感器位置的弯沉，得到了实测弯沉盆；并运用BISAR程序拟合得到了旧沥青路面直接加铺结构各结构层的弹性模量。

2) 根据FWD动态弯沉盆数据，应用CMSR程序对加铺结构的刚度进行了验算，得出直接加铺结构加铺层材料刚度需不低于1488MPa，拟定的加铺结构满足刚度要求。

3) 利用根据BISAR程序拟合得到的结构层模量，对旧沥青路面直接加铺结构进行结构验算分析，结果表明拟定的沥青加铺层结构及厚度验算满足设计要求。