结构层厚度和模量对全厚式沥青路面设计指标的影响

2021-01-28李小勇韦金城徐希忠

黑龙江交通科技 2021年1期

李小勇，韦金城，徐希忠，胡超

(1.山东建筑大学，山东济南 250000；2.山东省交通科学研究院，山东济南 250000；3.齐鲁交通发展集团有限公司，山东济南 250000)

0 前言

我国高等级公路多采用半刚性基层沥青路面结构形式，这种路面结构具有较高的刚度与承载力，半刚性基层的板体性和扩散应力能力强且水稳定性好。但是半刚性基层沥青路面的早期损坏严重，唧泥和层间结合的问题一直得不到有效解决，成为目前半刚性基层沥青路面最常见的问题。

相比半刚性基层沥青路面，全厚式沥青路面由于柔性基层的加入，可以很好地避免上述问题。全厚式沥青路面是一种直接在路基上铺筑沥青混凝土的路面结构，其最大特点是能够确保各类路面损坏控制在表面层顶部较薄的范围内，如自上而下的温度疲劳开裂、车辙、表面磨耗、沥青老化等，且有效防止出现联结层以下的结构性损坏。而表面层的损坏仅需通过预防性养护即可得以处治，一旦道路表面损坏达到临界水平，其最为经济的处理方法是对损坏的表面层进行铣刨、罩面或者加铺。全厚式沥青路面不仅有效的避免了路面结构性破坏，而且路面厚度较薄，可以节约大量砂石料等资源。国外大量实践证明，全厚式沥青路面虽然初期投资较高，但使用寿命更长，在五十年内无需进行路面结构性大修，在全寿命周期内具有显著的经济性和结构性优势。

沥青混合料的模量和结构层的厚度是进行全厚式沥青路面设计的两个重要参数。不同类型的沥青混合料模量相差较大，在法国，低标号高模量的沥青混合料广泛应用于柔性基层，其模量远高于普通沥青混合料。路面结构层的厚度也是设计中的一个重要参数，根据弹性层状体系理论和“应变下限”理论，面层越厚，结构层的层底拉应变越小，但过大的厚度不仅会造成材料的浪费，也会造成施工的困难。因此，研究模量和厚度对全厚式沥青路面力学设计指标的影响，对路面结构设计与材料优选具有重要的意义。

1 试验设计

为了更好地研究结构层模量和厚度变化对全厚式沥青路面设计指标的影响规律，先对全厚式沥青路面结构层不同厚度处弯拉应变的变化进行研究分析。再按法国沥青路面设计标准及指标，选择模量和厚度两个结构层参数进行正交试验设计。选择模量参数作变量设计时，先确定路面各结构层厚度，再利用软件计算各结构层不同模量下的沥青混合料层底弯拉应变和路面承台层顶压应变，选择厚度作为变量设计时，同样先确定各结构层模量再进行计算。

1.1 设计标准及指标

法国路面设计理论采用双圆均布荷载作用下的弹性层状理论体系，与我国路面设计不同之处在于参数的选择上，法国以单轴双轮130 KN为标准轴载，轮胎接地压强为0.662 MPa，当量圆半径为0.125 m，材料参数以15 ℃、10 Hz动态复合模量为沥青混合料的材料参数进行计算。

法标全厚式沥青路面设计以沥青混合料的层底弯拉应变εt和路面承台层顶压应变εz为控制指标，沥青混合料的层底弯拉应变可以反映材料的疲劳和应力应变情况，路面承台的层顶压应变可以更好的反映路面的总变形量。

1.2 应变分析方案

本文采用法国标准，利用法国沥青路面设计软件ALIZE进行设计，分析全厚式沥青混凝土路面不同厚度处的应变变化规律。部分设计参数取自于沾临高速，如表1所示。

表1 设计参数表

根据结构路网VRS道路(高速公路)卡片中全厚式沥青路面的常用材料，磨耗层选择BBME2沥青混合料、联结层选择BBSG3沥青混合料、基层选择GB4沥青混合料、底基层选择GB3沥青混合料，材料性能见表2。

表2 材料性能表

1.3 正交试验方案

(1)模量的影响

根据法国规范中的各结构层材料的选择及各材料的性能参数，列出各层材料模量参数表，如表3所示。

表3 模量参数表

采用正交试验法，各结构层选取其中4组数据进行计算，按照3因素4水平的正交试验安排试验表。选取模量时，为了更直接有效的反映其中关系，本文选取面层和基层模量时以整数单位选取，正交试验表见表4。参考结构性路网所提供的结构，厚度选取磨耗层4 cm+联结层6 cm+基层12 cm+底基层12 cm。

表4 3因素4水平模量变化正交试验表L16(43)

(2)厚度的影响

法标中，各结构层和材料都有一个厚度范围，如表5所示。

进行正交设计时，将磨耗层、联结层和基层一起组成3因素4水平正交试验表，见表6。参考各结构层材料规范，选取各结构层模量，磨耗层7 000 MPa+联结层9 000 MPa+基层、底基层11 000 MPa+路面承台120 MPa。

表5 材料厚度规范表

表6 3因素4水平厚度变化正交试验表L16(43)

2 计算结果与分析

2.1 应变结果与分析

利用ALIZE软件进行计算，计算出沥青层底拉应变εzadm为240.2 με，承台层顶压应变εtadm为52.8 με，并确定路面厚度为磨耗层4 cm+联结层6 cm+基层16 cm+底基层16 cm。不同厚度处弯拉应变如图1所示。

图1 弯拉应变沿深度变化图

从图1可以看出，初始时应变为拉应变，到9 cm深度处开始转为压应变，面层和基层的应变沿深度变化的变化率近乎相似。在荷载作用下，面层主要为拉应变，基层主要为压应变，拉应变最大值出现在磨耗层层底位置，压应变最大值出现在路面承台顶部。沥青层的拉应变值较小，路面承台压应变值较大，在进行设计时，应重点考虑路面承台的压应变。

2.2 模量的影响结果与分析

按照表3的正交试验表，利用ALIZE软件计算沥青层层底拉应变和路面承台层顶压应变，得出结果如表7所示。

表7 拉、压应变计算结果

对试验结果采用极差法进行数据处理，求出各个因素水平下的指标之和，计算平均值然后求极差，极差值越大，对试验指标的影响越大。分析结果如表8、表9所示。

表8 沥青层层底拉应变极差分析结果

表9 承台层顶压应变极差分析结果

由表8结果可以看出，路面承台模量的极差值是面层的10倍，是基层的3倍，表明路面承台模量是沥青层层底拉应变的重要影响因素，其次是基层模量，面层模量的影响最小。由表9结果可以看出，路面承台模量的极差值是面层的11倍，是基层的5倍，表明路面承台模量同样也是路面承台层顶压应变的重要影响因素，其次是基层模量，面层模量对承台层顶压应变的影响最小。模量对沥青层层底拉应变和路面承台层顶压应变影响规律呈现相似性。