沥青路面结构设计参数取值分析

2021-11-17殷宇翔

广东公路交通 2021年5期

殷宇翔

(广东省交通规划设计研究院集团股份有限公司，广州 510507)

0 引言

《公路沥青路面设计规范》(JTG D50-2017)(以下简称“规范”)较《公路沥青路面设计规范》(JTG D50-2006)调整了设计指标的选取，在交通参数上递进式考虑了车辆类型、轴型、轴载谱等因素对轴载换算的影响，在材料参数上考虑动载和湿度等因素对力学响应的影响[1]，使得沥青路面结构设计与计算过程更为合理。规范最终在设计指标的验算时充分考虑温度、结构等因素，提出了更为精细的计算公式，使设计与验算结果更有科学依据。但规范提出的公式中存在参数较多、计算较为复杂等问题，易导致设计人员在设计过程中难以抓住主要矛盾。

广东省高速公路主要采用半刚性基层沥青路面，该路面主要问题为车辙和半刚性基层的疲劳开裂，在设计时需根据其结构特点进行针对性的设计[2-4]。沥青路面设计过程中，交通参数与环境参数由项目所处的区域位置所决定，因此设计主要是从材料参数与结构参数着手。从材料角度来看，除满足基本的力学性能要求外，设计时需考虑各结构层模量的选取对力学指标值的影响，进而对设计指标和设计结果的影响[5]。从结构角度来看，在路面结构组合形式确定的前提下，各结构层厚度则是影响设计的核心因素。

基于此，本文选取广东省典型的半刚性基层沥青路面结构形式，利用公路路面设计程序系统HPDS2017，探究结构层模量、厚度等核心参数对控制指标的影响，明确设计要素与设计指标之间的变化规律，以期为沥青路面结构设计和验算提供参考。

1 路面结构及交通参数

1.1 路面结构

选取广东省典型的半刚性基层沥青路面为研究对象，采用HPDS2017软件进行路面结构设计与验算。路面结构形式及材料参数见表1，其中沥青层模量值为20℃、10Hz条件下的动态压缩模量，水泥稳定碎石层模量值为经调整系数修正后的弹性模量，级配碎石层模量值为湿度调整后的回弹模量值，土基模量值为平衡湿度状态下并考虑干湿与冻融循环作用后的顶面回弹模量值[6-8]。

表1 路面结构及材料参数

1.2 交通参数

规范中考虑了车型、轴型和轴重等因素对路面结构的影响，主要目的是计算与设计指标相对应的当量设计轴载累计作用次数。当分析无机结合料稳定层疲劳开裂时，该值主要是用来与无机结合料稳定层的疲劳开裂寿命进行对比；分析沥青层变形时，该值主要是用来计算沥青混合料层永久变形量。对于半刚性基层沥青路面，交通参数的取值将会影响到沥青层永久变形的计算结果[9-10]。由于本文主要分析材料和结构参数对设计指标的影响规律，无需获取精确的当量设计轴载累计作用次数，故对于交通参数的取值不作深入考究。为避免结构验算结果不满足要求，分析时交通参数值选取相对保守,其中初始年大型客车和货车双向年平均日交通量取3 500辆/d，交通量年平均增长率取5%，方向系数取0.55，车道系数取0.45。

2 材料参数影响分析

在表1的基础上，通过调整各结构层的模量值，分析材料参数对设计指标的影响。设计指标为水泥稳定层的疲劳开裂寿命次数和沥青混合料层永久变形量。

2.1 沥青层模量变化

分别选取上中下面层不同的动态压缩模量值，模量选取范围均为9 000～13 500MPa，计算底基层疲劳开裂寿命和沥青层永久变形量,计算结果如图1所示。

图1 沥青层模量与设计指标的关系

由计算结果可知，底基层疲劳寿命次数随面层模量的增加而波动，但整体有增大的趋势，其中上面层模量变化的影响更为显著。由规范中验算过程可知[1]，在影响疲劳寿命次数的因子中与材料模量有关的主要为底基层层底拉应力和温度调整系数，计算过程中上述两因子随模量的变化规律如图2所示，可见底基层层底拉应力随面层模量的增加有逐渐变小的趋势，这与弹性层状体系理论下的结构模量组成相关。层底拉应力减小将有利于底基层的抗疲劳开裂性能，但另一因子温度调整系数会随面层模量的增加而增大，导致疲劳寿命次数的缩减，故最终疲劳寿命次数随面层模量的增加呈现波动的趋势。

图2 沥青层模量与计算因子的关系

沥青层永久变形量随上中面层模量的增加而逐渐减小，随下面层模量的增加而逐渐增大，这是结构模量组合对沥青混合料各分层顶面竖向压应力产生影响而导致的。计算结果表明,在荷载条件和沥青混合料动稳定度等因素不变的前提下，沥青层永久变形量会受沥青混合料模量的影响，且变化规律与沥青混合料层位有关，因此在沥青路面抗车辙性能优化设计时，可通过改变沥青混合料模量来减小沥青层的永久变形，但具体调整方向需进行设计验算。

2.2 水泥稳定层模量变化

选取基层和底基层不同的弹性模量值，其中基层模量变化范围9 000～14 000MPa，底基层模量变化范围为7 000～10 000MPa，计算结果如图3所示。

图3 水泥稳定层模量与设计指标的关系

由图3可见，底基层疲劳寿命次数随基层模量的增加由2.93×109增大到3.85×109，而随着底基层模量的增加，疲劳寿命则由4.54×109减小到2.67×109。沥青层永久变形量随基层模量的增加略有增大，随底基层模量的变化无明显变化。这表明在水泥稳定类材料弯拉强度不变的前提下，适当增大基层模量或减小底基层模量，有助于减缓水泥稳定层的疲劳开裂。

2.3 土基模量变化

选取土基顶面不同的当量回弹模量值，变化范围为40～70MPa，计算结果如图4所示。

图4 土基回弹模量与设计指标的关系

由图4可见，随着土基模量的增加，底基层疲劳寿命次数呈现增大的趋势，沥青层永久变形量则无变化，这主要是因为土基顶面回弹模量的增加会减小底基层层底拉应力，但对沥青层顶面竖向压应力影响不大。在设计时可以考虑通过提高路基性能来减少半刚性基层的疲劳开裂现象。

2.4 结构层模量敏感性

为分析各结构层模量对设计指标影响的显著程度，采用正交试验极差分析法进行敏感性分析。选取下面层动态压缩模量Ea、基层弹性模量Eb、底基层弹性模量Ec和路基顶面回弹模量Ed作为试验因素，每因素选取五水平，进行四因素五水平正交试验。试验因素水平设置见表2，正交试验方案及计算结果见表3。

表2 正交试验因素水平 (模量单位：MPa)

表3 正交试验方案及计算结果 (模量单位：MPa)

极差分析法是通过对比各因素的极差大小判断因素主次。判断过程为先计算i因素在j水平时所对应的设计指标值和Kj，再计算对应均值Mj，最后计算各水平设计指标均值中最大值与最小值之差，即i因素的极差Ri。极差Ri即为设计指标随i因素水平变动时的变化幅度。当极差Ri值越大时，表明该因素对设计指标的影响越大，反之，则影响越小。极差分析结果见表4。

由表4可知，对于无机结合料稳定层疲劳开裂指标而言，对其影响程度大小分别为Ec>Ed>Eb>Ea；对于沥青层永久变形指标而言，对其影响程度大小分别为Ea>Eb>Ec>Ed。因此，对于半刚性基层沥青路面，当针对半刚性基层疲劳开裂性能进行设计时，可选择通过调整无机结合料稳定层模量或路基顶面回弹模量进行优化；当针对路面抗车辙性能设计时，应优先调整沥青层模量。

表4 正交试验结果极差分析

由表4分析可知，相对提高上中面层模量有助于减小沥青层的永久变形，但对底基层疲劳寿命影响不大。相对提高基层模量可显著增大底基层的疲劳寿命，但一定程度上不利于沥青层永久变形。因此，针对不同的设计指标要求，需要调整的材料参数不尽相同，且设计指标随材料参数变化的幅度也不尽相同，设计时建议根据实际情况和计算分析合理调整对应的材料参数。

3 结构参数影响分析

当路面结构组合形式确定后，路面设计的重点即为确定各结构层的厚度。结构层厚度的变化将会引起路面结构力学响应值变化，进而影响相应的设计指标值。在表1各参数的基础上，分别调整沥青层和水稳层的厚度值，分析其变化对设计的影响规律。

3.1 沥青层厚度变化

由于沥青层厚度受集料公称最大粒径和施工因素的限制，故选定上面层厚度变化范围为4～6cm，中面层厚度变化范围为5～7cm，下面层厚度变化范围为7～9cm。计算结果如图5所示。

图5 沥青层厚度与设计指标的关系

由计算结果可见，增大沥青面层的厚度有利于提高水稳层的疲劳寿命，沥青厚度每增加1cm，疲劳寿命次数约增长4%，且各面层厚度变化对疲劳寿命的影响规律较为相似。上面层厚度的增大可显著降低沥青层永久变形量，而中面层厚度变化对变形量的削减相对较弱，下面层厚度增大则有加速沥青层永久变形的趋势。出现该现象的主要原因，一是沥青层厚度不同使得永久变形计算时层位划分不同，各层位的竖向压应力也不尽相同；二是因为上中下面层沥青混合料的高温稳定性不同，一般上面层混合料动稳定度较高，在计算模型中以较小的车辙试验永久变形量体现。因此，增大厚度这一措施对于高温稳定性较好的沥青层可提高路面整体结构的抗车辙性能，对于高温稳定性相对较弱的沥青层则会适得其反。

3.2 水泥稳定层厚度变化

参照广东省公路路面典型结构，选定“36cm+36cm”、“36cm+20cm”和“20cm+36cm”三种水泥稳定层厚度组合形式。计算结果如图6所示。

图6 水泥稳定层厚度与设计指标的关系

由图6可见，水泥稳定层厚度变化对沥青层永久变形量无明显影响，但对水稳层的疲劳寿命影响较大。增大底基层厚度可显著提高底基层的疲劳寿命次数，当水泥稳定层厚度一定时，相对减小基层厚度会对底基层的疲劳寿命略有削弱。因此，在路基性能等条件相对受限时，可通过调整水泥稳定层的厚度来提高半刚性基层的抗疲劳开裂性能。