广东省倒装结构沥青路面弯沉修正应用

林伟弟

(广东省交通规划设计研究院集团股份有限公司，广东 广州 510507)

0 引言

“十三五”期间，围绕推动粤港澳大湾区、深圳先行示范区的“双区”建设，补短板、强弱项和适度超前发展、持续发展，广东高速公路网络不断完善，新增运营里程超过3 300 km。2020年底,伴随着潮汕环线高速等9条高速公路建成通车，广东高速公路总里程在全国率先突破10 000 km，连续7年位居全国第一。据统计，在已建成的高速公路中，传统的半刚性基层沥青路面为主要型式，占比约80%，该种路面结构最大的优点是板体性好、整体强度高、承载能力高，在轻、中交通荷载等级下整体性价比高，适应高速公路路面建设和发展的需要。但随着经济发展，交通量和轴载的增加，加上广东省气候炎热、多雨潮湿、高温持续时间长的特点，半刚性路面“耐久性差、使用寿命短”的问题不断显现出来。在运营过程中，经常出现车辙、松散、坑槽、水损害等路面损坏。在一定程度上无法满足广东交通荷载和地理气候环境的需要，使得路面寿命缩短，提早6～7 a进行大中修。

随着对沥青路面结构行为的深入认识，特别是国外长寿命或永久性沥青路面思想的引入，出于沥青路面结构耐久性和全寿命沥青路面周期经济分析思想，近些年来，许多专家学者对倒装式沥青路面进行了研究，并取得了一些有实际意义的成果。

经调查分析，倒装结构沥青路面结合了半刚性基层板体性分散荷载作用的优点及柔性基层抗疲劳性能，消除因为半刚性基层不足引发的病害，其裂缝率相对于半刚性基层沥青路面可以减少约2～3倍。综合来看，倒装式基层沥青路面更适合在湿热地区特重交通高速公路上使用[1]。

李福普等[2]指出，半刚性沥青路面由于水泥稳定碎石基层温缩、干缩开裂导致的反射裂缝是沥青路面的主要病害之一，而采用级配碎石基层对于减少沥青面层裂缝具有较好效果,在克服早期横向裂缝方面表现出优越性。

王春明[3]采用有限差分方法，模拟了福建省倒装沥青路面结构温度场的时空分布规律。研究表明：在水泥稳定碎石基层上铺设级配碎石和沥青碎石，可以改善基层内部温度梯度与基层顶部的温度变化幅度，可减少由半刚性基层温缩引发的反射裂缝。

为适应高温湿热气候条件，提高重交通荷载等级的沥青路面的耐久性，减少和延缓反射裂缝病害的发生，广东省近年来在广河高速公路(惠州段)、仁深高速公路(博罗段)等工程选取试验段，开展了规模化的倒装式沥青路面的应用研究。

1 倒装式柔性基层沥青路面在广东省的应用情况

1.1 广河高速公路(惠州段)

广河高速公路(惠州段)，设计年限内1个车道上的累计标准轴载Ne=2.4×107次，属于重交通荷载等级。路面结构设计采用倒装式柔性基层沥青路面结构，沥青面层采用4 cm厚Sup-12.5 + 7 cm厚Sup-19 + 8 cm厚Sup-25，上基层9 cm 厚 ATB-25、下基层32 cm 厚级配碎石、底基层15 cm 厚水泥稳定碎石。依据交通运输部公路科学研究院的《广州至河源高速公路惠州段路面弯沉标准研究报告》的结论[4]，对路表验收弯沉进行调整，采用43.5(0.01 mm)。

自2012年1月通车以来，路面行驶质量整体较好，平整密实、抗滑性能好，未发现结构性破坏[5-6]。路面行驶质量指数(RQI)优良率占98%，仅存在局部坑槽和裂缝，但路表弯沉值较大，如图1所示。

图1 2012—2014年度左右幅弯沉代表值对比Fig.1 Comparison of deflection representative values between left and right pavement in 2012-2014

由统计结果可知，2012—2014年间各路段路表弯沉的实测值介于37.6～72(0.01 mm)之间，个别达到81(0.01 mm)。运营前3年，各路段的弯沉代表值均较交工验收时的弯沉代表值大，整体呈现逐年增长的趋势。而2013—2014年间右幅有一定幅度降低，左幅小幅增大。这主要是因为在半刚性底基层和沥青层之间设置了32 cm 厚度的级配碎石，其模量较低，造成路表弯沉较大。

通过对历年路面弯沉结果进行对比分析，由图2可以看出：弯沉随着龄期增长没有增大，在2014年之后，反而呈现变小的趋势。2017与2018年间，双向各车道每公里代表弯沉平均值大多数在30.0(0.01 mm)以下， PSSI评价等级均为优，路面结构承载能力较高。这一现象与20世纪末，英国 TRL 公布的英国长寿命沥青路面的观测结果一致，与《福建省高速公路新型结构沥青路面结构设计指南》中提出的柔性路面路表弯沉随时间推移变化趋势的结论相吻合[7]。

图2 广河高速公路弯沉变化规律Fig.2 Rule of deflection of Guangzhou-Heyuan expressway

这主要是因为：柔性基层级配碎石模量随着沥青层加铺之后，含水量较为稳定，其模量基本保持不变；沥青层混合料由于油质挥发，沥青质增多，胶质含量有所降低，沥青胶结料产生硬化，导致沥青混合料模量的增加。

1.2 仁深高速公路(博罗段)

2016年，仁深高速公路在充分调研了福建、广东两省倒装路面结构应用的基础上，分析研究了该结构在各工程上的适用性及优缺点。对路面结构进行了优化调整，并应用于博罗县的平安互通立交至响水停车区10 km路段(桩号 K459+500～K469+595)。通过减薄级配碎石基层的厚度，降低沥青面层在荷载作用下的弯曲半径，从而减缓沥青面层的结构性疲劳破坏。同时为保证柔性层具有足够的层底弯拉应力，满足应力的有效扩散，将级配碎石层厚度调整为12 cm。此外，增加水稳底基层厚度至36 cm，有利于降低路基土顶面压应力水平，同时提高级配碎石的模量。路面结构参数如表1所示。

表1 路面结构参数Tab.1 Pavement structural parameters

根据交通量预测结果，计算得到设计使用年限内设计车道累计大型客车和货车交通量为：2.015×107辆，属于特重交通荷载等级。根据现场实测弯沉结果，修正后的路表验收弯沉采用36.8(0.01 mm)，路面的各项力学指标、无机结合料稳定层与沥青混合料层的疲劳开裂验算均能满足规范的相关要求。

该工程从2018年底通车至今3 a，根据2020—2021年度定检报告：路面技术状况指数(PQI)为97.18，其他各分项指标：路面损坏状况指数(PCI)为99.56，路面车辙深度指数(RDI)为96.39，路面行驶质量指数(RQI)为95.42，路面跳车指数(PBI)为99.31，路面抗滑性能指数(SRI)为93.19，路面结构强度指数PSSI为99.81，路面弯沉代表值为17.3～25.1之间，路面结构强度较好。PQI优等路率为100%。从路面性能看，路面水损坏、坑槽、车辙等早期损坏问题几乎没有，路面行驶质量高，取得了明显的经济和社会效益。

2 现行规范对倒装式沥青路面验收弯沉的适用性分析

刘贺等[8]通过对全柔性沥青路面各层实测弯沉值与计算值进行比较分析得到：采用设计文件设计值和计算软件 HPDS2011的计算值，合格率为0，需调整指标才能完成对柔性基层及相应面层的弯沉判定。

王璜[9]研究认为，各弯沉标准与实测弯沉间均存在相互矛盾的情况，现行弯沉设计标准体系不适用于柔性基层沥青路面结构，应重新调整柔性基层沥青路面设计的弯沉计算方法。

王旭东[10]从路面结构承载能力角度出发，指出完善弯沉设计指标是完善沥青路面力学经验设计方法的有效途径。聂忆华等[11]针对我国弯沉计算公式对全厚式沥青路面结构的不适应性，通过国内外计算公式参数的修正，提出了新的弯沉计算公式。胡春华等[12]利用现场实测数据进行统计分析，于2005年提出了能够适应柔性基层沥青路面的弯沉F修正公式。冯志慧等[13]通过分析具有代表性的柔性结构沥青路面的总厚度及层底受力状况，进行了弯沉回归分析，重新标定了基层类型系数。

纵观我国沥青路面发展史，从1978—2017年，规范经过7次修订和不断调整。每次弯沉设计公式的修订，都是针对当时最典型的公路结构进行调整。现行设计规范的设计体系主要是以半刚性基层为典型结构的沥青路面设计。对于半刚性沥青路面，弯沉设计标准总体上是逐渐提高，即弯沉值逐渐降低。而倒装式沥青路面结构毕竟是一种新的结构型式，与传统半刚性基层存在较大差异，在国内真正应用只有15 a左右，尚未针对该路面结构制定相应的设计标准，在广东省内也只有广河、仁深两条高速公路进行规模化应用。

规范指出：对于交通量较大的柔性基层沥青路面结构，现在尚处于研究阶段，缺乏理论研究及工程实践经验，故采用柔性基层沥青路面结构时，应综合考虑国外经验及国内实际[14]。2017版《公路沥青路面设计规范》，虽然取消了路表弯沉设计指标，但由于弯沉测定广为熟知，具有使用简便、直观、经济和较快速的优点，同时对于同一种或同一段路面结构，弯沉指标仍能反映出该结构的承载能力，故2017版设计规范仍将弯沉作为路基和路面的交工验收指标。

2017版规范附录 B.7.3[14]计算路表验收弯沉值时，采用平衡湿度状态下顶面当量回弹模量乘以模量调整系数kl，kl用以协调理论弯沉与实测弯沉的差异,如式(1)、式(2)所示:

(1)

(2)

采用 HPDS2017根据弹性层状体系理论按上式计算得到仁深高速公路(博罗段)倒装式路面结构的理论路表交工验收弯沉值la=30.1(0.01 mm)，这与现场实测弯沉值存在较大的差别。该工程于2018年9月施工完成路面上面层，现场采用贝克曼梁实测路表弯沉代表值为30.3～37.6(0.01 mm)之间。

可以看出采用现行规范计算路表验收弯沉值，在应用中依然存在弯沉“超标”的问题。分析其原因，主要有以下几个方面:

2.1 模量调整系数kl

该系数是通过采集国内4条柔性路面公路的容许弯沉值与累计轴次进行回归得到的，其样本数量较少，且大多数采集样本为北方省份，对于南方高温湿热地区代表性不足。根据规范的解释说明：当路面结构层采用无机结合料稳定类基层沥青路面和水泥混凝土基层沥青路面，取0.5；粒料类基层沥青路面和沥青结合料类基层沥青路面，当采用无机结合料稳定底基层时，取0.5，否则取1.0[14]，即倒装结构的沥青路面(粒料类基层沥青路面，无机结合料稳定底基层)，该模量调整系数kl值取0.5，与半刚性基层路面类型取值一致。计算弯沉值时，仅能通过各结构层模量取值不同加以调整。

2.2 气候条件及交通环境的特殊性

广东省地处中国大陆最南部，位于东亚季风区，从北向南分别为中亚热带、南亚热带和热带气候。气候炎热，高温持续时间长，是全国光、热和水资源较丰富的地区，且雨热同季。年平均气温22 ℃，历史极端最高气温为42 ℃，极端最低气温-7.3 ℃。按沥青路面气候分区属于夏炎热冬温潮湿区，即1-4-1。根据广东省近20 a的气候数据统计显示，近年来极端高温、35 ℃以上高温天数、35 ℃以上高温积温等气候参数均有增强的趋势，高温条件将明显影响路面性能，进而影响到材料的选择。沥青混合料在长时间重载和高温的作用下，其压缩模量和强度将随温度升高而显著下降，加大沥青混合料的变形，进而产生车辙、推移等永久性病害，降低路面的使用性能。

广东省的雨季主要集中在4—9月，年平均降水量为1 789.3 mm，年降水量最少为1 314.1 mm，最多达2 254.1 mm。降水对地基土和路面材料的冲刷及材料性能影响很大。土体含水量增加，将导致路基承载力下降，影响路面使用性能[15]。

多雨潮湿地区施工过程中，半刚性底基层的强度形成较慢，导致级配碎石的承载能力较低，级配碎石顶面弯沉普遍偏大，难以达到原设计要求；同时潮湿状态下的级配碎石层模量降低也会导致弯沉的增加[16]。

2.3 级配碎石的粒料性

级配碎石由于没有采用胶结料，其强度主要靠碎石自身的强度及碎石颗粒之间的嵌挤能力，其力学性能与沥青混合料和半刚性材料不同，受原材料质量、粗集料含量以及施工期间含水量影响较大。故原材料对级配碎石混合料的性能影响非常大，采用优质的级配碎石和严格控制生产质量对于保证级配碎石的性能非常重要[7,17]。

2.4 交通负荷大

交通量与中型以上货车比例是影响路面使用性能的关键因素。广东省作为全国经济第一强省，货物运输及客流量均排在全国前列。为了便于比较，收集了全国89条高速公路的设计累计标准轴次，汇总得到统计分布图，如图3所示。

图3 全国89条高速公路累计标准轴次统计分布Fig.3 Statistical distribution of cumulative standard axes of 89 expressways in China

全国现有高速公路交通荷载具有较大的差异，东部沿海发达省份(如广东、山东、江苏)普遍为重载交通等级公路；北方及西部地区(如黑龙江、辽宁、重庆)以轻、中型交通荷载等级公路为主。其中广东省特重型交通荷载公路的比例高达42%，加之超载问题较为突出，使得路面的使用年限大打折扣。

图4为广东省已运营部分高速公路交通荷载推算15 a累计标准轴次的区域分布情况，从图中可以看出，广东省内所调查的23条高速公路均为重型和特重型交通等级公路，珠三角地区大部分为特重型交通等级公路，其中广深高速设计累计标准轴次高达4 958 万次。

图4 广东省23条高速公路累计标准轴次统计分布Fig.4 Statistical distribution of cumulative standard axes of 23 expressways in Guangdong Province

目前国内专家学者，基于倒装式沥青路面的特点，考虑地区的气候、交通量等因素提出的修正弯沉验收标准，均为针对2006版规范的计算公式所提出。而现行的2017版规范同样不能很好地适用于计算倒装式沥青路面验收弯沉值，需要对弯沉计算公式进行修正，为广东省倒装式沥青路面路表验收弯沉值的确定提供依据。

3 弯沉修正及验证

根据设计规范确定路表验收弯沉值的原则，验收弯沉值是依据路面结构模量计算标准轴载的轮胎接地压强0.7 MPa下的计算弯沉来确定的[18]，取其中最小弯沉值乘以模量调整系数kl为验收弯沉值。

仁深高速公路倒装结构路段施工完成后，采用贝克曼梁对路表的弯沉进行了实测，路段长度10 km，桩号范围为K459+500～K469+595。沿行车方向每隔20 m实测1个断面，每个断面分左右幅、分车道，共测试了2 514组数据，如图5所示。

图5 仁深高速公路倒装结构路段路表弯沉代表值Fig.5 Representative values of road surface deflection in inverted structural section of Renhua-Shenzhen expressway

从图5中可以看出，倒装结构路段路表弯沉代表值处于30.3～38.0(0.01 mm)之间，左右幅弯沉趋势一致，离散性不大。对于 K467～K468路段弯沉达37.6(0.01 mm),分析其原因，主要是因为该路段为低填浅挖段，且施工期间连续的雨水天气及丰富的地表水系及地下水系造成路面结构层含水量偏大。如果采用现行规范计算值la=30.1(0.01 mm)作为弯沉验收指标，则路表交工验收弯沉合格率为0。

参考文献[7]中交通运输部公路科学研究院汇总了全国9个省328个路段的柔性结构、厚沥青层路面结构计算弯沉与实际测量弯沉的差异，大约有72.8%的路段不合格。建议计算弯沉值可在2006版设计规范F修正的基础上，放大1.4倍。基于95%统计可靠性的弯沉修正，在大量现场实测数据基础上，对弯沉计算值加以修正。假设修正系数为K，当K值等于1.22时，修正后的验收弯沉值为36.8(0.01 mm)，可满足可靠度为95%的要求。

由于广东省内已建成的高速公路中，大规模应用倒装结构路面的工程较少，为了提高回归方程的准确性，增加样本数量，本研究将福建省近些年修建的同类型高速公路进行统计分析，如表2所示。

表2 各高速公路的弯沉修正系数Tab.2 Deflection correction coefficient for each expressway

从前面的分析可知，级配碎石层厚与沥青层厚的厚度对路表弯沉值影响很大。表2中，当级配碎石层厚与沥青层厚比值越大，相应的弯沉修正系数K值越大，其大小从1.22～1.39不等，并非固定值。广河高速公路级配碎石层厚达32 cm，与沥青层厚比值为1.14，相应的弯沉修正系数为1.39。仁深高速公路减薄级配碎石层厚度为12 cm，增加水稳底基层厚度至36 cm，路面结构层与福建的厦蓉高速公路较接近，相应弯沉修正系数为1.22。

如果按照2006版规范及《福建省高速公路新型结构沥青路面结构设计指南》将修正系数取值为1.4，虽然现场实测的弯沉代表值均能100%满足验收要求，但将导致现场施工容易达到设计要求，标准偏低，不利于现场施工质量的控制。因此，建议采用2017版规范公式计算倒装式沥青路面的验收弯沉值，其修正系数K值需根据不同工程的路面结构型式进行内插取值，其范围为1.22～1.39。

将上述所选路段的级配碎石层厚分别与沥青层总厚度、路面结构层总厚度的比值作为横坐标，弯沉修正系数K作为纵坐标，回归所得曲线如图6、图7所示。

图6 级配碎石层厚/沥青层总厚度与弯沉修正系数关系Fig.6 Relationship between graded gravel layer thickness/total asphalt layer thickness and deflection correction coefficient

图7 级配碎石层厚/路面结构层总厚度与弯沉修正系数关系Fig.7 Relationship between graded gravel layer thickness/total pavement structural layer thickness and deflection correction coefficient

从图中可以看出，“级配碎石层厚/沥青层总厚度”、“级配碎石层厚/路面结构层总厚度”与弯沉修正系数均有着较强的线性关系，相关系数R2的为0.89。路表验收弯沉修正系数K，可由线性内插确定。

由于本次研究只采用了10条倒装式沥青路面的验收弯沉资料，样本数量相对较少。同时由于弯沉修正系数受很多因素的影响，故建议各地区工程进行弯沉的试验和跟踪观测，进一步细化修正系数K值的内插公式研究。

4 结论

(1)现行的《公路沥青路面设计规范》不能很好地适用于计算倒装式沥青路面验收弯沉值，需要对其进行修正。目前国内普遍采用的弯沉修正系数1.4，是针对旧版《公路沥青路面设计规范》的计算公式所提出。如果单一地将此弯沉修正系数套用到现行2017版规范进行修正，结果将过于宽松，标准偏低，不利于现场施工质量的控制。

(2)在大量现场实测数据基础上，统计各工程弯沉理论计算值与实测值的关系，分析了“级配碎石层厚/沥青层总厚度”、“级配碎石层厚/路面结构层总厚度”与弯沉修正系数均有着较强的线性关系，相关系数R2约为0.89。回归得到了满足95%可靠度的路表验收弯沉修正系数K，其范围为1.22～1.39。当级配碎石层厚度越大，K值越大，具体操作可通过内插确定。

(3)考虑本次研究只采用了华南地区10条倒装式沥青路面的验收弯沉资料，样本数量相对较少。同时由于弯沉修正系数受很多因素的影响，故建议各地区工程进行弯沉的试验和跟踪观测，进一步细化修正系数K值的内插公式研究，为今后倒装式沥青路面进一步推广应用提供理论参考，为广东省倒装式沥青路面路表验收弯沉值的确定提供依据。