基于材料性能的路面结构剩余寿命评估

吴 强,孟令国

(江苏宁杭高速公路有限公司,江苏 南京 210000)

随着我国公路建设的不断发展,高速公路路网建设日臻完善。在长期的荷载以及环境因素的作用下,各高速公路除了路表所反映的裂缝、车辙等表面病害以外,通常还伴随着结构强度的下降,结构内部隐性病害的增多,局部路段存在基层松散、脱空以及层间粘结不良等基层病害,具有层位较深、隐蔽性强的特点。因此,如何建立路面病害及结构性健康状态精细化诊断方法,提出路面结构剩余寿命精准预测方法,制定科学化结构补强修复对策,对于发生早期结构性病害的高速公路实现路面诊断及修复,达到结构性能提升及长期保存具有重要意义[1]。

杨芙蓉等[2]深入对比了三类常见复合式基层沥青路面的优劣,计算了结构主要力学响应,考虑半刚性基层模量随开裂程度不同而产生的衰变,参考南非方法计算了无机结合料稳定材料拉应变控制下的剩余寿命。和世明[3]依托实体改扩建工程,使用FWD检测路面的弯沉,采用三层和四层体系来反算结构层模量,比较反算结果后,使用三层体系反算的模量值进行沥青路面剩余寿命的预估。秦旻等[4]采用修正Shell永久变形理论,计算了动荷载作用下路面产生的永久变形和平整度的衰变规律,建立了动荷载作用下的沥青路面剩余寿命计算与预估的方法。然而现在剩余寿命评估方法大多是基于室内试验结果,与实际现场状况匹配度不高[5-7]。

综上,基于室内试验和现场检测结果对材料参数和结构参数进行修正,采用无机层疲劳开裂模型和沥青层永久变形模型对在役高速剩余服务寿命进行评价,然后基于弯沉控制和车辙控制的方式确定补强方案的材料性能,最后结合溧马高速实际工程予以应用论证。

1 基于无机结合料疲劳开裂的剩余寿命分析

1.1 评估方法研究

(1)材料性能和层间状态确定。

弯拉强度:通过在役高速基层芯样无侧限抗压强度测试并与新建高速进行对比,对弯拉强度进行折减;基层模量:采用FWD对路面弯沉进行检测,基于弯沉盆反演各层模量,然后对比新建高速数据对模量进行折减;层间粘结状态通过探地雷达确定。

(2)分析路面结构力学响应。

基于弹性层状体系,对路面结构进行力学响应分析,确定无机结合料层层底拉应力σt。

(3)预测无机结合料层疲劳开裂寿命Nf。

根据下式计算求得路面结构疲劳开裂寿命Nf。

(1)

式中:Nf为无机结合料稳定层疲劳开裂寿命;ka为季节性冻土地区调整系数,参考规范可得;kT2为温度调整系数,按规范中附录G确定;RS为无机结合料稳定类材料的弯拉强度,MPa;a,b为疲劳试验回归参数;β为目标可靠指标,参考规范可得。kC为现场综合修正系数。

kC=c1×ec2×(ha+hb)+c3

(2)

式中:c1,c2,c3为参数,参考规范可得;ha,hb分别为沥青混合料层和计算点以上的无极结合料稳定层厚度;σt为无机结合料稳定层的层底拉应力,MPa。

(4)明确预期年限的当量交通轴次Ne。

结合路面历年交通量数量,能够确定路面日均交通轴次及年增长率,可预测期内累计当量轴次。

(5)确定结构层材料的室内试验评价标准。

将无机结合料层疲劳开裂寿命Nf与预测交通轴次Ne进行比较,可以明确当前路面结构层抗疲劳性能是否满足需求,并且能够进一步确定结构层疲劳性能的剩余使用年限。

1.2 实例分析

以溧马高速为例进行实例分析,采用Bisar3.0软件进行分析,其中面层模量采用室内试验实测值,基层模量通过弯沉反演获得,并与新通车高速对比进行折减,考虑溧马高速层间粘结较差,因此在计算过程中将面层与基层,基层与基层层间设置为滑动状态,得到无机结合料稳定层的层底拉应力σt,分别对LM-21标、LM-22标进行计算,结果如表1所示。

表1 不同标段路面结构无机层层底拉应力

基于无机层疲劳开裂预测模型分析,溧马高速各标段结构无机层疲劳开裂寿命,汇总如表2所示。

表2 无机层疲劳开裂预测寿命

结合路面历年交通量数量,能够确定路面日均交通轴次及年增长率,而基于新版沥青路面设计规范,可以得到预测期内的累计当量轴次Ne,如公式(3)所示

(3)

EALFm)

(4)

式中:AADTT为2轴6轮及以上车辆的双向年平均日交通量,辆/d;DDF为方向系数;LDF为车道系数;M为车辆类型编号;VCDFm为m类车辆类型分布系数;EALFm为m类车辆的当量设计轴载换算系数。

经计算,汇总如表3所示。

表3 预测年限的当量交通轴次

将无机结合料层疲劳开裂寿命Nf与与预测交通轴次Ne进行比较,得到LM-21标剩余寿命为1年,LM-22标剩余寿命为5年。

2 基于沥青层永久变形的剩余寿命分析

2.1 评估方法研究

(1)明确预期年限的当量交通轴次Ne。

结合路面历年交通量数量,能够确定路面日均交通轴次及年增长率,而基于新版沥青路面设计规范,可以得到预测期内累计当量轴次。

(2)分析路面结构力学响应。

基于弹性层状体系,对路面结构进行力学响应分析,确定中面层各分层层顶的竖向压应力Pi。

(3)计算路面结构中结构层的永久变形。

通过实际测量,能够得到当前路面结构的永久变形RD实测,按照高速公路车辙深度RD容许不大于15 mm的控制标准,经差值求解(即RD容许-RD实测)可以得到,该处路面结构未来最大容许永久变形Ra。在其他层位材料确定,且不考虑其材料性能衰减的前提下,可以得到所求层位的容许永久变形Rai。

(4)确定结构层材料的室内试验评价标准。

利用沥青层永久变形预测模型,将上述预测期内累计当量交通轴次Ne、力学参数Pi以及所求结构层剩余容许永久变形Rai代入计算,可以得到该结构层材料的车辙变形深度RD,车辙试验永久变形量依据“十三五”重大专项最新研究成果汉堡车辙试验结果转换所得。

对于改性沥青混合料

R国标=1.38R汉堡+0.312

(5)

对于普通沥青混合料

R国标=2.85R汉堡-0.195

(6)

2.2 实例分析

结合路面历年交通量数量,能够确定路面日均交通轴次及年增长率,而基于《公路沥青路面设计规范》JTG D50-2017,可以得到预测期内的累计当量轴次Ne,如下式所示

(7)

(8)

经计算,汇总如表4所示。

表4 预测年限的当量交通轴次

表5 沥青层各分层竖向压应力

基于弹性层状体系,对路面结构进行力学响应分析,确定沥青层各分层层顶的竖向压应力Pi。

通过实际测量,能够得到当前路面结构的永久变形RD实测,按照高速公路RDI<90即车辙深度RD容许不大于10 mm的控制标准,经差值求解(即RD容许-RD实测)可以得到,该处路面结构未来剩余永久变形Ra,汇总如表6所示。

表6 不同标段路面结构剩余永久变形

基于沥青层永久变形预测模型分析,得到不同年限不同路段不同车道的路面结构的预测永久变形,汇总如表7所示。

表7 不同标段路面结构剩余使用年限

由表7可知LM-21标永久变形剩余使用年限为4年,LM-22标永久变形剩余使用年限为1年。

3 结构补强需求分析

通过前述分析可以发现部分高速公路剩余服务年限较低,因此后续的分析需要对其进行结构补强,并对补强材料性能需求进行分析。

采用注浆补强方案对基层进行补强,注浆后考虑层间状况、结构强度得到恢复,采用Bisar3.0进行两个标段修复后层底拉应力计算,并进行无机层疲劳寿命分析。详见表8、表9。

表8 注浆后不同标段无机层层底拉应力

表9 无机层疲劳开裂预测寿命

将无机结合料层疲劳开裂寿命Nf与预测交通轴次Ne进行比较,得到LM-21标剩余寿命为119年,LM-22标剩余寿命为120年。

当加铺4 cm SMA-13时,原路面上面层层位下移为中面层,中面层为主要抗车辙层需要一定的高温性能,通过前述分析LM-22标上面层高温性能衰减严重,因此考虑采用加铺双层4 cm+6 cm的组合,减少后期出现车辙的风险,针对不同加铺层厚度进行无机层疲劳开裂寿命预测,结果如表10、表11所示。

表10 注浆且罩面后不同标段无机层层底拉应力

由表10、表11可知,21标罩面二层寿命较罩面一层寿命延长14年;22标罩面二层寿命较罩面一层寿命延长13年。

3.1 基于弯沉控制的加铺层模量需求分析

通过对溧马高速进行弯沉检测,确定LM-21标整体弯沉代表值为21.16(0.01 mm),LM-22标整体弯沉代表值为20.09(0.01 mm),用Bisar3.0软件可以计算求出路表弯沉,通过试算法确定路面层模量,LM-21标模量为1450 MPa,LM-21标模量为1 650 MPa。

采用Bisar3.0软件进行加铺层模量需求分析,以PSSI评分提升至90分为标准,即弯沉值对应为16.3(0.01 mm),通过反算可以得出6 cm加铺层模量需求LM-21标为8 500 MPa,LM-22标为5 000 MPa。

3.2 基于车辙控制的加铺层抗车辙性能需求分析

由于LM-22标原路面高温性能较差,因此在进行需求分析时以LM-22标为主,当采用加铺4 cm+6 cm的方案对原路面进行处治,得到加铺路面结构形式如表12所示。高温性能详见表13。

表12 加铺4 cm+6 cm 路面结构

表13 原路面高温性能汇总

针对上述结构,基于沥青层永久变形预估方法,对不同结构层高温性能需求进行分析。基于弹性层状体系,对路面结构进行力学响应分析,确定沥青层各分层层顶的竖向压应力Pi,数据详见表14。

表14 路面结构层各分层竖向压应力

设计年限15年控制标准为12 mm,LM-22标加铺中面层高温性能需求为7 000次/mm,设计年限15年控制标准为15 mm,中面层高温性能需求为3 800次/mm。

4 结 论

(1)采用无机层疲劳开裂模型,考虑现场实际工况对基层强度、模量和层间状态进行折减,评估了无机层疲劳开裂剩余寿命,LM-21标剩余寿命为1年,LM-22标剩余寿命为5年。

(2)采用沥青层永久变形模型,通过现场芯样汉堡车辙试验,评估原路面高温性能,根据剩余车辙深度,评估了沥青层永久变形剩余寿命,LM-21标永久变形剩余使用年限为4年,LM-22标永久变形剩余使用年限为1年。

(3)根据剩余服务年限分析,提出了基于弯沉控制的加铺层模量需求和基于车辙控制的加铺层抗车辙性能需求。