廿年路面结构基层合理厚度研究

摘要 为论证江苏省水泥稳定碎石基层厚度组合优化的可行性，文章采用力学计算的方式进行研究，分析了基层厚度对路面结构压应力、剪应力、拉应力、竖向压应变及疲劳寿命的影响，同时对不同结构组合基层使用寿命富余度进行分析。结果显示：基层疲劳寿命与层底拉应力随着基层与面层厚度的减少而增大，现行结构组合形式下基层的疲劳开裂寿命存在较大的富余度。最终根据分析结果给出不同交通荷载等级下的基层结构组合推荐与未来材料发展方向。

关键词 廿年路面；水泥稳定碎石基层；合理厚度；Bisar力学分析

中图分类号 U416.2文献标识码 A文章编号 2096-8949（2024）02-0056-04

0 引言

随着“双碳”目标的提出，低碳环保的理念越来越受到重视[1]。江苏省高速公路半刚性基层服役至今状态良好，强度满足规范要求，同时水泥稳定碎石基层及底基层结构厚度整体偏厚，可达54～60 cm[2]，且多依据经验确定。而当前优质集料等原材料供应紧张且存在质量波动，因此存在基层厚度优化需求与空间。

为此，参考江苏省“长寿路面 廿年面层”的设计标准，对不同基层厚度的典型路面结构进行力学响应分析[3]，以基层疲劳寿命为控制指标，分析基层厚度对基层疲劳开裂寿命的影响[4]，分析基层使用寿命富余度，论证基层组合优化的可行性。

1 不同基层结构组合力学响应分析

根据调研结果选取典型半刚性基层路面结构，分别分析拉应力、剪应力、竖向压应力等参数沿深度变化情况。

选用Bisar3.0力学模拟软件进行力学响应分析[5]，为了避免其他参数对力学分析的影响，将材料模量统一取10 000 MPa。典型半刚性基层路面结构参数见表1，路面结构组合选择不同沥青层厚度（18 cm、20 cm、24 cm）与不同基层厚度（30 cm、40 cm、50 cm、60 cm）的组合，具体见表2。

1.1 压应力

面层厚度取24 cm，不同基层厚度条件下压应力随深度变化见图1。

由图1可知，不同基层厚度路面结构的竖向压应力变化趋势一致，均随着结构深度的增加而降低。随着基层厚度的增加，沥青层顶面竖向压应力变化不大。

1.2 剪应力

不同路面结构沥青层最大剪应力见图2。

由图2可知，不同基层厚度路面结构的沥青层最大剪应力变化趋势一致，均随着基层厚度的增加而降低，但变化不大。不同沥青层厚度之间沥青层最大剪应力同样变化不大。

1.3 路表竖向压应变

不同路面结构路表车辙见图3。

由图3可知，不同基层厚度路面结构的路表车辙变化趋势一致，均随着基层厚度的增加而降低，但变化不大。不同沥青层厚度之间路表车辙同样变化不大。

1.4 拉应力

不同路面结构基层层底拉应力见图4。

由图4可知，不同路面结构拉应力随深度变化趋势基本相同，在基层中随深度的增加而增加。沥青层厚度越小，基层层底拉应力越大，18 cm沥青层平均比24 cm沥青层的基层层底拉应力增大19.2%；基层厚度越小，基层层底拉应力越大，30 cm基层平均比60 cm基层的基层层底拉应力增大1.3倍，差异明显，说明基层厚度对基层层底拉应力影响显著。

2 基层厚度对基层疲劳寿命的影响

基于上小节计算得出不同结构组合下无机结合料层的层底拉应力，按照《公路沥青路面设计规范》（JTG D50—2017），沥青混凝土路面结构计算采用双圆垂直均布荷载下层状弹性体系理论，假定路面各结构层层间连续，计算无机结合料层疲劳开裂寿命。

无机结合料层的疲劳开裂寿命应根据路面结构分析得到的各无机结合料稳定层层底拉应力来计算，按式（1）计算。

（1）

式中，Nf2——无机结合料稳定层的疲劳开裂寿命（轴次）；ka——季节性冻土地区调整系数；kT2——温度调整系数；Rs——无机结合料稳定类材料的弯拉强度（Pa）；a、b——疲劳试验回归参数，按表3取值；kc——现场综合修正系数，按式（2）計算。

（2）

式中，c1、c2、c3——参数，按表4取值；ha、hb——分别为沥青混合料层和计算点以上无机结合料稳定层厚度；β——目标可靠指标，根据公路等级取值；——无机结合料稳定层的层底拉应力（MPa）。

不同路面结构基层疲劳开裂寿命计算结果见表5。

由表5可知，沥青层厚度越小，基层疲劳寿命越小；基层厚度越小，基层疲劳寿命越小，30 cm基层平均比60 cm基层的基层疲劳开裂寿命降低65.9%，差异明显，说明基层厚度对基层疲劳开裂寿命影响显著。

3 不同结构组合基层使用寿命富余度分析

不同交通荷载等级下不同使用年限的无机结合料稳定层疲劳开裂验算时的轴载次数见表6。

对比不同结构组合下的无机结合料层疲劳开裂寿命与设计交通荷载等级对应的累计轴载作用次数，不同路面结构对应的最大基层疲劳使用寿命见表7。

由表7可以看出：

（1）在中等及以下交通荷载等级条件下，18 cm沥青层的路面结构中各厚度基层结构基层均达到大于50年的疲劳寿命，有较大富余度。

（2）在重等交通荷载等级条件下，20 cm沥青层的路面结构中30 cm基层结构达到41年的疲劳寿命，其余40 cm、50 cm、60 cm基层结构基层均达到大于50年的疲劳寿命，存在较大富余度。

（3）在特重等交通荷载等级条件下，24 cm沥青层的路面结构中60 cm基层结构基层达到43年的疲劳寿命，存在富余度；50 cm基层结构达到37年的疲劳寿命；40 cm基层结构达到30年的疲劳寿命；30 cm基层结构达到23年的疲劳寿命。

（4）整体来看，由于省内高速公路建设并没有根据不同高速的交通荷载等级选择合适的基层厚度，现行的高速公路基层厚度往往达到或接近60 cm，此基层厚度下中等及以下和重等交通荷載等级高速公路路面结构基层的疲劳开裂寿命存在极大的富余度，特重交通等级下60 cm基层亦存在充足富余度，所以根据不同高速的实际交通量等级，基层厚度存在较大优化空间。

4 廿年路面结构基层厚度组合及材料优化需求

4.1 基层厚度组合

针对中等及以下、重等、特重交通荷载等级，调研了江苏省内典型高速的基层结构组合，并进行基层结构厚度推荐，见表8。

4.2 材料优化需求

当前路面建设中对于基层的主流设置为基层强度高、水泥剂量也高，底基层强度低、水泥剂量也低。这样的设置在实际建设与服役过程中是否最为合适有待进一步研究。针对不同交通荷载等级下的基层结构组合，相应水稳材料要求也随之变化。路面结构中基层与底基层需提升抗开裂、抗疲劳性能，且须尽量做到强度与抗裂性能的平衡设计，见图5。

5 结语

（1）经计算，在结构力学响应方面：基层厚度越小，基层层底拉应力越大，沥青层厚度越小，基层层底拉应力越大。在基层疲劳寿命方面：基层厚度越小，基层疲劳寿命越小，沥青层厚度越小，基层疲劳寿命越小。

（2）经计算，现行的高速公路基层厚度往往达到或接近60 cm，此基层厚度下基层的疲劳开裂寿命存在较大的富余度，根据不同高速的实际交通量等级，基层厚度存在较大优化空间。

参考文献

[1]邵楷模. “双碳”目标下的沥青路面减碳技术发展研究综述[J]. 交通节能与环保， 2023（5）： 136-140.

[2]崔戌秋. 半刚性基层结构及材料性能发展规律研究[D]. 南京：东南大学， 2020.

[3]赵博文. 基于不同层间结合状况的半刚性基层沥青路面力学响应分析[J]. 北方交通， 2020（11）： 66-69.

[4]张磊， 张定一， 程龙， 等. 基于SCB试验的既有高速公路半刚性基层疲劳寿命预估[J]. 长安大学学报（自然科学版）， 2023（3）： 1-10.

[5]胡新贺， 吕栋， 程刚. 基于BISAR软件的路面结构受力分析[J]. 四川建材， 2019（7）： 127-128+130.

收稿日期：2023-12-18

作者简介：张孝胜（1985—），男，本科，工程师，从事公路质量管理试验检测工作。