公路沥青路面的弯沉与耐久性关系探讨

2024-04-07艾洋

交通科技与管理 2024年4期

摘要为了保证公路工程建设质量，文章首先总结了沥青混合料路面耐久性影响因素、验收弯沉值和弯沉代表值的计算方法，随后分析了贝克曼梁法、自动弯沉仪、FWD在沥青路面弯沉检测中的应用要点，最后以某高速公路的A～D路段为研究对象，分析了沥青路面弯沉和耐久性随运营时间的变化规律，研究成果可供类似项目借鉴。

关键词沥青路面；彎沉检测；耐久性；运营时间；工程案例

中图分类号 U416.217 文献标识码 A 文章编号 2096-8949（2024）04-0096-03

0 引言

相对于水泥路面，沥青混凝土路面在施工、行车、养护等方面具有明显的优势，在公路工程中应用广泛。沥青路面经过多年运营，其抗滑性能、结构强度、承载力等会不断下降，使得路面耐久性衰减，影响了行车安全。在实际项目中，弯沉值是评价沥青路面性能的重要指标，但对于弯沉值和耐久性之间关系的研究较少，研究成果可参考性不足。鉴于此，该文深入研究了沥青路面弯沉检测方法及其与耐久性之间的关系。

1 沥青路面耐久性影响因素和弯沉类型

1.1 耐久性影响因素

（1）温度。沥青混凝土是一种对温度较敏感的材料，其力学性能表现为黏弹性。在夏季连续高温天气下，沥青混凝土为黏性，抗变形能力降低，在车辆荷载下容易出现不可恢复的车辙变形；在冬季连续负温天气下，沥青混凝土为弹性，硬度增加，在车辆荷载下容易出现大面积脆性裂缝。上述两种情况，都会使沥青路面使用性能衰减，耐久性降低^[1]。

（2）湿度。如果沥青路面遇连续降雨，形成的雨水径流会充满沥青混合料空隙，使得基质沥青与集料之间的吸附性下降。车轮经过积水路面引起的动水压力会破坏集料，使沥青混凝土出现松散破坏。同时，冬季的水会以冰的形态存在，而春季温度升高后冰再融化成水，即产生“冻融循环”，使路面使用性能劣化，降低了路面耐久性。

（3）行车荷载。沥青混合料路面设计是基于BZ-100标准轴载，如果交通量调查、预测不合理或标准轴载换算不当，可能使沥青路面承载能力差。在运营期间受到车辆荷载后，路面内部或层底会出现较大的拉应力。当拉应力大于材料抗拉强度，层底开裂并不断向上延伸，在路面形成反射裂缝，使路面发生疲劳破坏，降低其耐久性。

（4）沥青混合料性能。为了保证沥青路面的耐久性，沥青混合料要有良好的性能，比如结合项目所处地区选择沥青标号；再比如粗细集料选择棱角分明、坚硬、干燥的玄武岩或石灰岩，并选择合理的矿料级配。粗集料含量不宜过低，否则会造成沥青混合料的空隙被沥青填充，难以形成有效的持力骨架，降低路面承载力。以路面上面层常用的SMA-13为例，其矿料级配宜采用中值，见表1。

1.2 弯沉类型

（1）验收弯沉值。弯沉是反映沥青混凝土路面结构承载力和耐久性的关键指标。由《公路沥青路面设计规范》（JTG D50—2017，下简称《规范》）可知，路表验收弯沉值应按弹性层状体系理论计算，见公式（1）和公式（2）^[2]。

E₀——路基顶面回弹模量（MPa）；h₁、h₂…h_n?1——路面结构层厚度（m）；E₁、E₂…E_n?1——路面结构层弹性模量（MPa）；δ——当量圆半径（mm）；k_l——调整系数，与路面基层材料和面层材料相关。

（2）弯沉代表值。路表弯沉检测要先将公路划分为若干个路段，每个路段的长度为1～3 km。随后测定出每个路段的路表弯沉代表值l₀，并与验收弯沉值进行对比。当l₀＜l_a，说明路面弯沉满足设计要求，耐久性合理；当l₀＞l_a，说明路面耐久性不足。由《规范》可知，l₀可按公式（3）计算^[3]。

2 沥青路面弯沉测试方法分析

2.1 贝克曼梁法

贝克曼梁法由合金铝材料制作而成，有5.4 m梁和3.6 m梁两种类型。由于该高速公路的路面基层属于半刚性基层，可选择长度为5.4 m的梁。同时，沥青路面的加载车很重要，荷载不宜过大或者过小。《公路路基路面现场测试规程》（JTG 3450—2019，下简称《规程》）规定贝克曼梁法的标准加载参数如下：后轴标准轴载100±1 kN、单侧双轮荷载50±0.5 kN、轮胎气压0.7±0.05 MPa、单轮传压面当量圆面积（3.56±0.2）×10⁴mm²。

在检测路面弯沉前，要先做好准备工作，比如检查加载车的车况，给加载车配重，并统计试验期间当地的平均气温。如果加载车磨损较大时，应测试轮胎传压面面积。

路表弯沉检测时，要将加载车停放于测试路段，将贝克曼梁插入加载车后轮轮隙处（梁臂不接触轮胎）。随后，安排专职人员指挥加载车缓慢前进，行车速度应均匀，宜取3～5 km/h。百分表示值会随路面变形的增加而增加，当百分表示值达到最大时，读取初始读数L₁，待加载车驶出弯沉影响范围后，读取最终读数L₂。因此，路面回弹弯沉值为2×（L₁?L₂）。

2.2 自动弯沉仪

自动弯沉仪包括承载车、位移传感器、距离传感器、数据处理系统等，其中承载车荷载、轮胎气压等参数与贝克曼梁法相同，位移传感器分辨率≤0.01 mm、量程≥3 mm，距离传感器示值误差≤1.0%。

弯沉检测时，承载车缓慢加速至测试速度（＜3.5 km/h），并沿着正常行车轨迹驶入测试路段，开始采集数据。自动弯沉仪所获取的路面弯沉盆峰值为路面总弯沉，并结合横坡i修正。当路面横坡≤4.0%，不需修正弯沉；当路面横坡＞4.0%，高位修正系数和低位修正系数分别取1/（1?i）、1/（1+i）^[4]。

2.3 落锤式弯沉仪

落锤式弯沉仪（FWD）的测试结果与实际更加贴近，主要原因在于：FWD可以模拟车辆荷载，对测试位置设置冲击力，测试出动态弯沉。FWD测定沥青路面弯沉的具体步骤如下：将FWD牵引至测试路段起始点—设置状态参数—承载板中心对准测點—启动荷载发生装置—记录路表变形数据，变形峰值就是弯沉值。为了保证测试数据的准确性，每个测点至少测试3次，再将FWD牵引至下一测点，重复上述步骤，完成整个路段的测试。

由于我国沥青路面结构设计时基于回弹弯沉值，在评价沥青路面耐久性时也应将自动弯沉仪和FWD的测试值转换为贝克曼梁值，并按《规程》附录C得到自动弯沉仪测值、FWD测值与贝克曼梁测值的相关性关系式，相关系数R≥0.95^[5]。

3 沥青路面弯沉与耐久性关系的具体关系

3.1 工程概况

研究对象为某高速公路，设计速度为100 km/h，横断面为双向四车道，宽25 m，路面为沥青路面，路面结构组合如下：SMA-13+AC-20+AC-25+水稳碎石基层+石灰稳定土底基层+土基，不同路面结构层的设计参数如表2所示。

沥青路面所处区域地势平坦、地基土以第四系上更新统松散堆积层为主，自上至下是粉土、粉砂、粉质黏土等。同时，项目所在区域夏季高温、冬季寒冷、年平均降水量较大，约950.8 mm，勘察时地下水深度约1～2.5 m，且主要受降水补给。

3.2 沥青路面弯沉随使用年限的变化规律

（1）测试结果。在公路沿线取4个典型路段（编号为A路段、B路段、C路段、D路段），设置若干个测点，利用FWD测定了不同测点在公路运营6年内的弯沉，并按前期标定的关系将其转换为贝克曼梁测值，见表3。

（2）变化规律。各个路段弯沉代表值与公路运营时间的曲线，如图1所示。

由图1可知：各个路段的弯沉代表值相差不大，且均满足设计文件要求，说明沥青路面的施工质量良好。同时，沥青路面弯沉随公路运营时间的增加而增加，但变化速率不均匀。在公路通车的2年内，沥青路面使用性能较好，路表弯沉变化不明显。当公路通车时间超过2年，沥青路面受车辆荷载、降雨、温度等因素的影响后耐久性开始衰减，承载能力下降，路表弯沉代表值快速增大。当公路通车时间超过5年，路表弯沉趋于稳定，最终达到52（0.01 mm）。

3.3 实测数据与理论计算值对比

通过Midas/GTS软件建立沥青混凝土路面计算模型，计算各个路段的最大弯沉。建模时，路面几何尺寸不宜过大或过小，拟取6 m×6 m×6 m的立方体。为了简化计算，计算模型采用实体单元模拟，不同沥青路面结构层之间、沥青结构层与土基之间是完全接触的。同时，将路面模型的底面完全约束、顶面不约束，可自由变形，计算荷载采用《规范》中的标准轴载。

利用Midas/GTS软件计算了A路段～D路段的路表弯沉最大值，并与弯沉实际检测值进行对比，如图2所示。

由图2可知：对于同一路段，Midas/GTS软件计算出的沥青路面弯沉最大值均小于实测值，最小误差是0.38%、最大误差是1.15%，满足工程精度要求。在实际项目中，可将有限元软件对弯沉的计算值和实测值相互校核。

4 结语

该文主要研究了沥青路面耐久性影响因素、弯沉测试方法及弯沉与耐久性之间的关系，得到了以下几个研究成果：

（1）影响沥青路面耐久性的因素可划分为内因和外因，前者包括温度、湿度、行车荷载等，后者主要是指沥青混合料的自身特性。

（2）沥青路面要合理确定验收弯沉值和弯沉代表值，可采用贝克曼梁法、自动弯沉仪、落锤式弯沉仪等方法。

（3）随着公路运营时间的增加，沥青混凝土路面弯沉值增加，耐久性不断衰减。此外，有限元软件计算出的沥青路面弯沉峰值要略小于实测值，最大误差仅1.15%。

参考文献

[1]罗品. 高速公路沥青路面结构强度弯沉检测技术研究[J]. 交通世界， 2023（28）： 73-75.

[2]王辉，焦宝莉. 公路沥青路面弯沉值在耐久性评价中的应用[J]. 运输经理世界， 2022（15）： 29-31.

[3]张培辉. 安徽某高速公路沥青路面弯沉与典型病害的灰色关联分析[J]. 工程与建设， 2013（6）： 746-748.

[4]祝刚，吴群. 浅谈高速公路沥青路面弯沉的问题[J]. 广东科技， 2009（12）： 264-265.