季節(jié)變化下瀝青路面設(shè)計(jì)淺議
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摘要：以某擬建瀝青路面工程為例，在現(xiàn)有規(guī)范的基礎(chǔ)上分別進(jìn)行了其路基強(qiáng)度設(shè)計(jì)、路面材料性能設(shè)計(jì)、軸載換算設(shè)計(jì)等的分析，并提出五種結(jié)構(gòu)形式，并對這五種結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析研究。研究結(jié)果表明，綜合考慮軸載季節(jié)修正系數(shù)、等效土基回彈模量、材料動(dòng)態(tài)模量等因素的結(jié)構(gòu)五設(shè)計(jì)合理，能滿足新建瀝青路面結(jié)構(gòu)性能要求。
關(guān)鍵詞：季節(jié)變化；瀝青路面；路基強(qiáng)度
0引言
環(huán)境因素對路面瀝青結(jié)構(gòu)層性能影響較大，公路路基則受到濕度的較大影響，而溫濕度、降水等環(huán)境因素變化具有明顯的季節(jié)性特征，故瀝青路面材料和路基力學(xué)特性等也表現(xiàn)出季節(jié)性變化的趨勢特征，路基和瀝青路面材料強(qiáng)度隨季節(jié)氣候因素變化較大，軸載換算過程中也必須進(jìn)行季節(jié)性修正。我國相關(guān)公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范對影響瀝青路面設(shè)計(jì)的季節(jié)性因素已經(jīng)有所規(guī)定，如路基回彈模量取值時(shí)必須考慮季節(jié)變化因素、瀝青材料回彈模量及劈裂強(qiáng)度取值必須考慮實(shí)際溫度等。本文借鑒美國AASHTO瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范，從路基強(qiáng)度設(shè)計(jì)、路面材料性能、軸載換算等方面進(jìn)行了修正和完善探討，以便指導(dǎo)具體工程設(shè)計(jì)實(shí)踐。
1工程概況
某擬建公路按照雙向四車道設(shè)計(jì)，并采用瀝青路面結(jié)構(gòu)，公路所在地區(qū)溫度、濕度等氣候條件季節(jié)性變化大，一般將該地區(qū)全年劃分為3～5月春融期、6～9月雨季期、10月～次年2月其他期等三個(gè)季節(jié)段。根據(jù)調(diào)查結(jié)果，不同季節(jié)段土基回彈模量取值在40.1～125.4MPa范圍內(nèi)變動(dòng)，季節(jié)變化對交通軸載換算及土基回彈模量影響較大。
2路基強(qiáng)度設(shè)計(jì)
在1986年出臺的公路自然區(qū)劃標(biāo)準(zhǔn)中就已經(jīng)按照干濕狀態(tài)將路基劃分為干燥、中濕、潮濕、過濕等類型，并依據(jù)公路自然區(qū)劃確定出不通過干濕程度路段土基回彈模量值；還提出應(yīng)增設(shè)墊層以降低冰凍凍害對路基地下水的影響，控制路基高度以確保路基結(jié)構(gòu)干濕度等。上述規(guī)定僅僅表明地下水對路基結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的影響得到足夠重視，但是所規(guī)定的路基回彈模量值對季節(jié)變化的考慮明顯不夠。在本工程路面設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)采用最佳含水量下的路基模量，并在最佳含水量下進(jìn)行壓實(shí)施工和驗(yàn)收。而完成路面施工后，路基模量也不會(huì)一直保持在最佳含水量及最佳密實(shí)度狀態(tài)，而表現(xiàn)出變化狀態(tài)，為此，在路基設(shè)計(jì)過程中必須設(shè)置模量修正系數(shù)。美國AASHTO設(shè)計(jì)規(guī)范充分考慮了季節(jié)性溫度變化及降水的可能影響，并設(shè)置出冰凍、融化等季節(jié)性變動(dòng)彈性模量調(diào)整系數(shù)。我國武和平教授也在研究路面設(shè)計(jì)土基回彈模量的基礎(chǔ)上提出土基設(shè)計(jì)參數(shù)取值修正系數(shù)，經(jīng)修正后的土基回彈模量按式（1）確定[2]：式中：E0為修正后的土基回彈模量（MPa）；A為考慮季節(jié)及濕度變化的土基設(shè)計(jì)參數(shù)取值修正系數(shù)，黏性土、砂性土取1.2，粉質(zhì)土取1.5；Bm為路基土黏稠度。因土體變形模量取值不固定，主要隨季節(jié)及環(huán)境變化而改變，所以在進(jìn)行路面設(shè)計(jì)時(shí)，必須根據(jù)季節(jié)變化進(jìn)行變形模量的修正和調(diào)整，以保證設(shè)計(jì)精度。
3路面材料性能設(shè)計(jì)
公路路面材料在荷載等作用下會(huì)不斷老化，老化及性能衰減的程度和速度與季節(jié)變化也有直接關(guān)系。在當(dāng)前已有的設(shè)計(jì)方法下，對材料性能的考慮都是基于材料的初始性能，但事實(shí)上，材料性能因時(shí)時(shí)刻刻受到環(huán)境因素的影響，所以始終處于變化過程中。美國AASHTO設(shè)計(jì)規(guī)范主要以現(xiàn)時(shí)服務(wù)能力指數(shù)（PSI）進(jìn)行路面使用性能衡量，當(dāng)PSI取值越接近0，表示道路路用性能越差，而當(dāng)PSI取值越接近5，表明路用性能越優(yōu)越。反觀國內(nèi)，主要采用路況指數(shù)PCI進(jìn)行瀝青路面性能動(dòng)態(tài)變化程度的反映，所構(gòu)建的通用路面性能方程式見式（2）：式中：PCI為路面破壞指數(shù)；PCI0為路面狀況指數(shù)初始值；y為使用年限數(shù)；A、B為模型參數(shù)。在行車荷載及季節(jié)變化因素的綜合作用下，路面使用性能會(huì)逐漸降低。路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以PCI為主要指標(biāo)，有助于在道路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與道路服務(wù)過程之間建立起直接聯(lián)系，并更加突出路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)目標(biāo)。路面結(jié)構(gòu)在車輛、環(huán)境等的綜合作用下，其力學(xué)模型、材料性質(zhì)及實(shí)際工作狀態(tài)均與靜態(tài)力學(xué)體系存在很大差距。結(jié)合現(xiàn)行規(guī)范，瀝青混合料抗壓回彈模量主要在20℃的環(huán)境溫度下通過圓柱體試件在無側(cè)限逐級加載卸荷作用下測得，若考慮加載卸荷速度，通過以上過程所測得的其實(shí)是材料的靜態(tài)模量值[3]。美國AASHTO設(shè)計(jì)規(guī)范主要通過重復(fù)性荷載間接拉伸試驗(yàn)進(jìn)行混合料動(dòng)態(tài)回彈模量檢測。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，動(dòng)態(tài)模量主要受荷載頻率、荷載量及溫度等的影響，10Hz的荷載頻率相當(dāng)于70m/h的行駛速度，且當(dāng)荷載頻率超出10Hz時(shí)，動(dòng)態(tài)模量增大趨勢減緩，且與靜態(tài)模量之比保持不變。所以，本公路主要選用荷載頻率10Hz、荷載量0.8MPa、環(huán)境溫度20℃的動(dòng)態(tài)模量。包括本公路在內(nèi)的我國高等級公路廣泛應(yīng)用半剛性基層材料，國內(nèi)不少學(xué)者也依據(jù)美國AASHTO設(shè)計(jì)規(guī)范所給出的材料模量試驗(yàn)方法對我國半剛性基層材料模量和美國AASHTO設(shè)計(jì)規(guī)范推薦模量進(jìn)行比較。本公路瀝青混合料15℃時(shí)動(dòng)態(tài)模量和靜態(tài)模量比取1.5，半剛性基層材料動(dòng)態(tài)模量和靜態(tài)模量的取值詳見表1。
4軸載換算設(shè)計(jì)
當(dāng)前國內(nèi)瀝青路面設(shè)計(jì)主要以彎沉、拉應(yīng)力等為指標(biāo)，并根據(jù)彎沉等效及拉應(yīng)力原則進(jìn)行軸載換算，以體現(xiàn)不同軸載對路面結(jié)構(gòu)疲勞影響的程度。然而，路面結(jié)構(gòu)疲勞影響除了受軸載影響外，還受到季節(jié)性因素的影響，根據(jù)相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果，季節(jié)變化所引起的路面結(jié)構(gòu)疲勞損壞量的偏差可達(dá)10%～15%，容易使路面結(jié)構(gòu)過早發(fā)生疲勞損壞，降低路面使用壽命?？梢?，軸載換算過程中必須充分考慮季節(jié)變化對路面疲勞破壞的影響。參照美國AASHTO設(shè)計(jì)規(guī)范并結(jié)合本工程實(shí)際，應(yīng)在軸載換算中引入季節(jié)修正系數(shù)[4]，見式（3）：fi=C1C2β(P)iPS4×35（3）式中：fi為標(biāo)準(zhǔn)軸載換算系數(shù)；C1為軸載系數(shù)；C2為輪組系數(shù)；β為季節(jié)修正系數(shù)；Pi為待換算軸載；PS為標(biāo)準(zhǔn)軸載，取100kN。季節(jié)修正系數(shù)β反映的是不同季節(jié)條件下車輛軸載對路面疲勞破壞的可能影響，這一概念的提出進(jìn)一步完善了軸載換算理論，也使累計(jì)當(dāng)量軸次的量化過程及結(jié)果更具合理性。參照美國AASHTO設(shè)計(jì)規(guī)范，彎沉等效原則下季節(jié)修正系數(shù)β主要根據(jù)季節(jié)和土質(zhì)類型進(jìn)行取值：雨季粉質(zhì)土β取2.0～3.0，黏性土和砂性土取1.5～2.0；其余季節(jié)各種土質(zhì)類型均取1.0。
5設(shè)計(jì)結(jié)果
采用以上提到的設(shè)計(jì)原理，結(jié)合軸載換算季節(jié)修正系數(shù)、回彈模量及材料動(dòng)態(tài)模量值，并使用HPDS瀝青路面設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行本瀝青路面設(shè)計(jì)，分別提出五種結(jié)構(gòu)形式，在這五種結(jié)構(gòu)形式下假設(shè)面層和基層厚度不變，而以底基層為設(shè)計(jì)層。結(jié)構(gòu)一：本瀝青路面原結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；結(jié)構(gòu)二：對瀝青路面原始交通軸載進(jìn)行季節(jié)修正，其余參數(shù)不變；結(jié)構(gòu)三：用有效土基回彈模量代替瀝青路面原始數(shù)據(jù)中最不利季節(jié)土基回彈模量，其余參數(shù)不變；結(jié)構(gòu)四：修正原始數(shù)據(jù)中材料靜態(tài)模量，采用動(dòng)態(tài)模量設(shè)計(jì)；結(jié)構(gòu)五：將原始數(shù)據(jù)中軸載換算進(jìn)行季節(jié)修正，并采用有效土基回彈模量和材料動(dòng)態(tài)參數(shù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。經(jīng)過軸載換算季節(jié)修正后，結(jié)構(gòu)二底基層設(shè)計(jì)厚度為18.0cm，結(jié)構(gòu)四底基層設(shè)計(jì)厚度19.0cm，比原結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)下底基層厚度分別大1.0cm和2.0cm；等效土基會(huì)談模量設(shè)計(jì)后，結(jié)構(gòu)三底基層厚度比原結(jié)構(gòu)底基層厚度小2.0cm。充分說明，上述因素均對瀝青路面底基層設(shè)計(jì)厚度存在一定程度的影響，如果在路面設(shè)計(jì)過程中只考慮一種因素，必然會(huì)影響路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性；結(jié)構(gòu)五綜合考慮到各種因素，既能保證設(shè)計(jì)方案的合理性，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)又能滿足瀝青路面性能要求，故本工程采用結(jié)構(gòu)五的瀝青路面設(shè)計(jì)。
6結(jié)語
綜上所述，現(xiàn)行瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范并未充分考慮季節(jié)變化對路基路面力學(xué)性能的實(shí)際影響，導(dǎo)致設(shè)計(jì)結(jié)果存在一定偏差。為反映瀝青路面在季節(jié)因素影響下實(shí)際的受力狀況，體現(xiàn)軸載換算的季節(jié)差異，必須分季節(jié)進(jìn)行路面設(shè)計(jì)。本文所提出的設(shè)計(jì)思路僅對現(xiàn)行規(guī)范進(jìn)行了局部性調(diào)整，所提出的瀝青路面軸載換算、季節(jié)修正、材料力學(xué)性能強(qiáng)度指標(biāo)等仍有待進(jìn)一步實(shí)踐檢驗(yàn)和完善。
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作者:曾濤 張守林 單位:江西省公路科研設(shè)計(jì)院有限公司