基于组合式基层的重载交通沥青路面结构优化研究＊

贺治增

（唐山市交通运输局 唐山 063000）

随着车辆荷载的不断增加，很多沥青路面往往达不到甚至远低于设计寿命就出现了损坏，需要进行大规模的养护维修或者重建。据统计，我国高等级公路沥青路面的设计年限一般为15年，但实际使用寿命只有6～8年［1］，若有重载交通作用甚至更短。究其原因，除重载之外，路面结构设计的不合理也是重要原因。目前我国高等级公路路面结构多采用半刚性结构［2］，该结构在重载交通作用下易产生开裂，使路面出现反射裂缝，进而引发路面结构性破坏，降低路面的服务水平和使用寿命。

近些年，重载交通问题逐渐成为国内外道路研究的热点，为了满足重载交通的需要，很多国家、地区和独立研究机构对沥青路面设计理论、设计方法和结构组合模式进行了探讨［3］。法国大型环道试验进行不同轴载作用下的车辙研究，并给出回归公式。英国 Nunn等［4－5］学者在1997年发现在沥青面层层底存在一个极限弯拉应变水平，当层底应变处于这个水平以下时疲劳损坏就不会发生。国外主要基于全厚式柔性路面进行重载路面设计，而在我国长期占主导的路面结构形式是半刚性路面，推广柔性路面尚有难度。国内专业人士分析了组合式基层路面结构在我国的适用性，基于组合式基层的柔化基层是一种可行的方法。文献［6］对比了柔性基层与半刚性基层沥青路面破坏机理存在的明显差异，文献［7］探讨了柔性基层与底基层的应用。

总的说来，国内对重载交通路面的优化设计理念还处于初级阶段，还存在不少问题没有解决，比如忽略工程所在地的实际情况以及缺乏对经济因素的考虑。鉴于此，本文以滦海公路为依托工程，采用理论分析与试验路相结合的方式，开展基于组合式基层的路面结构优化研究，通过探讨基层结构参数对设计指标的影响规律，提出合理的路面结构优化方法，使之满足重载交通的需要。

1 设计指标和计算参数

1.1 基本假定

（1）体系是由作用在半无限基础或者半空间上均匀厚度水平层组成。

（2）在水平方向上各层可以无限延伸。

（3）各层均为均质材料和同方向性。

（4）材料均为弹性，其应力应变关系是线性的［8］。

1.2 设计指标

沥青层层底在荷载的作用下，一般处于弯拉状态，为控制沥青层层底不出现由于拉应变较大而产生开裂，故在沥青路面设计中，采用沥青层层底拉应变这个指标进行控制。

路面结构在荷载的作用下，会在层底产生应力，路面材料在层底水平力的反复作用下，会慢慢地疲劳，当材料的水平应变大于允许水平应变值时，材料发生疲劳破坏从而产生裂缝，进而导致病害，因此半刚性基层层底拉应力亦作为一个控制指标。

1.3 计算参数

参考国内外组合式基层沥青路面结构，以及滦海公路的实际情况，拟定典型结构，见表1。

表1 组合式基层沥青路面拟定优化结构参数

本文采用弹性层状体系理论进行计算，层间采用完全连续接触。荷载为双圆均布荷载，按标准轴载l00 k N，以及超载30%，50%和80%分别进行计算，计算见图1。其中沥青层底拉应变的计算点为单圆荷载中心（1点），基层层底拉应力的计算点为双圆轮载中心（6点）［9］。

图1 力学计算图示

2 结构数值分析

2.1 正交试验

正交试验是利用正交表来安排与分析多因素试验的一种设计方法，是从试验因素的全部水平组合中，挑选部分有代表性的水平组合进行试验的，通过对这部分试验结果的分析得到全面试验的情况，找出最优的水平组合。

对于上节给出的路面结构变量（模量、厚度）采用位级L9（34）设计正交表格，并运用ANSYS有限元分析计算得出设计目标值，从而得到表2。

表2 组合式基层沥青面层结构正交试验表

对结果进行直观分析，本文采用极差分析法，分析过程见表3。

表3 结果分析表

通过数据分析得出：

沥青路面基层各因素对沥青底面应变影响的大小依次为：级配碎石模量＞级配碎石厚度＞水泥稳定碎石厚度＞水泥稳定碎石模量，影响最显著的因素是级配碎石模量，水泥稳定碎石模量影响相对较小。

沥青路面基层各因素对半刚性层底拉应力的影响大小依次为：水泥稳定碎石模量＞水泥稳定厚度＞级配碎石厚度＞级配碎石模量，影响较显著的因素是水泥稳定碎石模量，其他因素的影响相对较小。

2.2 重载力学响应分析

为了与我国现行公路超载现象严重的现状相匹配，本文在进行基层适应性分析时特别考虑重载的影响，利用ANSYS软件计算了轴载为100，130，150以及180 k N时基层的力学响应。沥青层底拉应变是指沥青面层结构层底的拉应变，计算点位取单圆荷载中心，应力为半刚性基层层底的拉应力。根据上节分析结果，选取级配碎石模量和厚度、水泥稳定碎石模量和厚度分别为300 MPa，18 c m，1 400 MPa，36 c m为代表结构，ANSYS分析结果见表4，力学响应指标随轴载变化趋势见图2、图3。

表4 不同轴载下各考核指标的计算结果

图2 不同轴载下沥青层层底应变变化图

图3 不同轴载下基层层底拉应力变化图

由图2，3可见，重载交通对路面的影响是显著的，并随着轴载的增加成线性上升趋势，我国沥青路面设计规范采用的标准轴重为100 k N，调查表明，高速公路采用计重收费后，超载30%对于运输者是最经济的［10］，故在130 k N的情况下，沥青层层底拉应变和半刚性基层层底拉应力均满足容许要求 ，可认为该结构满足重载交通要求。

3 优化结构组合实体工程评价

为了验证理论分析的效果，本研究在河北省唐山市滦南县滦海公路某处铺筑了500 m试验路，该道路是一条疏港公路，主要服务于铁矿石运输，因此交通量大，超载严重，预测15年以后设计年限内1个车道的累计当量轴次会达到2 801.464万次，属特重交通等级。铺筑完成之初，用贝克曼弯沉仪进行了弯沉检测，并由唐山市交通局质监站进行了取心测试，结果均达到要求，经过一年的使用，试验路段未出现损坏，路面使用性能良好。

从使用周期费用的角度来看，目前华北地区常用的高等级公路路面基层结构大多使用4%水泥稳定碎石半刚性基层，单位体积的价格约为340元／m2，而组合式基层结构中使用的优质级配碎石造价为220元／m2，在建设阶段仅材料费用就可节省1 200万元，在设计使用年限同样为15年的前提下，半刚性基层沥青路面要经过至少一次大修，而经过级配碎石优化的组合基层沥青路面仅需进行日常保养和3～4次小型维护。综上所述，就建设费用和养护费用而言，组合式基层路面的费用都低于普通高等级路面结构的费用，因此可以认为组合式基层路面的全寿命周期费用远低于普通路面结构，并且减小了由于道路重修造成的间接损失，具有显著的经济优越性。

4 结论

（1）级配碎石模量对沥青层层底拉应变影响最大，对半刚性基层层底拉应力影响相对较小，因此在选择级配碎石模量时，应主要考虑对沥青层层底拉应变的影响，选择偏小值。

（2）水泥稳定碎石模量对半刚性基层层底拉应力影响最大，对沥青层层底拉应力影响相对较小，因此在选择级配碎石模量时，应主要考虑对半刚性基层层底拉应力的影响。

（3）重载交通条件下，各考核指标随着轴载的增加而增加，且大致呈线性变化。

［1］ 田建文，钱 璞，崔 娥.高速公路长寿命沥青路面结构研究［J］.交通标准化，2012（12）：118-120.

［2］ 高 昌.组合式基层沥青路面设计指标与设计标准［J］.中国市政工程，2009（12）：8-9.

［3］ 唐培培.重交通高等级公路沥青面层合理厚度研究［D］.西安：长安大学，2008.

［4］ NUNN，M E，BROWN S，WWSTON D，et al.Design of long-life flexible pavements for heavy traffic，Report No.250［J］.Transportation Research Laboratory Berkshire，United Kingdom，1997：6-14.

［5］ NUNN M，FERNE B W，Design and assessment of long-life flexible pavements［J］.Transportation Research Circular（503），2001：32-49.

［6］ 伍祥松.重载交通下不同基层沥青路面结构应力分析［J］.公路交通技术，2012（2）：19-22.

［7］ 谷志军.级配碎石柔性底基层在邱柳线改建工程中的应用［J］.交通科技，2013（5）：81-82.

［8］ JTG D50－2006公路沥青路面设计规范［S］.北京：人民交通出版社，2006.

［9］ 平树江.基于复合式基层的耐久性沥青路面结构研究［D］.西安：长安大学，2009.

［10］ 尹相勇，王义祥，贾顺平.基于运输者风险偏好的治理超载超限策略研究［J］.物流技术，2008（4）：135-138.