基于有效厚度模型的半刚性沥青路面加铺层设计

丁加俊

(永升建设集团有限公司，新疆 克拉玛依 834000)

基于有效厚度模型的半刚性沥青路面加铺层设计

丁加俊

(永升建设集团有限公司，新疆 克拉玛依 834000)

文章以我国西部的一条高速公路沥青路面为研究对象，在传统的路面评价指标体系的基础上，对其使用过程中的相关数据进行采集，并综合AASHTO中提到的道路加铺层方法和同济大学提出的PCI衰减方程，建立了以有效厚度模型为基础的沥青路面加铺层模型，重点分析了半刚性夹层不同模量下沥青加铺层表面弯沉变化规律，为半刚性沥青路面加铺层设计提供借鉴。

半刚性；基层沥青；有效厚度模型；沥青路面加铺层；弯沉；性能评价

0 引言

半刚性基层沥青路面自20世纪70年代末、80年代初在我国应用以来，至今已有30多年的时间。据报道，国内外的高等级公路沥青路面基层和底基层采用半刚性材料，半刚性基层沥青路面已经成为高等级公路沥青路面的主要结构类型。公路路面的修建自然就伴随着它的性能评价。本文以我国西部的一条高速公路沥青路面为对象，在传统路面评价指标体系的基础上，对半刚性基层路面的加铺层设计进行了研究。

1 半刚性沥青路面性能评价

根据沥青路面的现实情况，在对其性能评价时，将平整度指标中的车辙单独列出，从而形成了四个指标，即路面损坏、路面平整度、路面车辙、路面抗滑性能。在进行路面性能评价时，一般是将四个指标组合在一起考虑，这四个指标组成的性能指数如图1所示。

图1 沥青路面的性能指数图

PQI指数的计算公式如式(1)所示。

PQI=ωPCIPCI+ωRQIRQI+ωRDIRDI+ωSRISRI

(1)

式中：ωPCI、ωRQI、ωRDI、ωSRI——PCI、RQI、RDI和SRI在PQI中所占的权重，ωPCI、ωRQI、ωRDI、ωSRI的取值如表1所示。

表1 PQI中各指标的权重值表

2 路面加铺层方法及分析

2.1 路面加铺层结构性方法

沥青路面在建成以后，伴随着多种因素的叠加其性能会受到损坏。当损坏程度达到某一水平时，就需要对其进行维修，比如对其进行加铺。最常用的加铺方法为结构性方法，其又分为三类：有效厚度法、弯沉法和力学-经验法。三类方法的特点见表2。

表2 三类方法的特点表

2.2 路面加铺层设计方法

在国内，路面的加铺方法和国外不同之处在于：运用弹性层状体系理论确定下卧层模量时有一定的区别。力学-经验法是经常用到的设计方法。此方法的一般过程：首先测定所选择路面的弯沉，评价原始路面的承载能力，然后将路面的弯沉值转化成当量回弹模量，最后将所有得到的数值代入计算式，并将新路面的加铺层结构设计出来。

计算公式为：

(2)

式中：L0——计算弯沉值；

Za——保证率系数；

S——实测弯沉的标准差；

K1——季节影响系数；

K2——湿度影响系数；

K3——温度修正系数。

(3)

式中：lrr——回弹弯沉值；

p——标准轴载的轮胎接地压强；

a——单轮接触面半径；

m1——俗称轮板比；

m2——回弹模量扩大系数。

在实际沥青路面的修建和使用过程中，对所采用的加铺层设计方法进行验证并发现，我国所采用地加铺层的设计方法在使用时有不少缺陷。所以，应该参考国外的设计方法，在我国现实情况的基础上提出一种新的设计方法，这将会对今后我国的路面加铺层设计有一定的指导性。

2.3 设计方法分析

路面的加铺过程中要充分考虑多种因素的影响，对其设计时，首先要考虑结构厚度，设计依据的指标是路表回弹弯沉，验算指标是半刚性基层抗弯应力，厚度计算将运用双圆均布荷载作用下的弹性层状理论体系。每个国家和地区在对路面加铺设计时都要根据具体的情况选用不同的方法，我国仅仅将原始路面的弯沉作为相应的指标，但当弯沉值相对较小时，再依据现有的方法加铺设计就会适得其反，不能用来指导那些路面损坏比较严重的加铺设计。

近年来，国内外都在研究适合自己地区发展的路面加铺层设计方法，其总体趋势是：按照相关的力学理论，得到相关的结构层应力、弯沉等力学数值，并按照通用的疲劳力学强度理论，创建结构层疲劳寿命和结构参数间的关系，最后运用众多的实测数据对其校正。

3 以有效厚度模型为基础的加铺层设计

3.1 设计理论

有效厚度模型的基本思想是：已建好的路面使用一段时间后，由于多种原因的共同作用，使得路面受到一定程度的损坏，整个路面中真正起作用的厚度变薄了，即有效厚度变薄了。AASHTO中的加铺层设计方法同样以这一基本思想为基础，称之为剩余寿命。以有效厚度模型作为基础得到了加铺层公式，见式(1)。

(1)

式中：SNOL——加铺层结构数；

aOL——所用材料的结构系数；

SNy——加铺层结构数实际值；

FRL——剩余寿命系数；

SNxeff——原始路面的结构数。

3.2 有效厚度模型的建立

以AASHTO的路面设计方法、同济大学提出的方法为基础，得到有效厚度和当量回弹模量的关系，见式(2)。

(2)

式中：α1、α2——修正系数；

heff1——有效厚度；

heff2——PCI法计算出来的有效厚度。

3.3 以当量有效厚度为基础的加铺层设计

加铺层厚度的设计具有一定顺序，首先要按照PCI法计算出原始路面的当量有效厚度，然后依据基本参数按照公式计算出新路面的厚度，最后能够得出路面加铺层厚度的计算式，见式(3)。

H=hnew-heff

(3)

式中：hnew——新路面的厚度，cm；

heff——当量路面的有效厚度，cm。

3.4 工程案例分析

将我国西部已经修建好的某条高速公路作为研究实例。起初设计的原始路面厚度为8cm，由于其实际变化较大，在H1的计算过程中，应按照公式(4)计算。

H1=h-t(n-1)0.01S*n

(4)

式中：h——所选路面的平均厚度；

t(n-1)0.01——自由度为n-1的t分布关于 0.01的上侧分位数；

S*——子样方差；

n——样本个数。

根据已知数据，通过式(4)可以计算出原始沥青面层的代表厚度为9.639cm。

依据长期采集的实际数据，按照不同方法的公式得到不同的加铺厚度，如表3所示。

表3 不同设计方法得到的加铺厚度值表

通过表3中数据可以看出，笔者所采用方法得到的路面加铺层厚度与经AI法计算得到的厚度值相似，而且也符合规范要求。而由当回弹模量法和PCI法计算得到的数值可以看出，这两种方法不适合此高速公路路面的养护。对原始路面进行取样观察发现，路面样品中上层与下层的上半部分都受到了严重的损坏，而样品下层的下半部分相对来说较好，由此判断原始路面的有效厚度主要分布在路面下层的下半部分。而本节所提到的加铺层设计方法是以统计方法为基础构建的，如果将其运用在现实路面加铺设计中必须进行考察研究。

3.5 加铺层表面弯沉变化规律

铺装沥青层的路面具有半刚性夹层特性。根据不同模量值的夹层，测量路面结构的路表弯沉数据，如表4所示。

表4 不同模量下加铺层弯沉计算值表

半刚性夹层的表面弯沉值随着刚性模量值增大有减小的趋势，并且斜率是逐渐变小，在10 000MPa前变化比较明显，速率较大。模量值的增加，弯沉值逐渐稳定。说明刚性夹层模量值较大时，对路表弯沉影响较小。弯沉主要是加铺的沥青层负载较大引起的，但不能说明整个路面结构的形变，根据刚柔复合路面经常发生剪切破坏这一特性，应该把最大剪切力作为路面沥青铺层的设计指标。

4 结语

路面养护是路面性能评价的前提和基础。通过评价分析路面性能及其加铺层设计方法的研究，得到如下结论：

(1)通过分析沥青路面的加铺层设计方法和建立原始路面的有效厚度模型，并充分考虑了所加铺路面的有效厚度与当量回弹模量和路面状况指数的关系，在此基础上，通过计算得到沥青路面的加铺层厚度。

(2)以我国西部一条高速公路为例，依据实际检测数据，得到不同设计方法的加铺厚度。通过对比发现，本文所采用方法得到的路面加铺层厚度与经AI法计算得到的厚度值相似，符合规范要求。

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Design of Semi-rigid Asphalt Pavement Overlay Based on Effective Thickness Model

DING Jia-jun

(Yongsheng Construction Group Co.，Ltd.，Karamay，Xinjiang，834000)

With an expressway asphalt pavement in western China as the research object，and based on the traditional pavement evaluation index system，this article collected the relevant data during its use，and combined with the road overlay method mentioned in AASHTO and PCI attenuation equation proposed by Tongji University，it established the asphalt pavement overlay model based on effective thickness model，focusing on analyzing the asphalt overlay surface deflection variation rules of semi-rigid interlayer under different modulus，thereby providing the reference for the design of semi-rigid asphalt pavement overlay.

Semi-rigid；Base asphalt；Effective thickness model；Asphalt pavement overlay；Deflection；Performance evaluation

丁加俊(1980—)，工程师，研究方向：公路工程。

U416.217

A

10.13282/j.cnki.wccst.2016.12.002

1673-4874(2016)12-0007-04

2016-10-28