冷再生基层沥青路面疲劳设计指标和设计标准研究

范 佳

(湖南省交通科学研究院,湖南 长沙 410015)

冷再生基层沥青路面疲劳设计指标和设计标准研究

范 佳

(湖南省交通科学研究院,湖南 长沙 410015)

以现有理论为依据进行试验并获得结果，从中分析出冷再生基层沥青路面疲劳性能影响的主要因素即各结构层模量及厚度。通过分析得出了冷再生基层沥青路面的面层与基层疲劳设计标准，在设计中引入路表弯沉作为参考标准进行面层设计，引入容许拉应力作为参考标准进行基层设计；结果表明若材料参数、环境参数及荷载参数在规定的合理范围内，路表弯沉及层底拉应力指标作为冷再生基层沥青路面的设计指标，其抗疲劳性能设计可以达到施工要求，满足冷再生基层设计目标。

沥青路面;结构层；冷再生基层；抗疲劳性能；结构层模量；厚度

0 引言

在倡导能源节约型、环境友好型社会的今天，公路维修建设也更加注重对环境的保护及旧路资源的回收利用。沥青路面的冷再生技术就是节约资源、保护环境的重要例证，该技术在公路维修过程中得到广泛应用。在实际应用中沥青路面基层冷基层再生技术的缺陷也较为突出，主要体现在使用寿命方面相对较短，这将明显较半刚性基层路面呈现劣势。随着经济发展，交通成为生产生活中必不可少部分，这对公路提出更高要求，随着车辆增多及单位负载量变化其与常规半刚性路面的差异性就越明显。所以对沥青冷再生基层路面在交通量大、重荷载负担环境下的疲劳性能研究是非常必要的。对其抗疲劳性进行科学合理研究是此技术在路面维修使用的前提，同时这也是沥青路面维修及养护的重点和难点，是一个非常有理论价值和应用价值的议题。

1 路面结构参数变化对冷再生基层 疲劳性能的影响

《公路沥青路面设计规范》是目前我国公路设计重要参考，由其可知，弹性层状体系理论是沥青路面设计的基础性理论方法，此方法的原理是以车辆的荷载量和交通量的反复作用为基础，观察路面材料的疲劳受损情况，从而对公路使用年限做出预测。沥青路面的使用性能在很大程度上受到沥青路面结构层模量和厚度的影响，沥青路面设计的重要对比参数是结构层模量和厚度。路面结构内部的弯拉应力及弯沉状况都与结构层模量和厚度有直接的影响。通过上述各影响因素的变化情况的研究，可充分明晰沥青路面设计的取值方法和范围，为路面实际设计提供数据支持和技术参考。

1.1 结构层模量对疲劳性能的影响

1.1.1 面层模量的影响

表1的数据可知沥青路面结构由土基、路基垫层、残留层、冷再生基层和沥青面层5个重要部分组成。各部分的模量和厚度，结构组成和计算参数见表1所示。

计算结果如图1a所示，结合基层底面拉应力计算结果，计算出面层模量和疲劳作用次数的关系，见图1b所示。

图1a显示，沥青面层模量与冷再生基层层底拉应力在一般情况下成反比。而面层材料模量值处于1 600 MPa的情况下，层底拉应力的降速加快趋势明显，层底的最大降幅可达到25%以上；由图1b可知，面层模量与冷再生基层材料的疲劳作用次数成正比，面层模量增大，冷再生基层材料疲劳作用次数也随之增加。特别是在面层模量值大于1 600 MPa的环境条件下，基层材料的疲劳作用次数骤增，最高增幅可达到320%左右。实践证明，冷再生基层在面层模量增加的状况下，面层底面在逐渐实现由压应力向拉应力的过渡。在模量超过1 600 MPa的情况下，模量增加对减轻路表车辙压力方面并不起显著作用，相反，路面抗疲劳性能却在持续下降。由此可见，在达到基本承载力要求的提前下，可以通过降低模量值的方式提高路面的抗疲劳性能，路面的模量值在1 600 MPa是最合理的。

表1 结构层与计算参数取值

图1 面层模量和层底拉应力及疲劳作用次数的关系

1.1.2 基层模量的影响

路面应力结构的改善得益于基层强度和模量的提高，但在其改善的同时也不能忽视其存在的问题。在其他参数保持不变的情况下(其它参数值见表2)，如果将模量的取值定为3 000、3 200、3 400、3 600、3 800 MPa的情况下，冷再生基层底层拉应力计算结果如图2a，通过进一步分析得出面层模量与疲劳作用次数关系图(图2b)。

表2 路面结构形式及计算参数取值

图2 基层模量和层底拉应力及疲劳作用次数的关系

由图2a可知，基层模量增加会带动冷再生基层基底拉应力增大，增加趋势为线性增加。拉应力的最大增幅可超过20.9%。由图2b可知，在不同保证率状况下，基层模量增加，基层材料的抗疲劳能力也随之降低。当保证率在95%的状况下，材料的疲劳作用次数降幅可达到268%，保证率在50%的情况下，降幅为238%。分析可知，基层模量增大，基层层底拉力就会随之增大，从而造成沥青路面抗疲劳的能力下降，沥青路面早损情况严重，路面寿命缩短。由此可见，计算沥青路面冷再生基层底面拉应力模量值应取为3 000～3 400 MPa，计算沥青路面冷再生基层弯沉时模量应为1 000～1 400 MPa。在沥青路面冷再生技术利用的过程中必须将材料的稳定性作为重要的考量因素，不能忽视实际情况一味增加模量。模量的选择以适中为宜。

1.1.3 残留层模量的影响

选用不同残留模量而其它参数保持不变,分别采用200、400、600、800、1 000、1 200 MPa进行计算,其余参数如表2，获得冷再生基层底拉应力及其变化规律与残留模量关系情况，所得数值用图3a形式进行表述,利用该结果再次进行计算，最终确定残留层模量与疲劳作用次数相关，关联性应用如图3b表示，具体如下：

图3 残留层模量和层底拉应力及疲劳作用次数的关系

由图3a所示，残留层模量变化直接影响冷再生基层层底拉应力，二者呈现负相关。增加残留层模量，层底拉应力下降幅度最高可达44.1%。图3b结果显示残留模量与冷再生层材料疲劳情况呈现正相关，在不同保证率下增加残留层模量引起冷再生基层材料疲劳作用次数显示不均匀增加，50%时增速较快，明显超过95%时增速。不同保证率下疲劳作用次数增幅也不呈均一性，50%时增幅为942%，而95%时则可达到1 126%。如果保证材料能更有效抗疲劳可考虑采用较高残留层模量，此时冷再生沥青对缓解路面弯沉优势更加明显，根据以上数据选择超过600 MPa最为适宜。

1.1.4 土基模量的影响

去除其它参数影响而采用不同土基模量计算对冷再生基层层底拉应力作用，分别应用30、40、50、60、70、80 MPa，其余参数如表2中所示，对层底拉应力进行计算并用图4a表示。根据结果获得土基模量变化与疲劳作用次数具有相关性，具体见图4b。

图4 土基模量和层底拉应力及疲劳作用次数的关系

图4a结果显示土基模量变化与冷再生基层底拉应力呈现负相关，增加土基模量可以不均匀降低层底拉应力，幅度变化最高15%。图4b结果显示土基模量增加与冷再生基层材料疲劳次数呈正相关，在不同保证率下增速不同，在50%时明显超过95%时情况，同时增幅变化也逐渐增高，由50%时的145%增加到95%时的161%。由此得出结论，如果要使路面性能提高应该采用较高土基模量，但由于涉及成本问题，故性价比较好的选择建议在40～80 MPa之间。

1.2 结构层厚度对疲劳性能的影响

1.2.1 面层厚度对疲劳性能的影响

计算不同面层厚度对冷再生基层层底拉应力影响，在其它参数不变前提下选择面层厚度范围为4～10 cm，其余参数参考表2，计算结果由图5a表示。再根据这一结果确定改变面层厚度与冷再生基层疲劳作用次数变化相关性，由图5b表示。

根据图5a结果显示面层厚度与基层底面拉应力呈现负相关，增加面层厚度可减少拉应力，但速率变化不均匀，出现逐渐降低趋势。图5b显示冷再生基层材料疲劳性能提高可通过增加面层厚度达到，二者显现正相关，随着厚度增加抗疲劳增长速度加快。沥青面层厚度对层底拉力影响确切，厚度越小其影响力越大。路面抗疲劳性受多种因素影响，面层模量提高仅为其中一种。对于增加二级公路冷再生基层沥青路面抗疲劳程度以6～10 cm面层厚度为宜。

图5 面层厚度和层底拉应力及疲劳作用次数的关系

1.2.2 基层厚度对疲劳性能的影响

在其它参数维持不变情况下(参数取值如表2)，选择10～50 cm的基层厚度，并对基层底面的压力展开计算，图6a为所得结果。在具备基层底面拉应力计算结果的条件下，计算得出基层厚度与疲劳作用次数之间的关系如图6b。

图6 基层厚度和层底拉应力及疲劳作用次数的关系

通过图6a能够得出，在基层厚度不断增加的情况下基层底面拉应力开始不断减小。基层厚度发生变化时引起冷再生基层底面拉应力值变化并不均匀,随着基层厚度的增加，基层底面拉应力减小的速率越来越慢。通过图6b能够得出，基层厚度与冷再生基层底面疲劳性呈现正相关,但变化速率却不均匀,厚度增加时虽然可以使基层底面疲劳性有所好转,但是这种变化速度会变得越来越小。由此得出基层材料厚度与本身疲劳性相关性较大,呈现正相关关系,当厚度增加时抗疲劳性明显提升，而对于厚度超过30 cm的冷再生基层来说，其疲劳寿命的增加率也会出现明显的提升。工程施工过程中，选择30～50 cm厚度的冷再生基层最为适宜。

1.2.3 残留层厚对疲劳性能的影响

在其它参数维持不变情况下(参数取值如表2)，选择5，10,15,20,25和30 cm这6种类型的残留层厚度来对冷再生基层的底层拉应力展开计算，并通过其计算结果来展开残留层厚度与冷再生基层疲劳作用次数之间关系的计算，结果如图7所示。

图7 残留层厚度和层底拉应力及疲劳作用次数的关系

通过图7a能够得出，沥青路面的冷再生基层底面拉应力受残留层厚度的影响非常大，在残留层厚度增大的情况下，不同残留层模量下的冷再生基层底面拉应力均出现了较大程度降低变化，并且厚度不断增加而拉应力减小的速率在不断的变小。由图7b能够得出，并且残留层厚度与材料疲劳性有关,二者呈现正相关,残留层厚度越大其产生疲劳作用的次数也就越增加。并且残留层模量同样也与疲劳作用次数增加速率呈现正相关,在残留层模量增加幅度越来越大时,增速也会逐渐增大。因而，想要增大路面的整体强度与使用寿命，阻止基层裂缝的进一步扩张，可以采取增大残留层厚度的办法，依照上述分析，选择不小于15 cm的残留层厚度最为适宜。

结合以上论述，在设计冷再生路面结构之时，需要结合相关理论与计算得出路面各个结构层的厚度、模量等相关参数，发挥其在防范路面开裂、增加路面使用寿命等方面的作用非常关键。可以说要想实现提升路面结构性能的目标，就需要使得各结构层具备适宜的厚度并使其模量都能处于相对合理的范围里。

2 冷再生基层沥青路面设计指标建 议

1)当前新型的路面结构不断涌现，而无机结合料冷再生基层沥青路面就属于其中之一，其在设计方面变化不大，依旧选择了结构层的开裂与永久变形进行控制这一传统沥青路面的设计方法。通常情况下，路面结构设计方法能够被划分成3种类型，第一就是以美国为代表所普遍采用的把PSI指数当作设计指标的AASHTO的设计方法；第二就是欧洲国家为代表所普遍采用的设计方法，该方法把结构层底拉应变(应力)、土基顶面压应变以及路表车辙为参考指标；第3种设计方法主要应用于我国，在设计中更注重路面各结构底面拉应力变化情况，另外路表弯沉情况也属于设计参考范围，是将二者当作设计指标的设计方法。

2)在选择沥青路面结构设计指标之时，通常情况需要依照设计指标应用的便利程度、以及路面结构使用过程中的内部应力、应变状态而确定，针对于疲劳试验情况，看符合哪一种荷载模式工作状态，从而决定设计指标。

3)国内与国际上的众多研究人员针对路面结构设计的指标展开了非常多的研究与探讨，取得了非常多的成果。依照PSI与路面情况构建了路基顶面容许竖向压应变与车辆荷载的标准轴载作用次数关系，具体如式(1)：

εZ=aNb

(1)

式中εZ为路基顶面容许竖向压应变；N为标准轴载作用次数；a，b为回归系数经验值。

一般而言，相对基层与路基的实际厚度而言，沥青面的厚度明显要薄，因而路面结构永久变形主要受路基与基层变形的影响，上述公式是在假设路基变形造成路面结构的永久变形得出的。应当在设计方法不同的情况下需要依照实际的经验来选择正确的回归系数a,b。

4)沥青层面划分可以引入分层应变综合辅助完成，从而获得数个薄层，沥青混合料的蠕变模量需要通过试验获得，此处可通过无侧限单轴静载蠕变试验完成，最终获得永久变形量，结果通过式(2)表示出来：

(2)

5)1978年之后，在我国开始将路表弯沉作为参考指标引入到路面设计当中，在沥青路面设计规范中成为设计指标，并且多次的调整、优化的情况下，弯沉标准依然被当作设计指标沿用至今。选择路表弯沉当作设计指标能够有效地表现出路面各结构层与土基的整体强度与刚度，并且测试的方式复杂程度不高，虽然对于沥青路面来说这一指标难以使得主要的破坏模式一一对应，但是选择路表弯沉值当作主要设计指标展开路面设计对于交通量不大、等级不高的路面来说依然非常适用，而对于高等级路面来说此指标难以满足主要设计指标的要求。在全世界的范围内来看，各个国家与地区对于拉应力指标和拉应变指标的选择标准也存在一定差异。对于欧美等经济相对发达的国家来说，其大部分道路都属于柔性基层沥青路面，因而选择拉应变当作疲劳分析指标更为适用，并且为了测试起来更为简单，对于路面性能的评价更为准确，通常都是选择沥青层拉应变当作沥青路面设计指标。

6)基于我国的实际情况可以得知，当前路面基层普遍都属于半刚性基层结构形式，因而选择底层拉应力当作主要指标来对疲劳开裂展开控制。可以说，把底层拉应力当作控制指标在进行计算之时复杂性低，力学特征相对明确，所以其能够始终在设计规范中使用。本文选取的冷再生基层沥青路面的设计指标为底层拉应力，路标弯沉为本研究中所应用的验算指标。

3 冷再生基层沥青路面疲劳设计标准建议

3.1 面层设计标准

我国《公路沥青路面设计规范》里明确规定主要的设计指标应为底层拉应力与设计弯沉，并且路面各结构层需要在厚度上满足基层抗疲劳开裂与整体刚度的实际施工需求。一般来说，压应力以及比较小的拉应力都属于冷再生基层路面的面层底面应力的主要表现形式，无论应用什么材料都必须要满足施工要求，面层底面应力需要符合路面需求，即容许应力要达到合理范围。因此本文选择了冷再生基层沥青路面面层的设计标准为路表弯沉，路表计算弯沉值ls需要不大于设计弯沉值ld，具体的设计完成公式选择式(3)：

ls≤ld

(3)

表征路面结构整体刚度指标就是路表设计弯沉值，具体需要依照不同等级公路相关标准进行计算，面层与基层类别同样作为参考指标。在设计公路年限中累计标准当量轴次在计算中也需要充分考虑，围绕上述这些指标计算并得出具体的数值。

3.2 基层设计标准

无机结合料冷再生基层材料本身具有半刚性，这同样是该材料特征之一。依照我国在路表设计指标应用方面的普遍方式，所选的冷再生基层设计指标依然为拉应力指标，并且选择的沥青路面冷再生基层的设计标准为容许拉应力。把底层拉应力当作设计指标计算沥青路面无机结合料冷再生基层与底基层材料的容许拉应力σR之时，具体公式为式(4)：

(4)

4 结论

本文利用结构模量与厚度来探析疲劳性能产生的影响，得出了冷再生基层路面实际的疲劳设计指标与设计标准，主要结论有：

1)冷再生基层的疲劳性能受路表结构参数的影响相当大，材料模量与结构层厚度与疲劳性密切相关，成为试验中最常用参数。

2)冷再生基层疲劳性能受多种原因影响，其中路面各结构层材料模量是重要因素，当模量发生变化时基层疲劳性能也会出现变化，二者呈现正相关，但变化程度不尽相同。若是各结构层模量增加基层材料疲劳性能会体现出不同变化，有可能会随之显著提升，但是当基层模量增加情况持续进行，就有可能在不同保证率下都表现出下降的态势，并且在保证率为50%情况下要比95%保证率情况下的降低速率大。当面层模量大于1 600MPa时，基层材料所表现出的疲劳作用次数出现明显的增多，最高增幅为319%。若是残留层与土基模量持续增大，冷再生基层材料的疲劳作用次数在不同保证率下不断增多，并且在保证率为50%情况下要比95%保证率情况下的增大速率大。

3)合理地增大路面各结构层的厚度能够使得冷再生基层的疲劳性能得到有效的提升。在路面各结构层厚度增加的情况下，特别是路面基层厚度增加的情况下，路面基层开裂的概率显著降低，并且还能够抑制裂缝的进一步扩张，从而使路面整体强度得到增强，使用寿命大大提升。

4)通过分析国内外沥青路面的设计指标，选择的冷再生基层沥青路面设计指标为路表弯沉与底层拉应力。

5)本文以冷再生基层沥青路面作为研究对象，主要针对面层与基层，通过实验研究得出疲劳设计标准，在沥青面层设计当中将路表弯沉作为标准，在冷再生基层设计当中，则引入容许拉应力作为标准。

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