耐久性沥青路面结构疲劳寿命对比分析*

李 浩 许新权 刘 锋

(公路交通安全与应急保障技术及装备交通运输行业研发中心1) 广州 510420)(广东华路交通科技有限公司2) 广州 510420)

耐久性沥青路面结构疲劳寿命对比分析*

李 浩1,2)许新权1,2)刘 锋1,2)

(公路交通安全与应急保障技术及装备交通运输行业研发中心1)广州 510420)(广东华路交通科技有限公司2)广州 510420)

以广东省云罗高速公路耐久性沥青路面试验路为依托，通过对比改进型半刚性基层、碾压混凝土基层和倒装式半刚性基层三种沥青路面结构层间连续下的力学响应，应用国内外沥青路面设计方法预估三种沥青路面结构的疲劳性能.理论计算结果和4年跟踪试验观测结果表明，改性型半刚性基层和碾压混凝土基层沥青路面车辙深度小，使用性能好，疲劳性能优.

道路工程；沥青路面；改进型半刚性基层；碾压混凝土基层；疲劳性能

0 引 言

为解决我国高速公路早期病害问题，以修筑更耐久、使用性能更优的高速公路.沙庆林[1]提出了新水泥碎石基层沥青路面结构型式，并在内蒙古、广东省等地区铺筑了大量试验路，使用效果很好.福建省开展了倒装结构的研究与实际工程应用[2]，在省内多条高速取得了不错的应用效果.广东省开展了高速公路沥青路面新式碾压混凝土基层的研究与实际工程应用[3].

文中依托云罗高速公路耐久性试验路工程，对三种结构型式沥青路面进行力学计算，应用国内外设计方法对比分析其疲劳寿命，并结合多年跟踪观测结果，以探索适合于广东省的耐久性沥青路面结构型式.

1 计算模型及参数

1) 计算模型 采用文献[4]的双圆均布荷载，作用半径为10.65 cm，荷载圆中心间距31.95 cm，荷载0.707 MPa.路面结构力学响应计算采用BISAR3.0软件，假设层间完全连续.

2) 计算参数 云罗高速公路长寿命试验路项目共铺筑三种结构试验路，长度分别为951.5，1 037，969 m.其中，结构一基层为加强型半刚性基层;结构二为碾压混凝土(RCC)基层;结构三为倒装式半刚性基层.沥青材料、半刚性材料及级配碎石抗压回弹模量取值参照文献[5-6].三种路面结构及其设计参数见表1～3.

3)计算点位 在双圆均布荷载下，选取通过轮隙中心沿横断面Y方向的断面进行研究，并各选取30个点.计算点位选取见表4.

表1 结构一路面结构型式及设计参数

表2 结构二路面结构型式及设计参数

表3 结构三路面结构型式及设计参数

注：*强度为7 d无侧限抗压强度设计值;**级配碎石不计算拉应力、拉应变,但在结构计算时仍给该结构层赋予模量值.

表4 路面结构力学计算点位的Y坐标分布

2 力学响应分析

文献[7]以路表弯沉、沥青层底拉应力及基层底拉应力为设计指标；针对无机结合料稳定类基层沥青路面，以沥青层永久变形量、基层底拉应力为设计指标；国外以壳牌(SHELL)设计法为代表的柔性路面设计法以沥青层底拉应变、土基表面压应变为设计指标[8].

针对以上规范，分别提取其设计指标在路表或关键层底沿横断面方向的30个数值，借助origin软件绘制图像，见图1～3.

图1 三种结构路表弯沉

图2 三种结构沥青层底拉应变

图3 三种结构关键层底拉应力

3 计算结果对比分析

3.1 我国2006版规范

1) 路表弯沉 三种结构的路表弯沉见表5.

表5 三种结构路表弯沉 0.01 mm

2) 沥青层底拉应力 三种结构沥青层底拉应力见表6.

表6 三种结构沥青层底拉应力 MPa

3) 基层底拉应力 三种结构基层底及底基层底最大拉应力见表7.

表7 三种结构基层底拉应力 MPa

3.2 我国2017版规范

本节仅分析三种结构沥青层的永久变形量，文献[7]给出了沥青混合料永久变形量验算公式，将BISAR计算得到的各分层竖向压应力计算结果代入公式，得到永久变形量见表8.

表8 三种结构永久变形量对比表 mm

3.3 壳牌(SHELL)设计法

壳牌设计法设计指标为沥青层底弯拉应变和土基顶面压应变，沥青层底最大弯拉应变和土基顶面最大压应变计算结果见表9.

表9 三种结构拉压应变 ×10-6

4 疲劳寿命

4.1 按照我国规范验算

三种结构沥青层底均为压应力，此控制指标失效.按照文献[7]中关于弯沉值与疲劳寿命的关系：

(1)

按照文献[7]中关于基层底拉应力与疲劳寿命的关系为

(2)

(3)

(4)

(5)

式中：σR为路面结构材料层最大拉应力；σs为极限劈裂强度，三种结构中，半刚性基层材料劈裂强度σs取0.6 MPa，碾压混凝土基层材料劈裂强度σs取2.1 MPa[9]；Ks为抗拉强度结构系数；Ac为公路等级系数，文中Ac取值为1.0.各参数的物理意义参阅文献[7].基层底最大拉应力σR取值见表7.疲劳寿命计算结果见表10.

表10 三种结构疲劳寿命 次/车道

由表10可知，通过弯沉值反算得到的疲劳寿命显著大于通过基层底拉应力反算得到的疲劳寿命.按照文献[7]取最小值，三种结构的疲劳寿命大小顺序：结构一>结构二>结构三，且结构一和结构二疲劳寿命数量级大于结构三；按照我国新版规范设计理论，根据基层底最大拉应力验算得到的结果将与文献[7]相同，不同之处在于增加了沥青层永久变形量，根据表8计算结果，可得三种结构的疲劳寿命大小顺序仍然为：结构一>结构二>结构三.

4.2 按照壳牌(SHELL)设计法验算

壳牌设计法通过沥青层底弯拉应变和土基顶面压应变来控制沥青路面的疲劳寿命.

(6)

式中:Nf为疲劳破坏时疲劳应变的作用次数；Smix为沥青混合料的劲度模量；Vbit为沥青所占的体积;ε为疲劳应变.

30号、70号基质沥青混合料劲度模量分别取4.5和0.5 MPa，沥青体积Vbit取12%，30号、70号基质沥青混合料劲度模量Smix分别取1 000和450 MPa.将表9应变值分别代入式(5)～(6)验算三种结构的疲劳寿命，计算结果见表11.

表11 三种结构疲劳寿命 次/车道

结构二沥青层底为压应变，壳牌设计法中沥青层底拉应变对于结构二失效.由表11可知，按照疲劳寿命取最小值原则，三种结构的疲劳寿命大小顺序：结构一>结构二>结构三.

对比我国规范与壳牌设计法的疲劳寿命计算结果，预估结果大小顺序一致.因壳牌设计法主要针对于柔性路面，其计算结果普遍小于我国规范计算结果.

4.3 跟踪观测结果

云罗高速公路耐久性沥青路面试验段于2012年年底建成通车，根据四年多时间里对试验路使用状况的持续跟踪观测结果：结构一至今没有出现裂缝，结构二有极少裂缝出现，结构三有少量裂缝出现；结构一和结构二车辙深度均在5 mm以下，结构三车辙深度在10 mm之内.理论计算结果与道路实际运行状况基本相符.

5 结 束 语

以广东省云罗高速公路改进型半刚性基层、碾压混凝土基层和倒装式半刚性基层三种结构沥青路面试验路为依托，通过对比分析层间连续下的力学响应，并应用文献[7]设计规范及壳牌设计法分别对三种沥青路面结构的疲劳性能进行了预估.理论计算结果和试验路四年跟踪观测结果表明，改性型半刚性基层和碾压混凝土基层沥青路面车辙深度小，使用性能好，疲劳性能优，倒装式半刚性基层沥青路面略次.

[1] 沙庆林.新水泥碎石基层[J].铁道建筑技术，2009(10)：1-6．

[2] 胡昌斌.福建省沥青路面区域特性[M].北京：人民交通出版社，2013．

[3] 吴传海，许新权，周勇.高速公路沥青路面新式碾压混凝土基层设计与施工技术[M].北京：人民交通出版社，2016.

[4] 中华人民共和国交通部.公路沥青路面设计规范:JTG D50-2006[S].北京：人民交通出版社,2006.

[5] 谭振宇，李浩，许新权，等.沥青路面力学响应监测系统布置方案研究[J].武汉理工大学学报(交通科学与工程版)，2017,41(3):528-532.

[6] 李芸,李浩,黄克旺,等.沥青路面三向应力响应对比分析[J].广东公路交通，2017(3)：1-4.

[7] 中华人民共和国交通部.公路沥青路面设计规范:JTG D50-2017[S].北京:人民交通出版社,2017.

[8] 沈金安．国外沥青路面设计方法总汇[M]．北京：人民交通出版社，2004．

[9] 中华人民共和国交通部.公路水泥混凝土路面施工技术规范:JTG F30-2003[S]．北京：人民交通出版社，2003．

Comparative Analysis on Fatigue Life of Durable Asphalt Pavement Structure

LIHao1,2)XUXinquan1,2)LIUFeng1,2)

(ResearchandDevelopmentCenteronRoadTransportSafetyandEmergencySupportTechnology&Equipment,MinistryofTransport,Guangzhou510420,China)1)(GuangdongHualuCommunicationsTechnologyCo.LTD.,Guangzhou510420,China)2)

Based on the durable asphalt pavement test road of Yunluo Expressway in Guangdong Province, by comparing the mechanical response of three kinds of asphalt pavement structures with improved semi-rigid base, roller compacted concrete base and inverted semi-rigid base, the fatigue performances of three asphalt pavement structures are estimated in the methods of asphalt pavement design at home and abroad. The results of the theoretical calculation and the four-year follow-up of the test road show that the improved semi-rigid base and the roller compacted concrete pavement have small rutting depth, good performance and excellent fatigue performance.

road engineering; asphalt pavement; improved semi-rigid base; roller compacted concrete base; fatigue performance

U416

10.3963/j.issn.2095-3844.2017.06.033

2017-10-10

李浩(1988—)：男，硕士，工程师，主要研究领域为道路结构力学计算

*广东省交通运输厅科技项目资助(2012-02-011)