行车荷载下不同沥青路面结构动力响应测试分析

黄晚清，曹明明，游 宏

(四川省交通勘察设计研究院有限公司，四川 成都 610041)

0 引言

半刚性基层沥青路面在我国应用极为广泛，众多学者和技术人员也进行了大量研究和工程实践，但半刚性基层沥青路面裂缝难以有效解决，裂缝本身对路面性能影响不大，但在多雨地区，雨水一旦渗入，在行车荷载反复作用下极易出现唧浆等病害，特别是当裂缝贯穿整个路面结构层导致路基顶部产生唧浆病害的维修极为棘手。20世纪80年代末，国外开始采用在半刚性基层与沥青层之间设置级配碎石过渡层的倒装式沥青路面结构[1]，该结构充分利用了级配碎石过渡层良好的抗反射裂缝和排水性能。我国早期在一些高速公路进行了倒装式沥青路面结构试验研究[2]。2000年以后安徽、福建省已经提出了各自的倒装式沥青路面典型结构。

沥青路面结构的动力响应对路面设计和性能评估具有重要的指导作用，文献[3-4]介绍了我国RIOHTRACK环道路面结构与材料设计、试验概况和初步成果；文献[5]对半刚性基层沥青路面现场测试表明，沥青层层底应变峰值随车速增加逐渐减小；文献[6]对半刚性沥青路面基层顶面竖向应力和沥青层底拉应变的仿真分析和试验测试表明，二者随车速提高不断减小。文献[7]研究柔性路面结构发现，车速增大，内部应力增加，但增幅与AASHTO的相差较大；而柔性路面的现场测试则表明[8]，车速增大，沥青层层底应变大幅减小；文献[9]现场实测了车速对柔性路面沥青层层底应变、基层和路基顶面竖向应力的影响，结果表明沥青层层底应变受其影响显著，而对基层和路基顶的竖向应力几乎无影响；美国环道试验表明，温度也会影响行车速度与路面结构动力响应的关系[10]。

上述研究结果表明，不同结构沥青路面在行车荷载作用下动力响应表现不一，文献[11]的数值计算结果表明，路面结构动力响应随轴重增加而增加, 随车速增加而减小, 但轴重和车速对不同动力响应参数的影响不同；文献[12]的有限元计算结果表明，倒装式沥青路面面层层底拉应力随轴载增加近似呈线性递增，且面层层底拉应力明显小于传统半刚性基层沥青路面面层层底拉应力。国内对倒装式沥青路面结构动力响应研究很少，现场动力响应测试更是鲜有报道。依托四川遂宁至广安高速公路试验段，以沥青层层底应变、级配碎石过渡层和路基顶部竖向压应力为主要指标，现场测试分析不同基层沥青路面结构在不同行车速度下的动力响应。

1 试验段路面结构形式及测试方案

1.1 试验段路面结构形式

3种试验段路面结构如表1所示，结构总厚度均为89 cm。

表1 试验段路面结构(单位：cm)Tab.1 Pavement structure of test section(unit：cm)

1.2 测试元件布置

选用的测试元件类型、测试指标和埋设层位如表2所示，其平面布置，如图1所示(以结构S2为例)；其中结构S2和结构S3传感器布设位置一致，结构S1无级配碎石过渡层，则该结构内未布置垂直大变形应变计和土压力计。

表2 测试元件类型、指标和埋设层位Tab.2 Types, indicators and embedding positions of sensing elements

图1 结构S2测试元件布设图(单位：cm)Fig.1 Layout of sensing elements in structure S2 (unit: cm)

1.3 测试方案

本次测试采用单后轴货车(图2)，前轴胎压0.7 MPa，后轴胎压1.1 MPa。测试采用最大行车速度为40 km/h，部分工况下最大行驶速度为60 km/h，采样频率为1 kHz。

图2 单后轴货车示意图(单位：cm)Fig.2 Schematic diagram of single rear axle truck (unit: cm)

2 路面结构动力响应测试分析

2.1 沥青层层底动应变响应分析

沥青层层底应变是评价沥青路面结构性能的最主要指标之一，现行沥青路面设计规范[13]以沥青层层底拉应变为路面结构疲劳验算指标。图3～图4为S1,S2 和S3沥青层层底纵向应变(行车方向)实测曲线。可看出，行车速度对沥青层层底纵向应变影响显著：速度增大，3种结构沥青层层底纵向拉、压应变值均减小。不同结构的荷载动力响应变化趋势相同，但拉应变与压应变随速度的变化梯度不同，3种结构的拉应变变化梯度均较压应变大，该结果与文献[14]基于柔性沥青路面类似的现场测试结果相吻合。

图3 沥青层层底纵向应变与车速关系Fig.3 Relation between longitudinal strain at bottom of asphalt layer and speed

图4 沥青层层底纵向应变循环幅值与车速关系Fig.4 Relation between longitudinal strain cyclic amplitude at bottom of asphalt layer and speed

从应变循环幅值(拉、压应变峰值之差)指标看，3种结构沥青层层底应变循环幅值均随行车速度增大而减小，但不同结构的应变循环幅值变化梯度不同。当车速由5 km/h提高到40 km/h时，倒装结构S2、S3的沥青层层底纵向应变循环幅值降低48%～57%和27%～53%，而半刚性基层结构S1却降低70%～90%，远大于倒装结构，表明就沥青层层底纵向应变循环幅值指标而言，半刚性基层结构对车速的敏感性大于倒装式结构。进一步比较同属倒装结构S2和S3，沥青层层底纵向应变循环幅值对行车速度的敏感性总体大于S3，这主要因S2结构沥青层较薄。

图5 沥青层层底横向应变与车速关系Fig.5 Relation between transverse strain at bottom of asphalt layer and speed

如图5所示，3种路面结构沥青层层底横向应变与车速均呈现相同变化趋势，即车速增加，应变峰值减小。该变化规律与纵向应变类似，且横向应变受车速影响的敏感程度与路面结构有关。但与纵向应变不同的是，行车荷载下的横向压应变值很小，表明对横向(垂直行车方向)而言，沥青层层底拉应变(非拉、压循环)是导致沥青层开裂的主要原因。

2.2 路基顶面动力响应分析

由图6所示的路基顶面竖向压应力与车速的关系曲线可知，在测试荷载作用下，路基顶面土压力总体均较小，表明试验段3种路面结构均具有较强的结构承载能力。相同轴重和速度下，结构S1路基顶面的压应力远小于S2和S3，表明结构S1对荷载的扩散能力大于S2和S3。究其原因，尽管3种路面结构总厚度相同，但结构S1的水泥稳定碎石层相对较厚，由于水泥稳定碎石层的扩散角相对较大，结构S1在路基顶面的荷载扩散范围相对较大(见表3)，从而使得其下路基顶面压应力相对较小。其中，水泥稳定碎石、级配碎石和沥青混凝土扩散角分别选用45°,35°和26.5°[15-17]。取值主要考虑水泥稳定碎石成型后为板体结构，荷载扩散能力较强；级配碎石颗粒间无黏结材料，具有消散应力的作用；沥青混合料具有明显的黏滞阻尼特性，尤其在高温条件下，荷载扩散能力较前二者差。

动土压力的测试结果表明设置级配碎石过渡层的路面结构需要更高的路基强度，这正是倒装结构出现的根本原因之一，即为补偿路基强度不足，避免在重交通荷载作用下路面产生结构破坏，需在级配碎石过渡层下设置水泥稳定碎石层。但另一方面，在路面结构实际服役过程中，由于半刚性基层沥青路面不可避免出现裂缝，路面一旦开裂特别是裂缝贯穿整个路面结构层，在南方多雨地区大量雨水将会渗入滞留在路基顶面、软化路基，在行车荷载引起动水压力的反复作用下，细粒土被挤出，进一步恶化路基支撑条件，大大降低路面结构的承载能力；而倒装式路面结构S2和S3，由于级配碎石过渡层的排水和抗反射裂缝作用，会有效避免这一现象，从而保证了路面结构服役过程中的承载稳定性。

图6 路基顶面竖向压应力与车速关系Fig.6 Relation between vertical compressive stresses at top of subgrade and speed

表3 3种沥青路面结构荷载扩散范围Tab.3 Load disperse range of 3 asphalt pavement structures

3种路面结构下路基顶面土压力随车速的变化似乎与轴重有关，即在较小轴重作用下，路基顶面土压力随车速变化不明显或总体不变，重荷载作用下，路基顶面土压力随速度提高略有增大。通常将5 km/h 速度视作静载，随测试速度提高动载效应增加，表现为土压力增大；由于路面结构厚度较大，荷载经路面结构层扩散，加之土压力传感器分辨率有限，当轴载较小时，难以捕捉到路基土压力的细微变化，表现为总体不变。

2.3 过渡层动力响应分析

以倒装式结构S3为例，研究过渡层底部竖向压应力和过渡层竖向位移随车速的变化关系，见图7和图8。可知，过渡层竖向压应力和竖向位移均随行车速度的提高而减小。由于级配碎石过渡层紧邻沥青层下，沥青混合料的黏弹塑性及碎石散粒体材料复杂的非线性特征使过渡层竖向压应力和应变出现这一变化规律。

图7 结构S3过渡层底部竖向压应力与车速关系Fig.7 Relation between vertical compressive stresses at bottom of transition layer of structure S3 and speed

图8 结构S3过渡层竖向位移与车速关系Fig.8 Relation between vertical displacement of transition layer of structure S3 and speed

2.4 轴重对动力响应影响分析

各车速下不同轴重荷载作用的沥青层层底纵向应变幅值和路基顶土压力如图9和图10所示。相同车速下，3种路面结构沥青层层底纵向应变循环幅值和路基顶土压力随轴重增加而增大，且半刚性基层沥青路面的增幅相对更大，表明半刚性基层沥青路面对荷载更为敏感，倒装式沥青路面结构对荷载的适应性更强。

图9 轴重对沥青层底纵向应变循环幅值的影响Fig.9 Influence of axial load on longitudinal strain cyclic amplitude at bottom of asphalt layer

图10 轴重对路基土压力的影响Fig.10 Influence of axial load on soil pressure of subgrade

3 车辆制动下的动态响应分析

公路沥青路面结构验算不考虑水平荷载，主要因车辆正常行驶时路面结构内的水平作用远远小于竖向作用。但在车辆频繁制动、减速或起步、加速路段，路面易出现波浪、拥包和车辙等病害。采用单后轴货车(后轴重11.48 t)荷载，在结构S3路段以点刹方式减速进行现场测试。采用文献[18]的简化方式，不考虑制动过程中车速变化对动态响应的影响，实测路面动力响应见表4和表5。

表4 车辆制动对沥青层层底应变影响Tab.4 Influence of vehicle braking on strain at bottom of asphalt layer

表5 车辆制动对竖向力学指标响应影响Tab.5 Influence of vehicle braking on response of vertical mechanical indicator

表4和表5结果表明，相对正常行驶，车辆制动会引起沥青层层底纵(横)向应变峰值大幅增加，层底应变循环幅值大幅增加，由此可推断，频繁制动刹车会加快沥青层的疲劳破坏；考察残余应变指标发现，制动同时引起沥青层底纵(横)向残余应变发生剧变，表明制动刹车极大增加了路面车辙、推移和拥包等变形病害发生的几率；与沥青层不同的是，车辆制动对路基顶压应力、级配碎石过渡层竖向位移和底部竖向压应力的影响相对较小。

4 基于现场实测数据疲劳寿命预估

鉴于目前没有倒装式沥青路面结构的疲劳模型，故借鉴文献[15]的疲劳方程，以不同荷载工况下现场实测沥青层层底拉应变预估沥青层疲劳寿命，并以此作为各路面结构的疲劳寿命。室内试验确定结构S1，S2和S3下面层的沥青饱和度分别为71.6%，70.5%和62.8%。动态模量(46 ℃)分别取1 447，1 212 MPa和992 MPa。温度调整系数取1.46。该高速公路沿线季节性冻土地区调整系数取1.0。不同工况下预估S1，S2和S3的疲劳寿命见表6。可看出，轴重减小和车速增加均有利于延长沥青路面的疲劳寿命，半刚性基层沥青路面疲劳寿命对轴重和行车速度的敏感性大于倒装式沥青路面结构。值得指出的是，该预估寿命没有考虑路面结构的差异，也没有充分考虑半刚性基层沥青路面开裂后雨水浸入加速结构破坏的影响。

表6 沥青层疲劳寿命预估Tab.6 Prediction of asphalt layer fatigue life

5 结论

(1)3种路面结构沥青层层底应变均随行车速度增加而减小，但纵向拉应变相对压应变下降更快；纵向循坏应变幅值随车速增加而减小的敏感程度受路面结构特征影响显著，传统半刚性基层结构S1较倒装结构S2和S3更敏感。

(2)路基顶面土压力总体均较小，相同轴重和速度下结构S1的路基顶面压应力远小于S2和S3，表明3种路面结构均具有较强的结构承载能力，且结构S1对荷载的扩散能力优于S2和S3。路基顶面土压力随车速的变化似乎与轴重有关，即在较小轴重作用下，路基顶面土压力随车速变化不明显或总体不变，重荷载作用下，路基顶面土压力随速度提高略有增大。

(3)受沥青混合料黏弹塑性和级配碎石材料非线性影响，紧邻沥青层下的级配碎石过渡层的底部竖向压应力和过渡层竖向位移均随行车速度的增加而减小。

(4)相同车速下，3种路面结构沥青层层底纵向应变循环幅值和路基顶土压力均随轴重增加而增大，且半刚性基层沥青路面的增幅相对更大，表明半刚性基层沥青路面对荷载更为敏感，倒装式沥青路面结构对荷载的适应性更强；在疲劳寿命方面，倒装式沥青路面结构对荷载敏感性远小于半刚性基层沥青路面。

(5)制动刹车导致沥青层层底残余应变急剧增大，验证了频繁制动刹车会引起路面车辙、推移和拥包等变形病害发生的现象；车辆制动还会导致沥青层层底纵、横向应变大幅增加、应变循环幅值大幅增加，表明频繁制动刹车将加速路面沥青层疲劳破坏。