华南多雨地区特重交通下基层厚度对沥青路面倒装结构弯沉的影响

蔡 良

(广东省南粤交通投资建设有限公司,广州 510623)

0 引言

由无机结合料稳定粒料基层组成的半刚性基层沥青路面结构为我国目前主要的沥青路面结构[1-5]，但经过近30多年的工后情况反映，在温度、湿度等综合因素耦合作用下，半刚性结构路面存在基层反射裂缝、沥青层与水稳层间积水导致早期水损害等问题[6-10]。为了延缓半刚性基层反射裂缝的问题，道路工作者提出了一种名为“倒装结构”的路面结构层，该结构层是在沥青稳定碎石基层与半刚性基层之间设置一层应力消散层(通常为级配碎石基层)，以减轻半刚性材料的反射开裂影响。倒装结构在福建省得到了较多的应用且结构型式趋于统一，而广东省仅在渝湛、韶赣、龙大、揭博、广河等高速公路铺筑了部分路段，且路面结构层厚度及结构型式不一。

本文通过依托特重交通(累计当量轴次预估4.4×107次)的广东省仁(化)至博(罗)公路新丰至博罗段高速公路(简称“新博高速公路”)，应用有限元软件，推算在一定条件下倒装结构路表弯沉与基层厚度的关系，并通过试验段铺筑后的弯沉检测，得出弯沉的部分变化规律，以期为同类项目提供参考。

1 基于弯沉指标下的结构层厚度选择

新博高速公路沥青路面面层厚度为4cm+6cm，本文基于此前提采用ABAQUS有限元进行路表弯沉指标下的结构层厚度变化趋势分析。

模型模拟了沥青路面在双轮标准轴载作用下的力学响应，沥青层、基层、垫层以及土基采用三维实体单元(C3D8R实体缩减积分单元)进行离散处理，划分有限元网格，网格划分的密度选择自由划分。为了便于模型计算，假定轮胎与路面接触面理想化为18.9cm×18.9cm的正方形，双轮中心距32cm，计算轴载为标准轴载BZZ-100，轮胎接地压为0.7MPa。路面厚度选择及材料参数见表1。

表1 沥青路面倒装结构路面厚度选择及材料参数

1.1 路表弯沉随水泥稳定级配碎石厚度变化趋势

结构路表弯沉随水泥稳定级配碎石厚度的变化趋势如图1～图3所示。

图1 (4+6+12+X+Y)结构弯沉随水泥稳定级配碎石厚度变化

图2 (4+6+15+X+Y)结构弯沉随水泥稳定级配碎石厚度变化

图3 (4+6+18+X+Y)结构弯沉随水泥稳定级配碎石厚度变化

结构层列，如“4-6-12-X-Y”，第一个数字“4”代表沥青上面层厚度(单位为cm，下同)，第二个数字“6”代表沥青下面层厚度，第三个数字“12”代表ATB层厚度，第四个数字“X”代表级配碎石层厚度，第五个数字“Y”代表半刚性基层层厚度，底基层为无机结合料稳定层且统一厚度为18cm。下同。

由图1～图3可以看出：

(1)水泥稳定碎石基层厚度变化对弯沉的影响显著。无论是否设置级配碎石层，弯沉均随水泥稳定碎石基层厚度的增加而减小。

(2)当水泥稳定级配碎石的厚度一定时，弯沉的减小随级配碎石厚度的增加而减缓。

(3)弯沉的最大值与最小值均在级配碎石厚度为0的条件下，当水泥稳定级配碎石厚度为25cm时，弯沉最大；当水泥稳定级配碎石厚度为50cm时，弯沉最小。

1.2 路表弯沉随级配碎石厚度变化趋势

结构路表弯沉随级配碎石厚度的变化趋势如图4～图6所示。

图4 (4+6+12+X+Y)结构弯沉随级配碎石层厚度变化趋势

图5 (4+6+15+X+Y)结构弯沉随级配碎石层厚度变化趋势

图6 (4+6+18+X+Y)结构弯沉随级配碎石层厚度变化趋势

由图4～图6可以看出：

(1)当水泥稳定基层为25cm时，弯沉随级配碎石厚度的增加而减小，说明在此状态下级配碎石厚度的增加对路面强度有补强的作用。

(2)当水泥稳定基层为50cm时，弯沉随级配碎石厚度的增加而增加，说明在此状态下级配碎石厚度的增加对路面强度有弱化的作用。

(3)当水泥稳定基层为35cm时，弯沉随级配碎石厚度的增加几乎不变，或者说在此状态下级配碎石厚度的变化对弯沉的影响比较小或不敏感。此时合理弯沉可能在21～23(0.01mm)区间范围。

1.3 路表弯沉随ATB厚度变化趋势

结构路表弯沉随ATB厚度的变化趋势如图 7～图9所示。

图7 (4+6+12+X+Y)结构弯沉随ATB厚度变化趋势

图8 (4+6+15+X+Y)结构弯沉随ATB厚度变化趋势

图9 (4+6+18+X+Y)结构弯沉随ATB厚度变化趋势

由图7～图9可以看出，面层厚度、级配碎石及半刚性基层厚度一定时，弯沉随ATB层厚度的增加而减小。

1.4 弯沉波动范围

由图1～图9可以看出，计算弯沉均在19mm～25mm区间范围内波动。

2 工程应用

根据有限元理论计算结果，新博高速公路初步选定了36cm厚水泥稳定碎石层，为更好地验证理论计算和实际铺筑效果，共选取了三种结构进行试验段铺筑。选取的结构型式及桩号见表2。

表2 不同结构型式及桩号

2.1 试验段施工及检测

施工过程严格按照《公路路面基层施工技术细则》(JTG/T F20-2015)、《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004)[11-12]等要求施工，按照《公路工程质量检验评定标准》(JTG F80/1-2004)[13]等进行工后检测。经检测，压实度、厚度及高程等检测指标等均100%合格，高程、弯沉、平整度等指标均满足设计和规范要求。

2.2 三种不同结构试验段弯沉比较

2.2.1 计算弯沉

基于有限元软件对路面结构进行模拟，有限元模型材料参数见表1，模拟结果如图10所示，计算弯沉结果见表3。

图10 三种倒装结构路面弯沉云图

2.2.2 实测弯沉

对三种路面结构施工完成后的路表进行弯沉检测，检测结果见表3。

表3 现场实测弯沉与计算弯沉比较

新博高速公路通车运营后，分别在2020年6月和2020年10月进行了两次路表弯沉检测，所统计的弯沉代表值如图11所示。

图11 2020年6月和10月弯沉检测结果

结合表3，通过选取代表性路段，对以上不同结构在不同时间段的检测结果进行分析，如表4和图12所示。

图12 不同结构弯沉值统计

2.2.3 弯沉对比分析

(1)从各结构的弯沉检测情况来看，沥青结构层随完工时间的增长，其弯沉值随之降低。其中结构Ⅰ弯沉降低幅度较大，下降约57%；结构Ⅱ弯沉下降约49%；结构Ⅲ弯沉下降约54%。结构Ⅱ的计算弯沉比结构Ⅰ小，且弯沉下降幅度相对较小。分析其主要原因为结构Ⅰ沥青层厚度相对较厚，沥青层回弹模量大，相对变形量高，随着通车运营，其密实程度逐渐提高，弯沉逐渐降低；其次为水的影响作用，当级配碎石下基层含水量较高时，对路面结构弯沉也会产生较大的影响。

(2)结构Ⅰ和结构Ⅱ现场施工完成后的弯沉检测结果均略高于计算弯沉，随着时间的增长，弯沉逐渐降低并趋于稳定。

(3)从试验段运营后的两次弯沉检测结果来看，路面的弯沉指标满足设计要求，使用效果良好。后期应对路面弯沉进行跟踪监测，以更好地观察该结构形式的工程应用效果，为今后类似项目提供实践经验。

3 结论

(1)当水泥稳定碎石基层厚度在35cm附近及以下区间内，路表弯沉随级配碎石基层厚度、半刚性基层厚度及ATB厚度的增加而减少，呈负相关关系；当水泥稳定碎石基层为50cm时路表弯沉随级配碎石基层厚度、半刚性基层厚度的增加而增加，随ATB厚度的增加而减少。

(2)结构Ⅰ和结构Ⅱ现场施工完成后的弯沉检测结果均略高于计算弯沉，随着时间的增长，弯沉逐渐降低并趋于稳定。结构Ⅲ的弯沉随时间的降低幅度较前两种结构小。

(3)从目前试验段运营后的两次弯沉检测结果来看，路表弯沉指标满足设计要求，使用效果良好。后期应继续对路表弯沉进行跟踪监测，以更好地观察该结构形式的工程应用效果。