卞海洋，黃毅，鄭炳鋒，朱富萬(wàn)

(1.江蘇省高速公路經(jīng)營(yíng)管理中心，江蘇 南京 210000；2.蘇交科集團(tuán)股份有限公司)

1 引言

中國(guó)早期建設(shè)的高速公路多為四車道，隨著區(qū)域經(jīng)濟(jì)水平的發(fā)展、交通量增加，已經(jīng)無(wú)法滿足交通運(yùn)輸?shù)男枨蟆８臄U(kuò)建工程通常將四車道拓寬為八車道，有效提升了道路服務(wù)水平?；凇胺周嚨涝O(shè)計(jì)”理念，拓寬的第三、四車道將按行駛貨車進(jìn)行管理，這勢(shì)必給拓寬車道路面結(jié)構(gòu)的抗車轍能力和承載能力提出了更高的要求。車轍及彎沉盆參數(shù)作為反映路面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的指標(biāo)，能夠有效評(píng)價(jià)路面承載力。

多項(xiàng)研究表明：提高瀝青混合料的模量能夠減小瀝青混合料內(nèi)產(chǎn)生的應(yīng)變和不可恢復(fù)的殘余變形，提高路面的抗車轍能力。高模量瀝青混合料EME的概念來(lái)自法國(guó)，其特點(diǎn)是采用低標(biāo)號(hào)硬質(zhì)瀝青和較高的油石比，使得混合料兼顧高模量和耐久性，在改造及新建工程中逐漸得到了應(yīng)用。

該文結(jié)合某高速公路改擴(kuò)建工程，以車轍和彎沉盆參數(shù)為指標(biāo)評(píng)價(jià)高模量拓寬路面結(jié)構(gòu)的應(yīng)用效果?？紤]到某高速公路拓寬車道的設(shè)計(jì)交通荷載等級(jí)為特重,設(shè)計(jì)使用年限內(nèi)當(dāng)量設(shè)計(jì)軸載累計(jì)作用次數(shù)Ne3達(dá)到5.47×107軸次，以及施工期轉(zhuǎn)換交通中面層臨時(shí)通行的需求，在上行方向K1 015+105～K1 018+020鋪筑了高模量EME-14試驗(yàn)路，施工段長(zhǎng)度約為2.9 km，高模量EME-14試驗(yàn)段路面結(jié)構(gòu)形式見(jiàn)表1。表2為高模量瀝青混合料EME-14的礦料級(jí)配范圍。

表1 拓寬路面高模量EME-14試驗(yàn)路結(jié)構(gòu)方案

表2 高模量瀝青混合料EME-14礦料級(jí)配范圍

經(jīng)過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)確定的目標(biāo)配合比如表3所示，設(shè)計(jì)的EME-14高模量瀝青混合料礦料比例為1#∶2#∶3#∶細(xì)集料∶礦粉=32.0%∶20.0%∶10.0%∶35.0%∶3.0%，油石比為5.8%。高模量EME-14體積指標(biāo)及性能試驗(yàn)結(jié)果列于表4，所有指標(biāo)均滿足相關(guān)技術(shù)要求。

表3 高模量瀝青混合料EME-14目標(biāo)配合比

表4 高模量瀝青混合料EME-14體積指標(biāo)及性能檢驗(yàn)結(jié)果

高模量EME-14經(jīng)過(guò)試拌、試鋪確定的生產(chǎn)配合比如表5所示。各熱料倉(cāng)比例為：4#倉(cāng)∶3#倉(cāng)∶2#倉(cāng)∶1#倉(cāng)∶礦粉=35.5%∶17.5%∶12.0%∶30.0%∶5.0%，油石比為5.9%。

表5 高模量瀝青混合料EME-14生產(chǎn)配合比

2 拓寬路面車轍狀況評(píng)價(jià)

為了更好地分析高模量EME-14路面結(jié)構(gòu)抵抗車轍的能力，選取瀝青層內(nèi)豎向壓應(yīng)變、剪應(yīng)力、剪應(yīng)變等力學(xué)指標(biāo)，對(duì)比分析高模量EME-14和常規(guī)路面結(jié)構(gòu)方案“SMA-13+SUP-20+SUP-25”在荷載作用下結(jié)構(gòu)內(nèi)部應(yīng)力、應(yīng)變狀況。同時(shí)對(duì)比分析高模量EME-14和常規(guī)路面結(jié)構(gòu)方案在設(shè)計(jì)使用年限內(nèi)當(dāng)量設(shè)計(jì)軸載累計(jì)作用次數(shù)下瀝青混合料的永久變形量。

2.1 當(dāng)量設(shè)計(jì)軸載累計(jì)作用次數(shù)下瀝青混合料永久變形量分析

根據(jù)JTG D50-2017《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》，預(yù)估在當(dāng)量設(shè)計(jì)軸載累計(jì)作用次數(shù)下，拓寬車道瀝青混合料的永久變形量。由于瀝青層內(nèi)豎向壓應(yīng)力沿路面深度方向逐漸變小，瀝青層內(nèi)豎向壓應(yīng)力越小，瀝青層內(nèi)產(chǎn)生的永久變形量越小。為了計(jì)算瀝青層總變形量，將瀝青混合料層總共分為8個(gè)分層。其中：① 40 mm上面層分為(10+15+15)mm，共3層；② 80 mm中面層分為(20+20+20+20)mm，共4層；③ 80 mm下面層作為1層。

采用Bisar軟件對(duì)瀝青混合料層各分層頂面的豎向壓應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算，豎向壓應(yīng)力的計(jì)算點(diǎn)選取位置如圖1所示。

圖1 瀝青層內(nèi)豎向壓應(yīng)力計(jì)算位置

路面結(jié)構(gòu)各結(jié)構(gòu)層的模量取值如表6所示，其中瀝青混合料層采用20 ℃、10 Hz條件下的動(dòng)態(tài)壓縮模量，無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定層采用經(jīng)過(guò)調(diào)整系數(shù)修正過(guò)的彈性模量。路基采用平衡濕度狀態(tài)下并考慮干濕與凍融循環(huán)作用后的頂面當(dāng)量回彈模量。

表6 拓寬路面結(jié)構(gòu)層模量取值

將高模量和常規(guī)路面結(jié)構(gòu)瀝青分層永久變形量的計(jì)算結(jié)果繪于圖2中。相比于常規(guī)瀝青混合料類型(SMA-13+SUP-20+SUP-25)，高模量EME-14的瀝青分層永久變形量均較低。主要原因?yàn)椋孩?中、下面層均采用EME-14瀝青混合料，有效減少了瀝青分層永久變形，尤其是下面層采用EME-14取代常規(guī)路面結(jié)構(gòu)的SUP-25，下面層永久變形量由1.75 mm顯著降低到0.75 mm；② 相比于改性瀝青混合料SUP-20和道路石油瀝青混合料SUP-25，高模量EME-14混合料自身具有更高的動(dòng)穩(wěn)定度，更好的抗車轍性能。

圖2 拓寬路面結(jié)構(gòu)瀝青分層永久變形量

設(shè)計(jì)使用年限內(nèi)，在當(dāng)量設(shè)計(jì)軸載累計(jì)作用次數(shù)下的瀝青層總永久變形量如圖3所示。相比于常規(guī)路面結(jié)構(gòu)，采用高模量EME-14方案有效降低了瀝青層永久變形量，這與現(xiàn)場(chǎng)車轍深度檢測(cè)結(jié)果得出的規(guī)律相符合。

圖3 設(shè)計(jì)使用年限內(nèi)瀝青層總永久變形量

2.2 瀝青層內(nèi)剪應(yīng)力和剪應(yīng)變分析

當(dāng)瀝青混合料受到高溫重載作用，由車輪荷載產(chǎn)生的剪應(yīng)力超過(guò)了瀝青混合料自身的抗剪強(qiáng)度時(shí)，瀝青混合料出現(xiàn)側(cè)向位移，產(chǎn)生流動(dòng)性車轍。降低了瀝青混合料的剪應(yīng)力，剪應(yīng)變?cè)龃?，故控制流?dòng)性車轍十分重要。下面分別對(duì)高模量EME-14和常規(guī)路面結(jié)構(gòu)沿路表、不同深度的剪應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算點(diǎn)位選取如圖4所示的A(0，0，z)、B(0.055 3，0，z)、C(0.159 8，0，z)、D(0.266 3，0，z)共4個(gè)點(diǎn)，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖5。

圖4 瀝青層內(nèi)剪應(yīng)力計(jì)算點(diǎn)位分布

由圖5可知：距離路表深度為1和3 cm時(shí)，B點(diǎn)和D點(diǎn)處剪應(yīng)力最大，即在瀝青混合料上面層內(nèi)，輪胎兩側(cè)邊緣位置處的剪應(yīng)力最大。在距離路表深度為5～19 cm時(shí)，C點(diǎn)處剪應(yīng)力最大，即在瀝青混合料中、下面層，雙圓荷載中單圓荷載中心點(diǎn)的剪應(yīng)力最大。在A點(diǎn)處，即雙圓荷載中心點(diǎn)位置處，瀝青面層剪應(yīng)力最小。

高模量EME-14和常規(guī)路面結(jié)構(gòu)沿深度方向最大剪應(yīng)力分布如圖6所示。

圖5 常規(guī)路面結(jié)構(gòu)瀝青層內(nèi)不同計(jì)算點(diǎn)位剪應(yīng)力分布

圖6 瀝青層內(nèi)最大剪應(yīng)力沿深度方向分布

由圖6可知：在C點(diǎn)處，相比常規(guī)路面結(jié)構(gòu)，采用高模量EME-14瀝青混合料最大剪應(yīng)力降低了17.1%，且在中面層范圍內(nèi)剪應(yīng)力均降低，這有利于減少中面層瀝青混合料在高溫重載環(huán)境下流動(dòng)性車轍的產(chǎn)生。在B、D點(diǎn)，高模量EME-14和常規(guī)路面結(jié)構(gòu)最大剪應(yīng)力沿深度方向分布基本相當(dāng)。

分別對(duì)高模量EME-14和常規(guī)路面結(jié)構(gòu)不同位置瀝青層內(nèi)最大剪應(yīng)變進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如圖7所示。

圖7 瀝青層內(nèi)最大剪應(yīng)變沿深度方向分布

由圖7可知：常規(guī)路面結(jié)構(gòu)中，單側(cè)輪內(nèi)、外側(cè)邊緣(B、D點(diǎn))最大剪應(yīng)變沿路表深度方向逐漸減小。單側(cè)輪中心(C點(diǎn))最大剪應(yīng)變呈現(xiàn)先增后減的趨勢(shì)，峰值位于距路表深度7 cm的中面層內(nèi)。

高模量路面結(jié)構(gòu)中，單側(cè)輪載內(nèi)側(cè)、中心點(diǎn)、外側(cè)(B、C、D點(diǎn))最大剪應(yīng)變沿路表深度方向呈現(xiàn)遞減趨勢(shì)。最大剪應(yīng)變?cè)谏?、中、下面層?nèi)較常規(guī)路面結(jié)構(gòu)均降低，尤其中面層范圍內(nèi)，最大剪應(yīng)變降低幅度最顯著?？梢?jiàn)，中、下面層采用高模量瀝青混合料EME-14+EME-14，取代常規(guī)路面結(jié)構(gòu)的SUP-20+SUP-25，有助于降低瀝青混合料內(nèi)最大剪應(yīng)變水平，進(jìn)而減少流動(dòng)性車轍的產(chǎn)生。

因此，在相同當(dāng)量設(shè)計(jì)軸載累計(jì)作用次數(shù)下，采用高模量EME-14瀝青混合料可以有效減少瀝青分層永久變形量。同時(shí)，高模量EME-14結(jié)構(gòu)可以有效減少瀝青層內(nèi)剪應(yīng)力、剪應(yīng)變，能夠減少流動(dòng)性車轍的產(chǎn)生。

改擴(kuò)建完成通車1年后，采用激光斷面儀對(duì)拓寬車道進(jìn)行車轍深度檢測(cè)，每10 m輸出一個(gè)車轍深度RD。以未使用高模量EME-14臨近路段作為對(duì)比段，對(duì)拓寬車道路面車轍狀況進(jìn)行分析(圖8)。

圖8 拓寬路面車轍深度

由圖8可知：使用高模量EME-14瀝青混合料路段路面車轍深度相對(duì)較小，為(2.7±2.0)mm，而對(duì)比段和橋面鋪裝路段車轍深度分別為(3.8±2.5)mm和(4.4±3.2)mm。

3 拓寬路面承載力狀況評(píng)價(jià)

改擴(kuò)建完成后，對(duì)高模量路段和對(duì)比段進(jìn)行了落錘彎沉檢測(cè)，為了盡可能真實(shí)地描述瀝青路面結(jié)構(gòu)彎沉盆的曲線形狀，在測(cè)試時(shí)，布設(shè)7個(gè)傳感器。隨著距離荷載中心位置的增大，傳感器的間距適當(dāng)增大，傳感器布設(shè)的具體間距為0、20、30、45、60、90、120 cm。利用檢測(cè)得到的中心點(diǎn)彎沉D0和彎沉盆數(shù)據(jù)，對(duì)拓寬路面結(jié)構(gòu)的承載力進(jìn)行評(píng)價(jià)。

統(tǒng)計(jì)中心點(diǎn)彎沉值D0，結(jié)果列于表7。

表7 拓寬路面結(jié)構(gòu)中心點(diǎn)彎沉值D0

由表7可得：高模量EME-14路段的中心點(diǎn)彎沉值D0最小，為(3.1±0.4)(0.01 mm)。但由于路面中心點(diǎn)彎沉值的測(cè)量結(jié)果是各個(gè)結(jié)構(gòu)層結(jié)構(gòu)性能的綜合反應(yīng)，因此，需要采用彎沉盆參數(shù)對(duì)拓寬路面結(jié)構(gòu)的承載力進(jìn)行進(jìn)一步分析。

根據(jù)應(yīng)力擴(kuò)散角理論(圖9)和路面結(jié)構(gòu)層厚度，彎沉盆曲線0～20 cm受瀝青面層模量影響最大，因此確定利用彎沉盆參數(shù)D0-D20來(lái)評(píng)價(jià)面層響應(yīng)。分別采用D20-D60、D60-D120評(píng)價(jià)基層、底基層狀況。由于最遠(yuǎn)端彎沉點(diǎn)和路基模量相關(guān)性較大，采用D120評(píng)價(jià)路基狀況(表8)。

圖9 應(yīng)力擴(kuò)散角理論示意圖

表8 拓寬路面結(jié)構(gòu)彎沉盆參數(shù)

由表8可知：上行方向高模量EME-14的面層彎沉盆參數(shù)D0-D20為(6.8±4.7)μm，遠(yuǎn)小于對(duì)比路段。而高模量路段和對(duì)比段的基層彎沉盆參數(shù)D20-D60、底基層彎沉盆參數(shù)D60-D120以及路基彎沉盆參數(shù)D120均處于相同水平。這表明高模量路段結(jié)構(gòu)承載能力較好的主要原因是面層采用高模量瀝青混合料EME-14，有效提高了路面整體結(jié)構(gòu)承載力。

4 結(jié)論

(1)根據(jù)瀝青混合料永久變形量預(yù)估模型，高模量EME-14路面結(jié)構(gòu)(SMA-13+ EME-14+ EME-14)和常規(guī)路面結(jié)構(gòu)(SMA-13+SUP-20+SUP-25)在當(dāng)量設(shè)計(jì)軸載累計(jì)作用次數(shù)下的永久變形量分別為12.52和14.31 mm，表明采用高模量EME-14瀝青混合料可以有效減少瀝青各個(gè)分層永久變形量。

(2)通過(guò)對(duì)高模量EME-14路面結(jié)構(gòu)和常規(guī)路面結(jié)構(gòu)瀝青層內(nèi)剪應(yīng)力和剪應(yīng)變分析，表明高模量EME-14路面結(jié)構(gòu)可以有效減少瀝青層內(nèi)剪應(yīng)力、剪應(yīng)變，從而能夠減少流動(dòng)性車轍的產(chǎn)生。

(3)根據(jù)運(yùn)營(yíng)1年后對(duì)拓寬車道車轍狀況檢測(cè)，結(jié)果表明高模量EME-14路段車轍深度為(2.7±2.0)mm，低于對(duì)比段的(3.8±2.5)mm以及橋面鋪裝段的(4.4±3.2)mm，這與理論分析結(jié)果一致。

(4)高模量EME-14路段中心點(diǎn)彎沉D0為(3.1±0.4)(0.01 mm)，面層彎沉盆參數(shù)D0-D20為(6.8±4.7)μm，均優(yōu)于對(duì)比段。表明拓寬路面結(jié)構(gòu)面層采用高模量瀝青混合料EME-14，能夠有效提高路面整體結(jié)構(gòu)承載力。

通過(guò)對(duì)改擴(kuò)建工程拓寬車道路面的后評(píng)估，不難發(fā)現(xiàn)，拓寬車道采用高模量EME-14結(jié)構(gòu)方案能夠有效提高路面抗車轍能力和承載力，滿足改擴(kuò)建工程拓寬車道重載交通的需求。