牛敏強 蔡良 鄧明超 吳智維

（1.廣東省南粵交通仁博高速公路管理中心新博管理處，廣東 惠州 516800；2.廣東省南粵交通大豐華高速公路管理中心，廣東 梅州 514329；3.華南理工大學(xué)廣州學(xué)院，廣東 廣州 510800）

在交通荷載和持續(xù)循環(huán)溫度應(yīng)力反復(fù)作用下，裂縫處的應(yīng)力集中位于半剛性材料層，上部層底的疲勞開裂使裂縫反射傳播至路面形成反射裂縫。針對此問題，在半剛性材料層上設(shè)置級配碎石結(jié)構(gòu)層，形成倒裝結(jié)構(gòu)后可有效防止或減緩瀝青層反射裂縫。

一、兩階段設(shè)計方法簡介

兩階段設(shè)計方法是一種設(shè)半剛性材料層的瀝青路面設(shè)計方法，其計算的基本原理采用Miner累計損傷原理進行壽命分析。該方法實際上是一種允許半剛性底基層破裂成等效的粒料層，進一步挖掘材料潛在壽命的設(shè)計思路，為了使倒裝結(jié)構(gòu)瀝青路面達到耐久性要求，各個階段的實際有效壽命總和應(yīng)不小于設(shè)計的使用壽命。

對于倒裝結(jié)構(gòu)的半剛性底基層，在荷載及環(huán)境因素影響作用下，從整體開裂成塊體、散體狀態(tài)，強度和模量會逐漸衰減。所以倒裝結(jié)構(gòu)路面在驗算疲勞開裂壽命過程中，應(yīng)分兩階段進行：一是半剛性底基層疲勞開裂階段，二是半剛性底基層破裂成等效的粒料階段，且兩階段的疲勞壽命應(yīng)按相應(yīng)階段的材料強度和模量分別計算。兩個階段疲勞壽命的總和為路面結(jié)構(gòu)總壽命，應(yīng)不小于設(shè)計使用壽命。

二、兩階段疲勞開裂壽命計算公式

根據(jù)《公路瀝青路面設(shè)計規(guī)范》（JTG D50-2017）B.1.1-1、B.2.1-1，瀝青混合料層疲勞開裂壽命及無機結(jié)合料穩(wěn)定層疲勞開裂壽命計算公式，分別為公式（1）、（2）。

三、兩階段疲勞開裂壽命分析方法

由Miner累計損傷原理可知：某一結(jié)構(gòu)層（不考慮半剛性層）在達到臨界破壞狀態(tài)時，其不同階段的最終疲勞累計損傷率之和為1。

式中，為第i層結(jié)構(gòu)層在第j階段（1為第一階段，2為第二階段）對應(yīng)的最終疲勞累計損傷率。

在第一階段，各結(jié)構(gòu)層實際有效壽命應(yīng)為第一階段的計算疲勞壽命，則：

對于第二階段來說，各結(jié)構(gòu)層實際有效壽命為，則：

根據(jù)上面的公式，可以計算出，則最終每個結(jié)構(gòu)層的實際有效壽命：

式中，為第i層結(jié)構(gòu)層在第j階段（1為第一階段，2為第二階段）對應(yīng)的計算壽命。

路面結(jié)構(gòu)的總實際有效壽命為以上兩個階段各結(jié)構(gòu)層實際有效壽命的總和。

表1 倒裝試驗段瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計一覽表

四、兩階段疲勞開裂壽命驗算步驟

兩階段設(shè)計方法實際上是一種進一步挖掘材料潛在壽命的設(shè)計思路，為了使倒裝結(jié)構(gòu)瀝青路面達到耐久性，第一階段與第二階段的實際有效壽命總和應(yīng)不小于設(shè)計的使用壽命。同時，當(dāng)半剛性底基層破裂成粒料后還需要把路基頂面豎向壓應(yīng)變作為設(shè)計指標(biāo)。具體驗算步驟如下：

1.調(diào)查交通數(shù)據(jù)，計算設(shè)計累計軸載作用次數(shù)（由于半剛性底基層破裂成等效的粒料層后，不具有抗拉的疲勞性能，故只考慮瀝青混合料層換算指數(shù)計算出的設(shè)計累計軸載作用次數(shù)，即）；

2.確定路面結(jié)構(gòu)的設(shè)計參數(shù)，確定土基回彈模量，并對初擬路面結(jié)構(gòu)方案的各結(jié)構(gòu)層，分兩階段分析受力，得出最不利位置處面瀝青材料層層底拉應(yīng)變、半剛性材料層層底拉應(yīng)力、路基頂面豎向壓應(yīng)變；

3.綜合交通、氣候、地質(zhì)水文、筑路材料等狀況，根據(jù)公式（1）-公式（7）計算兩階段倒裝結(jié)構(gòu)瀝青路面總實際有效疲勞壽命，驗算總實際有效疲勞壽命是否不小于設(shè)計累計軸載作用次數(shù)；

五、兩階段疲勞開裂壽命驗算實例

（一）工程概況

廣東省仁化至博羅高速公路項目是國家公路網(wǎng)規(guī)劃的武漢至深圳高速公路廣東境內(nèi)的一段，沿線經(jīng)過韶關(guān)市新豐縣和惠州市龍門縣、博羅縣，終點接博深高速公路，路線全長約108km。調(diào)查交通數(shù)據(jù)后計算設(shè)計累計軸載作用次數(shù)，路面結(jié)構(gòu)形式如表1所示。

（二）兩階段疲勞開裂壽命驗算過程

第一階段為半剛性底基層疲勞開裂階段，第二階段為半剛性底基層破裂成等效的粒料階段，兩個階段的路面結(jié)構(gòu)層材料參數(shù)分別如表2所示。

表2 路面結(jié)構(gòu)層材料參數(shù)表

表3 路面結(jié)構(gòu)層疲勞開裂壽命驗算結(jié)果匯總表

對初擬路面結(jié)構(gòu)方案的各結(jié)構(gòu)層，分兩階段分析受力，得出最不利位置處路面瀝青材料層層底拉應(yīng)變、半剛性材料層層底拉應(yīng)力、路基頂面豎向壓應(yīng)變，以及綜合交通、氣候、地質(zhì)水文、筑路材料等狀況，根據(jù)公式（1）和公式（2）計算出第一階段瀝青混合料、無機結(jié)合料穩(wěn)定材料開裂壽命分別為5.13×108和3.77×108次；根據(jù)公式（1）計算出第二階段瀝青混合料開裂壽命為5.20×108次；根據(jù)公式（4）計算出第一階段有效疲勞壽命為3.77×108次；根據(jù)公式（7）計算出第二階段有效疲勞壽命為1.38×108次；總有效疲勞壽命為兩階段有效疲勞壽命之和，即5.15×108次；兩階段倒裝結(jié)構(gòu)瀝青路面總實際有效疲勞壽命結(jié)果匯總?cè)绫?所示。

對于廣東省仁博高速公路新博試驗路段項目，兩階段路面總實際有效疲勞壽命大于設(shè)計累計軸載作用次數(shù)；路基頂面豎向壓應(yīng)變小于允許壓應(yīng)變值，路面結(jié)構(gòu)方案兩階段疲勞開裂壽命驗算通過。

六、結(jié)語

半剛性底基層在荷載及環(huán)境因素影響作用下，從整體開裂成塊體、散體狀態(tài)，強度和模量會逐漸衰減；同時，半剛性底基層破裂成等效的粒料層過程中，存在潛在的材料壽命，可進一步挖掘，所以倒裝結(jié)構(gòu)路面在驗算疲勞開裂壽命的過程中應(yīng)考慮材料強度與模量的變化、各結(jié)構(gòu)層的損傷機理，以及半剛性層的潛在材料壽命后分階段進行，這樣得到的驗算結(jié)論會與實際情況更吻合。