□□ 王曉峰

(太原市市政公用工程質(zhì)量安全站(太原市軌道交通建設(shè)服務(wù)中心)，山西 太原 030024)

引言

隨著科技的進步和經(jīng)濟的發(fā)展，城市交通工具開始大量普及，市政道路工程的建設(shè)也大幅增加。市政道路工程具有系統(tǒng)性，瀝青路面鋪設(shè)是整個路面施工流程中的重要環(huán)節(jié)之一，其施工質(zhì)量將對市政道路整體運行效果具有直接的影響，關(guān)乎行車舒適性與安全性。

本文以太原市某市政道路瀝青混凝土路面為例，該雙幅路雙向四車道路全長為7.3 km，路基寬度為6.5 m，路面?zhèn)葞挾确謩e為3.5 m，隔離帶的寬度為3.0 m，設(shè)計速度為40 km/h。該瀝青主路面結(jié)構(gòu)層為：180 mm的瀝青面層、5 mm的瀝青封層、350 mm的泥穩(wěn)碎石基層、200 mm的泥穩(wěn)碎石底基層、200 mm的碎石墊層組成。面層由上、中、下三個層組成，其中上面層為40 mm橡膠瀝青細(xì)粒式混凝土(ARAC-13G)；中面層為60 mm中粒式改性瀝青混凝土(AC-20C)；下面層為80 mm粗粒式瀝青混凝土(AC-25C)，工程需瀝青混合料約18萬t。

1 瀝青路面常見的結(jié)構(gòu)損傷問題

1.1 瀝青路面開裂

瀝青路面開裂是瀝青路面使用過程中較為常見的現(xiàn)象，瀝青路面開裂受多種因素的影響，因而路面開裂問題需根據(jù)具體情況分析。一般來說，瀝青路面開裂的原因分成兩個方面：首先是疲勞開裂。在路面受到外界交變載荷的擾動時，如反復(fù)溫度變化、反復(fù)的路面加載等，當(dāng)路面承受的交變載荷達到極限，路面會產(chǎn)生疲勞，當(dāng)疲勞反復(fù)疊加，則會產(chǎn)生路面開裂；其次是反射開裂。由于整個路面是由多層材料鋪設(shè)而成，而不同路面的結(jié)構(gòu)參數(shù)與材料性能各不相同，這就導(dǎo)致路面在界面容易產(chǎn)生反射開裂。當(dāng)某一層路面的位移產(chǎn)生的拉應(yīng)力或者壓應(yīng)力超過瀝青路面的抗拉強度或抗壓強度時，瀝青路面就會開裂，此時路面產(chǎn)生反射開裂。除了以上兩種開裂原因外，如果路面所使用的鋪設(shè)材料未達到路面的抗載荷要求，也會導(dǎo)致路面開裂。

1.2 瀝青路面車轍和沉陷

瀝青路面屬于柔性路面，大量車輛常年在路面行走，汽車不斷地對路面施加水平力和垂直力，導(dǎo)致路面形成了不可恢復(fù)的變形。同時，汽車輪胎與路面之間摩擦經(jīng)過長時間的積累容易產(chǎn)生車轍。不可恢復(fù)的變形容易造成路面沉陷，這對于汽車的行駛存在極大的安全隱患。此外，造成路面沉陷的原因還有因路基不實而導(dǎo)致的路面蠕變。路基材料不穩(wěn)定性的根本原因是施工質(zhì)量未達到相關(guān)的技術(shù)要求。

1.3 瀝青路面凍脹和水損

對于北方的城市路面，瀝青路面的凍脹問題主要是在冬季。北方城市在入冬前都會有秋雨降臨，當(dāng)降雨頻繁或者降水量驟增時，會導(dǎo)致大量的雨水不能及時排走，開始向路面下方滲透，這樣路面基層會儲存大量雨水；外界溫度下降時則會導(dǎo)致雨水開始結(jié)冰，這樣體積的急劇膨脹會導(dǎo)致路面開裂；到了春季冰的消融又導(dǎo)致路面出現(xiàn)翻漿現(xiàn)象。此外，消融的水經(jīng)過汽車不斷碾壓會出現(xiàn)泵吸現(xiàn)象，從而加重了路面的破壞，所以路面的排水效率直接影響路面的長時間使用。

2 瀝青路面的線性損傷模型

基于多層彈性體系理論對瀝青路面結(jié)構(gòu)進行損傷估算，在損傷估算前，先給出該線性損傷模型的基本假設(shè)，其表述如下：

(1)瀝青路面模型是基于多層彈性體系理論的，假設(shè)其在面內(nèi)尺寸遠(yuǎn)大于厚度方向，可認(rèn)為該瀝青路面模型是基于平面應(yīng)變假設(shè)的。根據(jù)平面應(yīng)變假設(shè)的特點，分析截面可以選取車輛荷載中軸線的橫截面。

(2)多層瀝青路面中的各層材料模型可以假設(shè)為理想均質(zhì)、各向同性、黏彈性的材料模型。

(3)假設(shè)土基厚度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于瀝青主路面結(jié)構(gòu)層，瀝青主路面結(jié)構(gòu)層各層的水平方向無限大。

(4)假設(shè)有向下的垂直路面均布車輛荷載(P=0.7 MPa)作用于多層瀝青路面。

一般來說，由兩種路面材料組成的路面模型的損傷因子D的取值范圍為[0,1]，但是在工程中，基層和底層的損傷模型不會一直滿足Miner線性疲勞損傷模型。因此，根據(jù)工程經(jīng)驗可知，當(dāng)路面損傷因子D=0.5時，此時材料已經(jīng)發(fā)生破壞；當(dāng)D>0.5時，材料已經(jīng)發(fā)生損傷產(chǎn)生失效，后續(xù)過程已不再考慮。但不同于兩種路面材料組成的路面模型，瀝青路面屬于多層彈性體結(jié)構(gòu)?；贛iner線性疲勞損傷理論，假設(shè)當(dāng)基層的損傷因子D=0.75時，材料發(fā)生破壞，此時損傷因子D在[0，0.7]區(qū)間的基層結(jié)構(gòu)可近似等價為彈性模量為400 MPa的級配碎石結(jié)構(gòu)；忽略損傷因子D在[0.75,+∞]區(qū)間的損傷行為。

因此，根據(jù)Miner線性疲勞損傷模型，當(dāng)損傷因子D=0.75時，基層中水泥穩(wěn)定碎石降低為級配碎石(彈性模量為400 MPa)，此時假設(shè)瀝青路面的損傷不再繼續(xù)擴展。分別取ARAC-13G、AC-20C和AC-25C三種瀝青混凝土進行常應(yīng)力小梁彎曲疲勞試驗，通過疲勞試驗數(shù)據(jù)建立每一種材料的應(yīng)力-疲勞方程。在相同試驗條件下，對不同類型瀝青混凝土的應(yīng)力-疲勞試驗數(shù)據(jù)進行線性回歸處理，得到了ARAC-13G、AC-20C和AC-25C三種瀝青混凝土的疲勞方程。

ARAC-13G瀝青混凝土的N-σ和N-σ/σmax的疲勞方程分別為：

lgNf=23.005-5.824lgσ

(1a)

lgNf=6.986-5.807(σ/σmax)

(1b)

AC-20C瀝青混凝土的N-σ和N-σ/σmax的疲勞方程分別為：

lgNf=22.854-5.889lgσ

(2a)

lgNf=7.115-6.979(σ/σmax)

(2b)

AC-25C瀝青混凝土的N-σ和N-σ/σmax的疲勞方程分別為：

lgNf=14.611-3.334lgσ

(3a)

lgNf=5.917-4.405(σ/σmax)

(3b)

ARAC-13G、AC-20C和AC-25C瀝青混凝土的N-σ和N-σ/σmax的疲勞方程如圖1和圖2所示。由圖1和圖2可知，ARAC-13G、AC-20C和AC-25C瀝青混凝土的應(yīng)變-疲勞曲線均表現(xiàn)出較好的線性關(guān)系。應(yīng)力水平對疲勞壽命有明顯的影響，隨著應(yīng)力水平的升高，瀝青混凝土的疲勞壽命是逐漸降低的。圖1中三種瀝青混凝土疲勞曲線的斜率變化范圍較大，方程lgN=η-λlgσ中的λ取值范圍為3.34～5.12，η的取值范圍為14.62～20.20。圖2中三種瀝青混凝土疲勞曲線的斜率變化范圍較大，方程中l(wèi)gN=η-λ(σ/σmax)中的λ取值范圍為4.41～6.98，λ值表明三種瀝青混凝土的疲勞性能對所施加應(yīng)力的敏感程度有較大差別；η的取值范圍為5.92～7.12，這表明三種瀝青混凝土中AC-25C的抗疲勞性能最差，ARAC-13G的抗疲勞性能最好。

圖1 三種瀝青混凝土的N-σ疲勞方程

圖2 三種瀝青混凝土的N-σ/σmax疲勞方程

3 瀝青路面的結(jié)構(gòu)損傷分析

該市政道路設(shè)計的路面結(jié)構(gòu)層為ARAC-13G(40 mm)、AC-20C(60 mm)、AC-25C(80 mm)，基層為泥穩(wěn)碎石基層(350 mm)、泥穩(wěn)碎石底基層(200 mm)、碎石墊層(200 mm)，其結(jié)構(gòu)合理，特別是面層采用先進的瀝青混合料結(jié)構(gòu)。在厚度設(shè)計時，設(shè)計彎沉為22(1/100 mm)，即該市政道路的累計標(biāo)準(zhǔn)軸次為19 058 475次，按設(shè)計使用年限內(nèi)交通量年平均增長率7%計算可知：使用初期雙向的日平均標(biāo)準(zhǔn)軸次為6 254.8次。計算得到土基模量為50 MPa。該路面在使用過程中需要校核路面結(jié)構(gòu)的損傷。路面損傷一般包括疲勞開裂和永久變形兩方面。疲勞開裂的破壞極限可表示為：

Nf=f1(εf)-f2(Ef)-f3

(4)

式中：Nf——路面疲勞開裂前允許荷載重復(fù)次數(shù)；

εf——瀝青層底部的拉應(yīng)變；

Ef——瀝青層的彈性模量；

f1，f2和f3——疲勞試驗得到的常數(shù)，本文中取值為f1=0.0636、f2=3.391和f3=0.854。

永久變形的破壞極限可表示為：

Nd=f4(εd)-f5

(5)

式中：Nd——路面產(chǎn)生永久變形前允許通過的荷載重復(fù)次數(shù)；

εd——土基表面的壓應(yīng)變；

f4，f5——道路試驗得到，本文中取值為f4=1.365×10-9和f5=4.477。

對瀝青層底面拉應(yīng)變和路基頂面壓應(yīng)變進行的損傷分析。在分析過程中，假設(shè)瀝青層的材料為黏彈性材料，考慮路面的彈性模量隨四季變化，把一年分成四個季節(jié)進行分析。每個季節(jié)具有不同的彈性模量和蠕變?nèi)崃俊７乐蛊陂_裂允許的荷載重復(fù)次數(shù)可以根據(jù)式(4)得到；防止永久變形允許的荷載重復(fù)次數(shù)可以根據(jù)式(5)得到。式(4)中的瀝青層(黏彈性材料)的彈性模量方程可表示為：

(6a)

或者

(6b)

式中:σ1，σ2和σ3——分別為三個主應(yīng)力，滿足σ1>σ2>σ3；ε1為最小主應(yīng)變，ε3為最大主應(yīng)變。

不同時期每組荷載的損傷率可以通過預(yù)期的和允許的荷載重復(fù)次數(shù)之比得到，計算公式可表示為：

(7)

式中：Dr——年末的損傷率；

ni,j——i時期對應(yīng)的預(yù)期重復(fù)次數(shù)j；

Ni,j——根據(jù)式(4)和(5)得到的允許荷載重復(fù)次數(shù)；

p——時期數(shù)；

m——荷載組數(shù)。

在瀝青路面的結(jié)構(gòu)損傷分析過程中，需要分別計算疲勞開裂和永久變形兩種情況下的損傷設(shè)計壽命1/Dr，以壽命短的一項作為最終控制參數(shù)。

根據(jù)式(7)計算得知，該市政瀝青路面結(jié)構(gòu)在一年內(nèi)的拉應(yīng)變損傷率為0.043 641，壓應(yīng)變的損傷率為0.006 804 3，該路面面層結(jié)構(gòu)為拉應(yīng)變損傷控制，設(shè)計年限為23.11年。從損傷分析的結(jié)果可以得到，設(shè)計后路面結(jié)構(gòu)的壽命比設(shè)計前增加了6年，并且設(shè)計后的壓應(yīng)變比設(shè)計前降低了10倍，這表明設(shè)計后的瀝青路面有效地改善了路基的受力狀態(tài)。

4 結(jié)語

本文以太原市某瀝青路面工程為例，結(jié)合瀝青路面攤鋪過程出現(xiàn)的結(jié)構(gòu)損傷問題，通過建立ARAC-13G、AC-20C和AC-25C瀝青混凝土的應(yīng)力-疲勞方程，得出結(jié)論如下：

(1)對三種類型瀝青混凝土的疲勞試驗數(shù)據(jù)的線性回歸，得到了不同瀝青混凝土的疲勞方程。

(2)對該瀝青路面的結(jié)構(gòu)損傷進行分析，得知設(shè)計后路面結(jié)構(gòu)的壽命比設(shè)計前增加6年，且設(shè)計后的壓應(yīng)變比設(shè)計前降低了10倍。