徐希忠， 韋金城， 張曉萌， 陳婷婷

(1.山東省交通科學研究院， 濟南 250102； 2.高速公路養(yǎng)護技術交通行業(yè)重點實驗室(濟南)， 濟南 250102)

近年來，隨著經(jīng)濟和社會的發(fā)展，中國交通運輸結構發(fā)生了巨大的變化,車輛設計和汽車輪胎不斷推陳出新，運輸車輛朝大型化、拖掛化與集裝箱方向發(fā)展。重型車輛不僅在數(shù)量上急劇增加，其總質(zhì)量與軸載質(zhì)量也屢創(chuàng)新高，重載交通作用下，使得瀝青路面早期損壞嚴重，給瀝青路面結構帶來了嚴峻挑戰(zhàn)，對瀝青路面材料亦提出了更高要求。

按照中國公路建設傳統(tǒng)經(jīng)驗，瀝青路面結構總厚度通常在70 cm以上，然而隨著國家對生態(tài)環(huán)保的日益重視，砂石料開采受到限制，導致公路建設原材料嚴重缺乏，不僅嚴重影響公路建設進度，也極大地提高了路面工程造價。全厚式耐久性瀝青路面結構與傳統(tǒng)瀝青路面結構相比，路面總體厚度具有可減薄30 cm以上的潛力，而且其結構使用壽命可超過35年，在節(jié)約資源、保護生態(tài)環(huán)境、降低全壽命周期成本等方面優(yōu)勢明顯。同時，歐美各國對瀝青路面結構形式做了大量調(diào)查分析，發(fā)現(xiàn)多種瀝青結構形式中，精心施工的全厚式瀝青路面結構病害為非結構性損壞，可長期保持良好使用性能。

大量研究表明，最初在法國提出的高模量瀝青混凝土EME應用超過了20年，其實現(xiàn)途徑主要包括采用硬質(zhì)瀝青、添加高模量改性劑、添加巖瀝青等，相比于添加劑法，采用硬質(zhì)瀝青質(zhì)量較容易控制，且經(jīng)濟優(yōu)勢明顯[1-2]。硬質(zhì)瀝青是指25 ℃針入度小于25/10的瀝青膠結料，主要特點為針入度小、黏度大，與礦料拌和后產(chǎn)生高模量瀝青混凝土，可大幅度緩解瀝青路面車轍，提升結構性能[3-4]。文獻表明，硬質(zhì)瀝青混合料綜合性能優(yōu)良，可用于瀝青路面結構提升層[5-6]。硬質(zhì)瀝青混合料有以上優(yōu)勢，在中外道路工程中得到了廣泛應用，包括高模量瀝青混凝土用于道路和機場鋪面[7-9]，用于城市道路交叉口與長大縱坡中預防車轍[10-11]。

對于全厚式瀝青路面，Marshall 等[12]在考慮瀝青混合料疲勞閾值的前提下，論述了在實際力學經(jīng)驗法熱拌瀝青混合料(mechanics-experience hot-mix with asphalt mixture，M-E-HMA)全厚式瀝青路面設計中考慮熱拌瀝青混合料疲勞壽命極限(hot-mix with asphalt mixture fatigue endurance limit，HMA-FEL)的各種方法，并提出采用程序進行路面結構設計的建議。Zhang等[13]采用目測和紅外圖像采集的方式研究了全厚式瀝青路面施工過程中黏土球產(chǎn)生狀況，發(fā)現(xiàn)紅外圖像采集系統(tǒng)適合于黏土球的檢測，且路面結構中黏土球呈橢圓形，直徑為2.5～10 cm，最大黏土球深度幾乎貫穿整個表面。李濤等[14]研究了兩種全厚式瀝青路面和半剛性基層瀝青路面的受力特點、力學響應特征，并應用M-EPDG程序?qū)θN瀝青路面進行了永久變形預估，結果表明全厚式瀝青路面整體結構性能優(yōu)良，對提升路面整體試驗壽命具有明顯的優(yōu)勢。沈孔健[15]運用彈性層狀體系理論，以土基壓應變?yōu)樵O計指標，分析探討了不同胎壓及軸重下軸載換算指數(shù)，結果表明軸重對土基壓應變影響較大。

然而，關于高模量瀝青混凝土在全厚式瀝青路面中的適應性及合理層位設置的研究還鮮有報道，關于其組合優(yōu)化的研究更是少之又少。

基于此，為明確高模量瀝青混凝土應用于全厚式瀝青路面對結構力學響應的影響，進而確定高模量瀝青混凝土在全厚式瀝青路面合理層位設置，依托沾臨高速實體工程，基于山東省典型全厚式瀝青路面結構，應用法國路面結構分析軟件LCPC Alize[16]中力學計算模塊，分析瀝青路面結構力學響應的差異，確定高模量瀝青混凝土合理層位，隨后采用正交試驗，確定全厚式高模量瀝青路面的力學指標影響因素，并驗證層位設置的合理性，研究成果可豐富中國路面結構形式，進一步推廣應用高模量瀝青混凝土，提升全厚式瀝青路面的耐久性。

1 高模量瀝青混凝土設計及參數(shù)獲取

1.1 試驗材料

依托沾臨高速試驗路工程，集料選用螺獅山石灰?guī)r，瀝青膠結料采用國產(chǎn)15#硬質(zhì)瀝青，其基本指標如表1所示。選取EME-14(連續(xù))、EME-14(間斷)、EME-20三種級配為研究級配，級配設計結果如表2所示。

表1 15#硬質(zhì)瀝青技術指標

表2 硬質(zhì)瀝青混合料級配

1.2 高模量瀝青混凝土設計

將試驗材料用于室內(nèi)試驗，試驗使用高模量瀝青混凝土設計參考法國設計方法進行，設計結果及要求如表3所示。

表3 高模量瀝青混凝土設計結果

1.3 結構參數(shù)獲取

本文中采用上述設計的高模量瀝青混凝土，中國現(xiàn)行公路瀝青路面設計規(guī)范JTG D50—2017[17]中明確提出采用單軸壓縮動態(tài)模量作為瀝青層材料參數(shù)，進行路面結構分析與設計。為了更好地促進高模量瀝青混合料在中國的應用， 又可與新版瀝青路面設計規(guī)范對接，本文中高模量瀝青混凝土動態(tài)模量取值均采用20 ℃、10 Hz條件下單軸壓縮模量，經(jīng)實測高模量瀝青混凝土標準條件下的動態(tài)模量為16 000 MPa。

2 路面結構與計算方案

2.1 路面結構

依托沾臨高速實體工程，基于山東省典型全厚式瀝青路面結構，本文中采用的路面結構如圖1所示，采用的計算參數(shù)見表4。

圖1 典型全厚式瀝青路面結構Fig.1 Typical full thickness asphalt pavement structure

表4 計算采用典型全厚式瀝青路面結構參數(shù)

2.2 荷載模型

基于彈性層狀理論體系設計柔性路面時，荷載模型必須是軸對稱的， 即輪載與路面的接觸面積為圓形，并假定接觸壓力在圓形范圍內(nèi)均勻分布，其大小與輪胎胎壓相等。雖然，實際輪載與路面的接觸形狀并非標準圓形，但由于計算采用荷載為標準軸載，因而產(chǎn)生的誤差非常小，可以滿足工程需求。

本文中選取車輛靜止狀態(tài)下引起的結構響應為最不利狀態(tài)進行分析，以證明高模量瀝青混合料用于全厚式瀝青路面對路面結構性能的改善，將車輛荷載簡化為靜態(tài)荷載，荷載參考中國現(xiàn)行公路瀝青路面設計規(guī)范取定，荷載P圖示如圖2所示。

圖2 力學響應計算荷載圖示Fig.2 Load diagram of mechanical response calculation

2.3 力學響應指標選定

當前，采用力學-經(jīng)驗法的基本思路構建路面結構設計體系是路面設計發(fā)展的趨勢所在，一般采用力學-經(jīng)驗法進行路面結構設計時，需要根據(jù)路面結構類型及材料參數(shù)確定關鍵力學指標，參考國際上幾個代表性國家瀝青路面設計方法，采用表5中力學響應指標，開展高模量瀝青混凝土路面力學響應分析。

表5 關鍵力學響應指標

2.4 計算方案

為明確高模量瀝青混合料在全厚式瀝青路面中合理層位，擬定6種工況，即典型全厚式瀝青路面和分別將高模量瀝青混合料用于下面層、基層、底基層、 基層+底基層、下面層+底基層，分別計算6種工況下路面結構力學響應，以確定高模量瀝青混合料的合理層位設置。

3 高模量瀝青混凝土合理層位設置

3.1 剪應力

圖3所示為荷載作用6種工況下路面結構內(nèi)部結構縱向剪應力在內(nèi)側輪載中心處沿深度方向變化情況；圖4所示為6種工況下剪應力改善率情況。

由圖3和圖4可知，6種工況條件下，路面結構剪應力最大值均位于上面層底部(距路表40 mm)，工況二條件下剪應力最大，這是由于下面層高模量瀝青混合料的設置，下面層模量增大，使得剪應力增大，工況六同樣在下面層設置了高模量瀝青混合料層，但由于底基層中也設置了高模量瀝青混凝土層，使得結構受力更加合理，最大剪應力反而比其他工況都要小，改善率達到22.3%。

圖3 6種工況下剪應力沿深度方向分布Fig. 3 Distribution of shear stress along depth under six working conditions

圖4 6種工況下剪應力改善率Fig.4 Shear stress improvement rate working under six conditions

3.2 荷載中心點彎沉

根據(jù)分析結果，圖5所示為6種工況條件下路表彎沉響應規(guī)律及改善率。

由圖5可知，6種工況條件下，含高模量瀝青混凝土層的結構彎沉響應均小于不含的結構，由于放置層位不同，改善率有所差異，位于下面層及底基層時改善率最大，達到5.9%。

圖5 輪隙中心點彎沉響應及改善率Fig.5 Deflection response and improvement rate of center point of wheel gap

3.3 瀝青層層底拉應變

圖6所示為荷載作用6種工況下路面結構拉應變沿深度方向分布，圖7所示為各工況下拉應變改善率。

圖6 六種工況下彎拉應變沿深度分布Fig.6 Distribution of bending tensile strain under six working conditions

圖7 六種工況下彎拉應變改善率Fig.7 Improvement rate of bending tensile along depth stress under six working conditions

由圖6和圖7可知6種工況條件下，瀝青路面結構最大彎拉應變均發(fā)生于瀝青層層底，彎拉應變沿深度方分布規(guī)律并不一致，高模量瀝青混合料層的設置，均使路面瀝青層層底最大彎拉應變減小，只是由于設置層位的不同，使得彎拉應變減小幅度有所不同，其中，工況六的瀝青層層底彎拉應變最小，改善率達到26.4%，從理論角度說明，高模量瀝青混合料用于下面層和底基層對彎拉應變改善作用最大。

3.4 路基頂面壓應變

6種工況條件下路基壓應變響應規(guī)律及改善率如圖8所示。

由圖8可知，六種工況條件下，含高模量瀝青混凝土層的結構土基壓應變響應均小于不含的結構，由于放置層位不同，改善率有所差異，位于下面層及底基層時改善率最大，達到22.75%。

圖8 六種工況下土基壓應變響應及改善率Fig.8 Response and improvement rate of soil foundation under six working conditions

4 各層模量的影響

如前所述，高模量瀝青混合料層為位于下面層和底基層為最為合理。 為分析各結構層模量對全厚式高模量瀝青路面力學響應的影響，擬定計算方案如表6所示的計算方案，計算結果如表7所示。

表6 不同模量水平計算方案

表7 正交試驗計算結果

根據(jù)表7計算結果，并分析各類因素極差，結果如表8和表9、圖9與圖10所示。

表8 瀝青層層拉應變極差計算結果

表9 土基頂部壓應變極差計算結果

圖9 瀝青層層底彎拉應變極差分析結果Fig. 9 Analysis results of bottom bending strain on top of soil foundation

圖10 土基頂部壓應變極差分析Fig.10 Range analysis of compressive strain tensile range of asphalt layer

從圖9可以看出，各層模量對瀝青層層底彎拉應變值的影響程度依次為：路基模量>疲勞層模量>底基層模量>下面層模量>上面層模量>基層模量?？梢娐坊Ａ?、疲勞層模量、底基層模量、下面層模量對瀝青層層底彎拉應變值有顯著影響。由圖10可見，各層模量對路基頂面壓應變的影響程度依次為：路基模量>疲勞層模量>下面層模量>上面層模量>基層模量>底基層模量。綜合分析圖9和圖10，可見土基模量對于瀝青層底彎拉應變值及土基頂面壓應變值影響最大，因此，全厚式高模量瀝青路面結構對于土基剛度要求比較高；對于疲勞層，其作為功能層，大部分采用細級配和富瀝青含量，在設計和應用中應注重保證其剛度，底基層和下面模量對于其彎拉應變和土基壓應變也有較大影響，此處，也證明了高模量瀝青混合料設置于下面層和基層的合理性。綜上分析，可采取提升土基模量(對路基進行特別設計)、使用高模量瀝青混合料、采用富瀝青疲勞層等技術手段來改善瀝青路面結構性能，以此來獲得耐久性瀝青路面。

5 結論

(1)6種工況條件下，路面結構剪應力最大值均位于上面層底部(距路表40 mm)，工況二條件下剪應力最大，工況六最大剪應力反而比其他工況都要小，改善率最大，達到了22.3%。

(2)6種工況條件下，瀝青路面結構最大彎拉應變均發(fā)生于瀝青層層底，彎拉應變沿深度方分布規(guī)律并不一致，其中工況六的瀝青層層底彎拉應變最小，改善率達到26.4%。

(3)6種工況條件下，含高模量瀝青混凝土層的結構彎沉、土基壓應變響應均小于不含的結構，最大改善率分別達到了5.9%和22.75%。

(4)從理論角度分析，要降低路表彎沉、減小瀝青層層底彎拉應變及路基頂部壓應變、降低上面層底部剪應力，在下面層和底基層設置高模量瀝青混凝土層合理。

(5)經(jīng)正交試驗，極差分析得出，高模量瀝青混凝土層設置于下面層及底基層是合理的，可以通過提升路基模量、采用高模量瀝青混合料、設置抗疲勞層來獲得耐久性瀝青路面。