全柔性沥青路面弯沉验收标准研究*

李伟聪 龚侥斌

(广东交科检测有限公司1) 广州 510420) (赣州市城乡规划设计研究院2) 赣州 341000) (广州大学土木工程学院3) 广州 510006)

0 引 言

全柔性基层沥青路面结构为丰富我国长寿命路面结构型式，解决半刚性基层沥青路面早期典型病害提供了良好的实践平台.然而，我国现阶段缺乏有关柔性路面质量评定的相关标准，柔性路面的竣工验收主要是参照半刚性基层沥青路面而展开.针对不同的设计理念、受力模式，采用同一标准将导致弯沉验收标准的不适应性.

林榕[1]针对我国现行规范规定的弯沉验收标准中的不足之处，提出了基于含水量变化和半刚性基层材料回弹模量随温度、龄期的变化规律，给出了路表弯沉验收公式；王璜[2]研究认为现行弯沉设计标准体系不适用于柔性基层的沥青路面结构，根据柔性层总厚度对弯沉验收值进行了界定；王理吉[3]通过分析新疆地区的气候特点，提出了考虑季节、半刚性基层材料强度、检测时间的路面弯沉验收方法；刘卫平等[4]提出了新的F计算式，适用于厚沥青混凝土层路面结构形式；高英等[5]引入材料的动态参数计算沥青路面路表弯沉，并与路表实测弯沉进行比较，使沥青路面设计中设计参数与控制指标状态一致，并去除弯沉综合修正系数及其不当影响；凌天清等[6]根据弹性层状体系理论的计算结果，提出了半刚性基层沥青路面弯沉的综合修正系数公式.

综上所述，现有研究考虑了地区、季节、材料强度、路面厚度等因素对路表弯沉的影响，丰富了现有弯沉验收标准的内涵.然而，其研究对象主要是针对半刚性基层沥青路面，对全柔性沥青路面涉及较少，采用其研究成果仍会出现适应性不足.

因此，本文依托广河全柔性沥青路面结构型式，在大量现场实测数据、理论计算基础上，分析了广河高速弯沉普遍大于设计值的原因；基于可靠度的概念，进而提出了级配碎石层顶面及路表弯沉的F修正公式，研究成果可为柔性路面的弯沉验收提供依据.1 工程概述广河高速惠州段结构设计采用倒装式柔性基层沥青路面结构，上面层采用4 cm厚Sup-12.5、中面层7 cm厚Sup-19、下面层8 cm厚Sup-25，上基层9 cm厚ATB-25、下基层32 cm厚级配碎石、底基层15 cm厚水泥稳定碎石.半刚性材料作为底基层主要有两个功能：①保护路基土，降低路基土顶面压应力水平；②作为级配碎石的下卧层，有利于级配碎石的充分碾压，同时由于级配碎石力学的非线性特点，可以提高级配碎石的模量.原设计文件给出的结构组成、材料设计参数、设计弯沉,以及各结构层顶面弯沉值见表1.

表1 广河高速惠州段沥青混凝土路面结构及设计弯沉

/cm/MPa/0.01mmHPDS2011/0.01mmBISAR3.0/0.01mm4SBSSup-12.51 4003024.6467SBSSup-191 20032.627.6498Sup-251 00040.534569ATB-251 2004544653230063607415110015514213540230233223

由表1可知，采用HPDS2011计算得到的弯沉值与设计弯沉值相差较小，基本处于一个水平；而采用BISAR3.0计算的得到的弯沉值普遍大于设计弯沉值.本文暂且不对设计弯沉的合理性进行讨论，而是重点分析实测弯沉值与设计值、计算值的偏离程度.

在广河高速公路施工过程中，对各结构层顶面弯沉进行逐段、逐层检测，将实测值与设计值、计算值进行比较，见图1.图1的横坐标为路段编号，每个路段的对应的弯沉代表值(纵坐标)由多个点位测试值计算得到.限于篇幅，仅给出土基、水泥稳定碎石、级配碎石、ATB顶面及路表弯沉代表值的情况.

图1 各结构层顶面弯沉代表值分布情况

根据图1及现场实测的数据，统计分析各结构层顶面弯沉合格率，见表2.

由表2可知，按照设计值、HPDS2011计算弯沉值、BISAR3.0计算弯沉值三种不同标准计算得到的合格率虽有一定的差异，但仍存在共性：土基和水稳层合格率均较高，而级配碎石层、ATB结构层合格率很低.

按照设计值、HPDS2011计算弯沉值计算得到的三层沥青层顶面合格率较为一致，与按照BISAR3.0计算得到的合格率相差较大.根据文献[2]的研究成果，认为HPDS计算的弯沉偏小、BISAR3.0计算的弯沉值偏大，且文献[4]研究认为结构组合设计应注重结构和材料功能一体化，假设BISAR3.0计算值很精确，但结构层中仍有级配碎石和ATB弯沉结构组合不合理的弊端.

经对比分析，可以认为BISAR3.0计算的弯沉值偏大，造成面层弯沉值合格率偏高的假象.如此，进一步分析，可得级配碎石层及以上各层顶面弯沉合格率均很低.由此，造成本文研究的全柔性路面结构弯沉普遍不合格的根源在于级配碎石的合格率过低.

2 理论分析

为了验证全柔性路面结构弯沉普遍不合格的原因，应用BISAR3.0计算软件进行对比分析，试图找到造成弯沉普遍不合格的根源.

因HPDS2011计算软件无法设置材料参数，故不能体现材料参数的差异对弯沉值的影响，本文采用BISAR3.0计算软件进行计算分析.计算过程假定层间完全连续，参照文献[5]之规定：采用双轮组单轴载100 kN 作为标准轴载，当量圆半径为R=10.65 cm，轮胎接地压强为p=0.7 MPa.

在其他结构层材料参数取值参照表1且保持不变的情况下，级配碎石模量取值范围为100～400 MPa，变化值间距为50 MPa.提取路表弯沉(轮隙中心)及级配碎石层顶面弯沉值，见图2a).同时，四层沥青层模量整体变化幅度范围为[-400，200] MPa，变化间距为100 MPa.如-400 MPa对应四层沥青层由上至下的模量组合为(1 000,80,600,800 MPa),其中，上面层模量取值计算方法为1 400-400=1 000 MPa，余下类同.提取路表弯沉(轮隙中心)及级配碎石层顶面弯沉值，见图2b).

表2 根据各标准值计算的合格率情况

/0.01mm/%HPDS2011/%BISAR3.0/%124.6～217.010010010073.7～162.795958055～1447711ATB-2569.8～146.8000Sap-2530～9121855Sap-1929.5～70807531～600095

图2 弯沉值随级配碎石模量和沥青层模量变化规律

由图2a)可得，在路面结构厚度和其他层位刚度不变的情况下，路表弯沉l和级配碎石顶面弯沉l0均随着级配碎石层模量E1的增加而减小，特别是在E1较小时，下降趋势较为明显.在E1增加的过程中，Δl=l-l0变化很小，即减去级配碎石层、水稳层、土基三部分产生弯沉后，由沥青层产生的弯沉值基本上保持不变.如当E1=100 MPa时，Δl=0.018 1 mm；当E1=400，Δl=0.019 9 mm.

图2b)可得，在路面结构厚度和其他层位刚度不变的情况下，路表弯沉l和级配碎石顶面弯沉l0均随着沥青层模量E2的增加而减小，但下降幅度较小.级配碎石层模量由100 MPa增加至400 MPa时，路表弯沉下降了14.45(0.01 mm)，下降幅度为24.8%；沥青层模量整体提高了600 MPa，路表弯沉下降了5.88(0.01 mm)，下降幅度为11.6%.

综上分析可得，级配碎石层模量的变化对路表弯沉的影响远大于沥青层，级配碎石层模量较低时，虽沥青层模量较高，但仍会造成路表弯沉较大.

3 弯沉修正及验证

3.1 基于95%可靠度的弯沉修正

参考文献[7]中可靠度的概念，以大量实测弯沉值为依据，考虑修正后的弯沉值大于实测值的可靠度为95%， 即假设广河高速设计合理、结构方案正确的前提下，根据实测值对弯沉计算方法加以修正.

根据文献[8]所提出的三层路面结构的路表轮隙弯沉值为

(1)

(2)

其中：p为标准轴载的轮胎接地压强，MPa；δ为标准荷载圆半径，δ=10.65 cm；E1为第一层材料回弹模量，MPa；E2为第二层材料回弹模量，MPa；E3为土基回弹模量值，MPa.

由文献[9]可知：

(3)

(4)

将式(4)带入式(3)可知：

ls=2 000δ×(1.63w)1.613×(p/E0)1.032

(5)

采用式(1)计算级配碎石层顶面的弯沉时，第一层为级配碎石层，第二层为水稳材料层，第三层为土基，材料参数取值参照表1.

根据前文分析得到级配碎石层弯沉合格率普遍偏低的现象，综合式(3)～(5)可知，我国规范中的弯沉计算公式不适用于全柔性沥青路面，根据现行公式计算造成全柔性路面的验收标准过高，以致于合格率低,因此，可以考虑对现行规范的弯沉计算公式进行系数修正.以ls为因变量，则自变量中可以调整的有系数1.63、幂次项0.38和幂次项0.36.为了保证和现行规范公式的一致性，维持式(4)中幂次项0.38和幂次项0.36不变，对系数1.63进行修正.

应用SPSS进行线性回归，将公式中的系数由1.63修正为2.363 5时，计算公式与现场实测数据吻合较好，且能满足95%可靠度的要求.修正后的F值计算公式及弯沉值计算公式为

(6)

ls=2000δ×(2.363 5w)1.613×(p/E0)1.032

(7)

级配碎石层顶面和路表弯沉修正图见图3.修正后的路表弯沉值为43.5(0.01mm)，20个实测路段的弯沉代表值，有19个路段满足，可靠度为95%.

图3 弯沉修正

3.2 广河高速惠州段交工验收弯沉标准

为了验证路表弯沉验收标准的合理性，于2011年11月22—25日到现场采用贝克曼梁弯沉仪对广河高速柔性路面路表弯沉进行了测试，结果见表3.

表3 广河高速惠州段路表弯沉检测结果

按照文献[9]对表3中的弯沉代表值进行了温度修正，根据修正后的弯沉值，现场测定的12个路段的代表弯沉值合格为11/12=92%.

4 使用效果

广河高速于2011年底通车，运营至今将近7年，根据历年对沥青路面结构强度、破损、平整度、车辙、路表弯沉及渗水系数的跟踪观测，历年的检测结果表明广河高速在运营期内并未出现结构性破坏，仅出现柔性路面较为常见的坑槽、裂缝等病害.表明文中关于广河高速设计合理、结构方案正确的假设在合理范围内.

由广河高速实际营运情况可见，本文提出的基于可靠度的弯沉修正标准值合理，可以指导柔性路面的弯沉验收工作.

5 结 束 语

针对广河高速全柔性沥青路面弯沉实测值较设计值普遍偏大、合格率低的现状，对各结构层顶面实测值进行统计分析，结合理论分析结果，表明全柔性路面结构弯沉普遍不合格的根源在于级配碎石的合格率过低.

根据三层路面结构的路表轮隙弯沉值计算简化公式，并基于可靠度理论，分析得到了满足95%可靠度的F修正系数，以此确定了广河全柔性沥青路面的弯沉验收标准值.

广河高速通车七年之久，并未出现结构型破坏，验证了本文提出的弯沉修正方法及弯沉验收标准合理.