基于弯沉等效原理的沥青路面结构承载力评价研究

吴小恋

(广东省交通运输建设工程质量检测中心， 广东 广州 510420)

准确、有效地掌握沥青路面结构的承载力并预测其变化规律，对路面设计、施工和养护具有重大的意义。JTG H20—2007《公路技术状况评价标准》根据路面结构强度指数这一综合指标来评价沥青路面结构强度，而该指标与路面整体或各结构层的承载力相关性差。在落锤式弯沉仪(FWD)诞生后，通过弯沉盆反算路面结构层模量的方法，为沥青路面结构承载力的评价开辟了一条路径。

FHScrivner(1968)首次将FWD弯沉盆应用到路面结构力学的反问题中，并编制了诺模图；随后学者们又相继开发了MODCOMP(Irwin，1983)、WESDEF(1989)、MODULUS(Uzah，1988)、SIDMOD(王复明，1996)等反算程序。2005年，SIDMOD与MODULUS、MODCOMP、WESDEF软件的初值敏感性、用户敏感性、拟合误差、反算精度及实用性的对比结果表明，SIDMOD在“沥青层+基层+路基”3层式的路面结构中反算精度最高。在此基础上，唐伯明(1989)建立了路表弯沉与路面性能之间的关系，并分别提出了路基、基层和面层弹性模量预估公式；黄卫(1998)、Hee Mun Park(2001)通过回归分析，建立了路面弯沉与路用性能指标的关系。随后，关于反算模量与室内模量的对比研究也层出不穷，AASHTO(1993)、FHWA(1994)分别认为反演模量是静模量的3倍、2倍以上；职雨风(2005)对各层材料反算结果的变异性进行了分析，表明变异性由大到小依次为水稳基层、沥青面层、土基；朱金鹏(2016)根据FWD检测到的路基动态弯沉，利用反算模型建立了路基动态静态回弹模量之间的幂指数关系，以此评价路基的强度；彭妙娟(2018)通过建立沥青路面黏弹性反算模量的有限元模型，将反算结果替换原始模型中的初始模量，并进行正分析，结果表明正反分析的弯沉盆匹配度较高。

综上所述，利用弯沉盆进行模量反算的研究方法大体可以分为3类：① 利用反算模量进行有限元数值模拟或者计算解析解来获取关键层底应力和应变，以预估路面寿命；② 通过回归分析等手段建立路面弯沉盆指标与路面结构使用性能之间的关系来评价路面结构承载能力；③ 建立反演模量与室内材料模量关系来评价路面结构承载能力。

然而，第①类研究中的模量反算和疲劳寿命预估两个阶段的误差累计会导致精度较低；第②类研究中的预估公式仅反映路面单一方面的使用性能，且适用性不高；第③类研究紧密联系了反算模量与室内材料模量的关系，但忽略了温度对沥青材料的影响，造成变异性较大、可行性差。

该文依托某高速公路科研试验路中5种路面结构的温度采集数据，通过室内试验、弯沉盆反算、动态模量阈值确定，建立沥青路面结构承载力的评价方法，评价结果与试验路使用性能相符。研究成果可为沥青路面承载力的快速评价提供参考和借鉴。

1 试验路概况

某高速公路科研路中的5种路面结构形式如表1所示，上面层均采用4%SBS+4%UⅡ复合改性沥青；中面层均采用3.5%SBS改性沥青；下面层、柔性基层均采用70#基质沥青。

表1 某高速公路科研试验路结构形式

2 弯沉盆等效原理

弯沉盆等效原理用于将室内动态模量初始值转化为各结构层的当量模量标准值。

具体应用方法如下：在5种结构中埋置温度传感器以获取各结构层实时温度，结合沥青混合料室内动态模量试验获得的主曲线和移位因子，得到各结构层在对应温度下的动态模量初始值；将动态模量初始值输入Bisar3.0计算软件，层间接触条件设置为完全连续，得到各结构对应的理论弯沉盆；根据理论弯沉盆，应用反算程序得到各结构层的当量模量，反算过程中假设层间接触条件为完全连续，称此当量模量为标准值。

3 动态模量真值

3.1 沥青混合料动态模量真值

已有研究表明：级配类型或胶结料的性能相似时，可将沥青混合料动态模量归为同类予以研究。根据科研试验路沥青混合料类型，胶结料相同时，将AC-13、SMA-13、Superpave12.5、AC-20归为一类，同时将AC-25、AC-30、AM30、ATB30分别归为一类。

归类后，室内共进行了8种混合料的动态模量试验，试验温度为-10、5、20、35、50 ℃，荷载频率为0.5、1、2、5、10、20、25 Hz。试验结果如表2所示。

表2 不同混合料的主曲线模型

根据各结构层埋置的温度传感器实测得到各结构层的实时温度，利用表2中已建立的动态模量主曲线模型，得到各沥青层的动态模量初始值，如表3所示。

表3 试验路沥青层动态模量真值

3.2 基层材料动态模量真值

科研试验路水稳基层合成级配如表4所示；三灰稳定碎石的配比为水泥∶石灰∶粉煤灰∶碎石=2∶5∶13∶80，其中，(1～3 cm碎石)∶(0.5～1 cm碎石)∶石屑=30∶25∶45；试验采用P.O.42.5级水泥。

表4 水泥稳定碎石设计级配

在试件成型、养生28 d、密封保存180 d后，进行恒定温度20 ℃下的动态模量测试。

根据FWD荷载作用时间(约为0.28 s)换算荷载作用频率为35 Hz左右。由表5试验结果可得水稳碎石的动态模量真值为1 435.4 ksi(9 818 MPa)，三灰碎石的动态模量真值为274 ksi(1 874 MPa)。

表5 基层材料试验结果

3.3 底基层及土基模量真值

由于底基层及土基材料黏聚力较弱，在冲击荷载作用下易分散，故难以通过动态模量试验测试动态模量初始值。

因此，通过建设期FWD的大量测试反算数据，得到了压实度、强度满足规范要求下的级配碎石、水稳砂砾及土基的动态模量真值，如表6最后一列所示。

表6 底基层材料及土基模量真值

4 动态模量衰减阈值

为了研究动态模量衰减阈值，开展了同温度(20 ℃)、同频率(10 Hz)、不同应力比下沥青混合料与水稳碎石材料动态模量与弯拉劲度模量的比值关系研究，试验结果如表7所示。在不同应力比作用下，AC-20的动态模量与弯拉劲度模量比值基本相等，动态模量与弯拉模量同大或同小，表明弯拉模量同动态模量的变化规律一致。为了验证该结论，在AC-20基础上，通过分别改变沥青类型(4.5%SBS改性沥青)、添加抗车辙剂(0.4%路宝)、添加纤维(0.4%纤维)，亦可得到此结论。此外，如表8所示，水泥稳定碎石在不同应力比下的比值也基本相同，进一步验证了此结论。因此，在难以获取动态模量衰减规律时，可通过研究弯拉模量的衰减规律来间接获取。

表7 不同材料动态模量与劲度模量比值

表8 水稳材料动态模量与劲度模量比值

在试验室内获取动态模量的衰减规律，目前暂无较好的方法。然而，MTS810试验系统中的四点弯曲恒应力疲劳试验可以获取弯拉模量的衰减规律，如此便为研究动态模量衰减规律和衰减阈值提供了一条途径。定义弯拉衰减模量阈值为弯拉模量加速衰减时所对应的弯拉模量，通过疲劳曲线中的转折点来确定。根据上文弯拉模量与动态模量的同大同小变化规律，可以通过衰减模量阈值来确定动态模量衰减阈值。

沥青混合料应力水平共3个水平，分别为0.4、0.6、0.8；水泥稳定碎石应力水平共7个水平，分别为0.80、0.75、0.70、0.65、0.60、0.55、0.50；试验温度分别为15、20 ℃，试验频率均为10 Hz，加载波形均为偏正弦波，试件尺寸均为40 mm×40 mm×200 mm，平行试验为3次。试验结果如表9、10所示。

表9 不同混合料试件的劲度模量衰减阈值

表10 水泥稳定碎石小梁试件动态弯拉劲度模量衰减阈值

由表9、10可得：随着应力比的增大，小梁试件疲劳寿命不断降低，弯拉劲度模量衰减加快，劲度模量阈值减小；不同应力比对应不同的交通荷载等级，表明重载交通对于路面结构使用年限减少作用显著。沥青混合料和水泥稳定碎石衰减规律不同，后者随着应力比的增加衰减更为显著。可见，对于不同交通荷载等级、不同材料类型应给定不同的模量衰减阈值。

路基强度是整个路面结构强度的基础，路基结构模量衰减对于路面结构承载力水平影响极为重要。因此，路基结构动态模量不宜采用衰减评价方法。

综上考虑，将应力比0.6作为划分轻、重交通等级的界限。各结构层模量衰减阈值如表11所示。

表11 各结构层动态模量衰减阈值

5 沥青路面结构承载力评价

在对科研试验路进行温度采集的同时，应用FWD以获得路面结构实际弯沉盆，再应用反算程序得到各结构层的反算模量，称此反算模量为当量模量衰减值。

文献[6]表明SIDMOD反算程序在“沥青层+基层+路基”3层式的路面结构中精度最高，因此，选择SIDMOD反算程序对FWD获取的弯沉盆进行路面结构层的模量反算。此外，根据某科研路的交通量及通车后的实际路况，反算过程中提出层间完全连续的假设是合理的。

根据理论弯沉盆、实测弯沉盆反算得到了当量模量标准值和当量模量衰减值，通过将后者与前者的比值与阈值比较，以评价沥青路面结构承载力的强弱。

科研试验路交通量约为2 500 pcu/d，货车比例低，无超载车辆，属于轻交通等级。此外，根据历年病害统计，结构1、2柔性基层路面无车辙、开裂损坏；结构3柔性基层路面有轻微的路面裂缝；结构4、5半刚性基层沥青路面试验段存在基层反射开裂问题，无车辙损坏。

如此便建立了相同温度下当量模量标准值与当量模量衰减值的一一映射关系，根据两者比值同阈值的大小关系以进行沥青路面结构承载力的评价，承载力评价结果如表12所示。

表12 科研试验路路面结构承载力评价

续表12

与表11的动态模量阈值比较，结构1、2路面面层、基层、路基标准动态模量与衰减动态模量比值均大于阈值，路面结构承载力良好，结构3路面面层标准动态模量与衰减动态模量比值小于阈值，表明沥青层承载力不良，结构4、5路面基层标准动态模量与衰减动态模量比值小于阈值，表明半刚性基层承载力不良。

5种路面结构承载力评价结果与路面使用性能总体表现一致，表明该文提出的承载力评价方法具备可行性和准确性。

6 结论

(1) 基于弯沉盆等效原理，利用动态模量初始值、理论弯沉盆、实测弯沉盆数据，根据当量模量衰减值与当量模量标准值比值同阈值的大小关系，提出了一种评价沥青路面结构承载力的方法。

(2) 确定了轻、重交通荷载等级下沥青层模量衰减阈值分别为0.6、0.7；而不同交通荷载等级下基层和路基的衰减阈值分别为0.7、1.0。

(3) 利用该方法，将科研路5种结构的当量模量衰减值和标准值的比值与阈值比较，可分别或综合评价各结构层或结构整体的承载能力，评价结果与试验路的实际路用性能一致。