摘要:本文從交通荷載、氣候條件和材料特性3個方面介紹了國外力學經(jīng)驗法的瀝青路面設計以及這種方法中所采用的疲勞準則和在中國瀝青路面設計中的應用。供業(yè)內(nèi)人士參考。
　　關鍵詞:瀝青路面;交通荷載;材料特性;氣候條件;Miner準則
　　1引言
　　德國道路歷史久遠,質(zhì)量優(yōu)良,特別在瀝青路面設計理論研究和施工工藝方面一直位居世界前列。傳統(tǒng)的德國瀝青路面設計采用的是德國道路交通研究會(FGSV)頒布的RStO01標準(路面結(jié)構(gòu)設計標準),這種方法主要依賴經(jīng)驗,參考一些基礎的數(shù)據(jù),如當量10t標準軸載的累積次數(shù)、地質(zhì)條件和標準的結(jié)構(gòu)層及組合。近年來隨著交通量的增加、氣候條件的改變和新型材料的發(fā)展等,力學經(jīng)驗的分析法悄然興起。這種力學分析方法,采用結(jié)構(gòu)分析的理論和計算方法,建立多維的有限元模型,綜合考慮荷載、材料、氣候和地質(zhì)等因素的影響,確保路面既經(jīng)濟又安全地在服務期限內(nèi)發(fā)揮較好的使用性能。
　　2交通荷載
　　并由累計交通量來確定路面的等級。RStO01將瀝青路面分為7個等級,分別為SV、Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ和Ⅵ,每個路面等級又對應著7種不同的路面結(jié)構(gòu)層厚度、組合及材料組成(1,2.1,2.2,2.3,3,4,5)。標準軸載累計交通量計算有兩種方法:一種是在重車沒有準確軸載統(tǒng)計的情況下,根據(jù)預估交通重車數(shù)量,并根據(jù)多年經(jīng)驗,得到不同公路交通等級軸載數(shù)量系數(shù),從而計算出標準軸載數(shù)量;另一種方法是在較準確掌握重車軸載數(shù)量的情況下,計算累計交通量。
　　Dresden模型認為,行駛在瀝青路面上的車輛軸載從2～20t不等,以2t遞加將軸載覆蓋范圍劃分為10個軸載種類(2,4,6,⋯,20t),通過調(diào)查的年軸載作用次數(shù)和每種軸載所占比例,分別計算每類軸載以及該類軸載對應的軸載次數(shù)下引起的應力和應變以及其造成的疲勞破壞。這種交通量的計算方法,將各類軸載都考慮在內(nèi),不需進行標準軸載的換算,與實際的交通對路面所施加的荷載作用更加吻合。
　　3氣候條件
　　路面結(jié)構(gòu)持續(xù)經(jīng)受著各種環(huán)境因素的綜合作用。實踐表明:溫度對瀝青路面的承載能力和使用性能都有著顯著的影響。準確預測瀝青路面溫度的分布特性和變化規(guī)律具有重要的理論和現(xiàn)實意義。對路面溫度場分布的研究方法一般分為兩類:一類是根據(jù)氣象學和熱傳學的基本原理采用數(shù)值分析方法建立瀝青路面溫度場的預測模型,可以稱之為理論分析法;另一類是根據(jù)路面溫度的實測數(shù)據(jù)和氣象資料采用回歸分析方法建立路面溫度場與環(huán)境因素之間的定量關系,可以稱之為統(tǒng)計分析法。路面溫度預估方法的研究經(jīng)歷了半個多世紀的發(fā)展,研究的內(nèi)容日益豐富,技術不斷進步,針對性越來越強,研究成果在實踐中也得到越來越廣泛的應用。Dresden模型采用的路面溫度預估模型為:
　　y=a•ln(0.01x+1.0)+b(1)
　　式中:y為距離路表x處的溫度(℃);x為距離路表的深度(cm);a、b為參數(shù)(表1)。
　　
　　在這個路面溫度預估模型應用中,除了有大量實測的路表溫度數(shù)據(jù)外,還需對長期時間內(nèi)路表溫度出現(xiàn)的頻率有詳細的調(diào)查,通過公式(1)、瀝青混合料動態(tài)模量及疲勞準則,可以預測瀝青層的疲勞壽命。
　　4材料特性和結(jié)構(gòu)層厚度
　　4.1材料特性
　　模型建立的過程中,多種路用材料模型貯存在材料數(shù)據(jù)庫中。貯存的材料包括粘結(jié)類材料,如瀝青、瀝青混合料和水硬性粘結(jié)材料等;非粘結(jié)材料如碎石、礫石和各類土。另外還貯存有各種材料的基本特性,如彈性模量、泊松比等,這些特征值并非全是固定不變的,有些是隨著外界環(huán)境的改變而改變的,因此需要建立與影響它們的因素之間的關系。當研究出新型材料時,完全可以在材料數(shù)據(jù)庫中添加。在路面結(jié)構(gòu)層設計中,從數(shù)據(jù)庫可以隨意調(diào)用選取材料,并不斷進行調(diào)整,以達到最理想的材料組成。
　　4.2結(jié)構(gòu)層組合及其厚度選擇
　　無論是經(jīng)驗法還是力學分析法,瀝青路面結(jié)構(gòu)一般均由瀝青面層、瀝青聯(lián)結(jié)層和承重層組成。承重層有多種結(jié)構(gòu)形式,有瀝青混凝土承重層、礫石承重層、碎石承重層、防凍層和水硬性粘結(jié)材料承重層等。完成材料的選擇后,接著最重要的就是從下向上選擇不同的結(jié)構(gòu)層。對于整個結(jié)構(gòu)的每一層,除防凍墊層之外,都先賦初值,然后通過程序不斷優(yōu)化,最后確定最佳的路面結(jié)構(gòu)層及其厚度。選擇結(jié)構(gòu)層及其厚度的過程中需注意:一是盡管采用的是多層體系,但整個體系的最大厚度和最小厚度都有限制,如高等級瀝青路面總厚度控制在55～85cm之間,以確保整體的連續(xù)性及穩(wěn)定性;二是在德國防凍墊層有著非常嚴格的要求,不同土壤類型需滿足最小防凍厚度的要求,這樣可避免由于冬季低溫及連續(xù)降溫對路面造成的各種損壞;三是確保材料和各結(jié)構(gòu)層更好地結(jié)合在一起,如需要滿足各層的最小厚度與材料粒徑的最大尺寸之間的關系。對于這些最小與最大厚度,當?shù)刭|(zhì)條件、路面類型已知的情況下,Dresden模型都可以自動地進行檢測并進行調(diào)整。
　　5疲勞準則
　　許多國家在瀝青路面設計的力學分析方法中,均從交通荷載、氣候條件、各種結(jié)構(gòu)層和材料特性等主要因素進行考慮。不同之處主要體現(xiàn)在這些影響因素以不同的形式、不同的方法、不同的理論進行換算、轉(zhuǎn)換并應用于不同的疲勞準則。Dresden模型主要采用Miner線性累計損傷理論假設,預估瀝青路面各結(jié)構(gòu)層在各類軸載和各級溫度作用下的疲勞損壞程度。
　　≤1(2)
　　式中:Na(b,c,⋯)為在a(b,c,⋯)情況下實際荷載循環(huán)次數(shù);NBa(b,c,⋯)為在a(b,c,⋯)情況下可允許的荷載循環(huán)次數(shù)。
　　如果式(2)左邊的值大于1,則說明疲勞損傷累積最終發(fā)生了破壞,那么模型就需要改變結(jié)構(gòu)層厚度,重新進行驗算。針對瀝青路面的主要損壞類型,疲勞準則主要應用在瀝青層、無粘結(jié)料承重層或者路基頂、水性粘結(jié)承重層。以下對各結(jié)構(gòu)層所采用的計算分析模型進行說明。
　　5.1瀝青承重層
　　疲勞準則在瀝青層的應用主要是通過瀝青層層底的拉應力來體現(xiàn),因為瀝青層層底是疲勞開裂最早且最容易發(fā)生的地方。
　　N=(3)
　　式中:N為允許的荷載循環(huán)次數(shù);E為瀝青混合料的動態(tài)模量,與荷載頻率、溫度和瀝青混合料的組成有關;σ為瀝青層層底彎拉應力;γ為安全因子(表2)。
　　
　　5.2無粘結(jié)料承重層或路基頂
　　在路基頂及無粘結(jié)料承重層,包括碎、礫石承重層和防凍層,荷載的長期反復作用引起的壓應變是引起破壞最主要的因素,因此通過無粘結(jié)料承重層或者路基頂壓應力,由式(4)計算允許的荷載循環(huán)次數(shù)。
　　N=(4)
　　式中:N為允許的荷載循環(huán)次數(shù);Ev2為底基層或墊層非粘結(jié)材料和土基的彈性模量,可通過承載板試驗獲得;σz為壓應力;γ為安全因子。
　　5.3水硬性粘結(jié)承重層
　　由于水硬性粘結(jié)材料抗彎拉強度遠小于其抗壓強度,水硬性材料的抗彎拉強度是水硬性粘結(jié)承重層設計的控制指標。水硬性粘結(jié)材料可經(jīng)受反復加載作用,在荷載作用下所能承受的允許荷載循環(huán)次數(shù)由式(5)計算:
　　N=(5)
　　式中:N為允許的荷載循環(huán)次數(shù);βBz為水硬性粘結(jié)性材料的抗彎拉強度;σBz為水硬性粘結(jié)性材料在荷載作用下的彎拉應力;γ為安全因子。
　　復雜條件的改變需要瀝青路面設計方法不斷地更新和發(fā)展,以便設計的瀝青路面在使用年限內(nèi)有著較好的質(zhì)量和性能,且盡可能地減少路面出現(xiàn)的損傷。
　　6結(jié)論
　　中國瀝青路面設計方法與德國瀝青路面設計方法不同主要體現(xiàn)在設計年限、瀝青路面結(jié)構(gòu)組合以及設計和驗算指標幾個方面。中國高等級公路瀝青路面設計年限一般為15年,而德國所有的瀝青路面設計使用年限都是30年。中國瀝青路面多采用半剛性基層瀝青路面,強調(diào)強基薄面,致使裂縫成了中國瀝青路面損壞類型中最常見的病害。在德國瀝青層最厚可達到34cm,而且對防凍層有著非常嚴格的要求。中國瀝青路面設計以路表彎沉和基層層底彎拉應力為設計和驗算指標,然而多種類型損壞的早期出現(xiàn)與設計模式明顯大不相同。瀝青路面設計主要是防止路面發(fā)生早期疲勞破壞,因此應建立瀝青路面結(jié)構(gòu)設計模型與破壞模型的關系,確定控制路面發(fā)生損壞和早期損壞的關鍵指標作為設計指標。中國瀝青路面設計可以總結(jié)和吸收國內(nèi)外的優(yōu)秀研究成果和經(jīng)驗,提出適合中國瀝青路面設計發(fā)展的設計指標和參數(shù)體系,讓更多新的試驗方法、新的設計理念在路面結(jié)構(gòu)設計中得到更好的體現(xiàn)。
　　參考文獻
　　[1]沈金安.國外瀝青路面設計方法總匯[M].北京:人民交通出版社,2004.
　　[2]JTGD50-2006公路瀝青路面設計規(guī)范[S].