季节变化下沥青路面设计浅议

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摘要：以某拟建沥青路面工程为例，在现有规范的基础上分别进行了其路基强度设计、路面材料性能设计、轴载换算设计等的分析，并提出五种结构形式，并对这五种结构进行分析研究。研究结果表明，综合考虑轴载季节修正系数、等效土基回弹模量、材料动态模量等因素的结构五设计合理，能满足新建沥青路面结构性能要求。

关键词：季节变化；沥青路面；路基强度

0引言

环境因素对路面沥青结构层性能影响较大，公路路基则受到湿度的较大影响，而温湿度、降水等环境因素变化具有明显的季节性特征，故沥青路面材料和路基力学特性等也表现出季节性变化的趋势特征，路基和沥青路面材料强度随季节气候因素变化较大，轴载换算过程中也必须进行季节性修正。我国相关公路沥青路面设计规范对影响沥青路面设计的季节性因素已经有所规定，如路基回弹模量取值时必须考虑季节变化因素、沥青材料回弹模量及劈裂强度取值必须考虑实际温度等。本文借鉴美国AASHTO沥青路面设计规范，从路基强度设计、路面材料性能、轴载换算等方面进行了修正和完善探讨，以便指导具体工程设计实践。

1工程概况

某拟建公路按照双向四车道设计，并采用沥青路面结构，公路所在地区温度、湿度等气候条件季节性变化大，一般将该地区全年划分为3～5月春融期、6～9月雨季期、10月～次年2月其他期等三个季节段。根据调查结果，不同季节段土基回弹模量取值在40.1～125.4MPa范围内变动，季节变化对交通轴载换算及土基回弹模量影响较大。

2路基强度设计

在1986年出台的公路自然区划标准中就已经按照干湿状态将路基划分为干燥、中湿、潮湿、过湿等类型，并依据公路自然区划确定出不通过干湿程度路段土基回弹模量值；还提出应增设垫层以降低冰冻冻害对路基地下水的影响，控制路基高度以确保路基结构干湿度等。上述规定仅仅表明地下水对路基结构设计的影响得到足够重视，但是所规定的路基回弹模量值对季节变化的考虑明显不够。在本工程路面设计时，应采用最佳含水量下的路基模量，并在最佳含水量下进行压实施工和验收。而完成路面施工后，路基模量也不会一直保持在最佳含水量及最佳密实度状态，而表现出变化状态，为此，在路基设计过程中必须设置模量修正系数。美国AASHTO设计规范充分考虑了季节性温度变化及降水的可能影响，并设置出冰冻、融化等季节性变动弹性模量调整系数。我国武和平教授也在研究路面设计土基回弹模量的基础上提出土基设计参数取值修正系数，经修正后的土基回弹模量按式（1）确定[2]：式中：E0为修正后的土基回弹模量（MPa）；A为考虑季节及湿度变化的土基设计参数取值修正系数，黏性土、砂性土取1.2，粉质土取1.5；Bm为路基土黏稠度。因土体变形模量取值不固定，主要随季节及环境变化而改变，所以在进行路面设计时，必须根据季节变化进行变形模量的修正和调整，以保证设计精度。

3路面材料性能设计

公路路面材料在荷载等作用下会不断老化，老化及性能衰减的程度和速度与季节变化也有直接关系。在当前已有的设计方法下，对材料性能的考虑都是基于材料的初始性能，但事实上，材料性能因时时刻刻受到环境因素的影响，所以始终处于变化过程中。美国AASHTO设计规范主要以现时服务能力指数（PSI）进行路面使用性能衡量，当PSI取值越接近0，表示道路路用性能越差，而当PSI取值越接近5，表明路用性能越优越。反观国内，主要采用路况指数PCI进行沥青路面性能动态变化程度的反映，所构建的通用路面性能方程式见式（2）：式中：PCI为路面破坏指数；PCI0为路面状况指数初始值；y为使用年限数；A、B为模型参数。在行车荷载及季节变化因素的综合作用下，路面使用性能会逐渐降低。路面结构设计以PCI为主要指标，有助于在道路结构设计与道路服务过程之间建立起直接联系，并更加突出路面结构设计目标。路面结构在车辆、环境等的综合作用下，其力学模型、材料性质及实际工作状态均与静态力学体系存在很大差距。结合现行规范，沥青混合料抗压回弹模量主要在20℃的环境温度下通过圆柱体试件在无侧限逐级加载卸荷作用下测得，若考虑加载卸荷速度，通过以上过程所测得的其实是材料的静态模量值[3]。美国AASHTO设计规范主要通过重复性荷载间接拉伸试验进行混合料动态回弹模量检测。根据试验结果，动态模量主要受荷载频率、荷载量及温度等的影响，10Hz的荷载频率相当于70m/h的行驶速度，且当荷载频率超出10Hz时，动态模量增大趋势减缓，且与静态模量之比保持不变。所以，本公路主要选用荷载频率10Hz、荷载量0.8MPa、环境温度20℃的动态模量。包括本公路在内的我国高等级公路广泛应用半刚性基层材料，国内不少学者也依据美国AASHTO设计规范所给出的材料模量试验方法对我国半刚性基层材料模量和美国AASHTO设计规范推荐模量进行比较。本公路沥青混合料15℃时动态模量和静态模量比取1.5，半刚性基层材料动态模量和静态模量的取值详见表1。

4轴载换算设计

当前国内沥青路面设计主要以弯沉、拉应力等为指标，并根据弯沉等效及拉应力原则进行轴载换算，以体现不同轴载对路面结构疲劳影响的程度。然而，路面结构疲劳影响除了受轴载影响外，还受到季节性因素的影响，根据相关试验结果，季节变化所引起的路面结构疲劳损坏量的偏差可达10%～15%，容易使路面结构过早发生疲劳损坏，降低路面使用寿命。可见，轴载换算过程中必须充分考虑季节变化对路面疲劳破坏的影响。参照美国AASHTO设计规范并结合本工程实际，应在轴载换算中引入季节修正系数[4]，见式（3）：fi=C1C2β(P)iPS4×35（3）式中：fi为标准轴载换算系数；C1为轴载系数；C2为轮组系数；β为季节修正系数；Pi为待换算轴载；PS为标准轴载，取100kN。季节修正系数β反映的是不同季节条件下车辆轴载对路面疲劳破坏的可能影响，这一概念的提出进一步完善了轴载换算理论，也使累计当量轴次的量化过程及结果更具合理性。参照美国AASHTO设计规范，弯沉等效原则下季节修正系数β主要根据季节和土质类型进行取值：雨季粉质土β取2.0～3.0，黏性土和砂性土取1.5～2.0；其余季节各种土质类型均取1.0。

5设计结果

采用以上提到的设计原理，结合轴载换算季节修正系数、回弹模量及材料动态模量值，并使用HPDS沥青路面设计软件进行本沥青路面设计，分别提出五种结构形式，在这五种结构形式下假设面层和基层厚度不变，而以底基层为设计层。结构一：本沥青路面原结构设计；结构二：对沥青路面原始交通轴载进行季节修正，其余参数不变；结构三：用有效土基回弹模量代替沥青路面原始数据中最不利季节土基回弹模量，其余参数不变；结构四：修正原始数据中材料静态模量，采用动态模量设计；结构五：将原始数据中轴载换算进行季节修正，并采用有效土基回弹模量和材料动态参数结构设计。经过轴载换算季节修正后，结构二底基层设计厚度为18.0cm，结构四底基层设计厚度19.0cm，比原结构设计下底基层厚度分别大1.0cm和2.0cm；等效土基会谈模量设计后，结构三底基层厚度比原结构底基层厚度小2.0cm。充分说明，上述因素均对沥青路面底基层设计厚度存在一定程度的影响，如果在路面设计过程中只考虑一种因素，必然会影响路面结构设计的合理性；结构五综合考虑到各种因素，既能保证设计方案的合理性，结构设计又能满足沥青路面性能要求，故本工程采用结构五的沥青路面设计。

6结语

综上所述，现行沥青路面设计规范并未充分考虑季节变化对路基路面力学性能的实际影响，导致设计结果存在一定偏差。为反映沥青路面在季节因素影响下实际的受力状况，体现轴载换算的季节差异，必须分季节进行路面设计。本文所提出的设计思路仅对现行规范进行了局部性调整，所提出的沥青路面轴载换算、季节修正、材料力学性能强度指标等仍有待进一步实践检验和完善。

参考文献：

[1]中交路桥技术有限公司.公路沥青路面设计规范：JTGD50—2017[S].北京：人民交通出版社股份有限公司，2017.

[2]武红娟，王选仓.AASHTO法中土基模量取值对沥青路面的影响[J].长安大学学报（自然科学版），2008（5）：14-17.

[3]吴祖德.道路土基回弹模量及其在路面结构中的影响[J].城市道桥与防洪，2013（1）：10-17.

[4]路鑫，梁武星.分区域沥青路面轴载换算季节修正系数研究[J].公路与汽运，2017（6）：77-80.

作者:曾涛 张守林 单位:江西省公路科研设计院有限公司