张志勇、桑明丽
（江西省交通科学研究院有限公司，江西 南昌 330200）
1 路面结构及交通参数
1.1 路面结构
以江西某交通工程项目为例，选择半刚性基层路面材料为研究背景，采用HPDS2017 软件对路面结构设计进行验算。该路面工程的结构与材料参数见表1。其中，沥青模量参数为在20℃、10Hz 条件下，动态压缩模量的变化，考虑到水泥稳定碎石层参数值的标准要求，需要通过修正系数确定弹性模量。同时从级配碎石模型值分析，当参数值为湿度则需要调节回弹模量值，并且在分析土基模量值后确定是否为平衡湿度，此时考虑冻融循环与干湿系数，而后根据系统情况做出改进和调整。
表1 路面结构及材料参数
1.2 交通参数
在目前的国家标准中，对于路面结构有明确的要求，每项参数都必须加强控制，才能达到设计标准的要求，满足公路交通通行的安全性要求。在公路工程无机结合料稳定性疲劳寿命次数分析中，交通参数的作用就是分析该类型材料的疲劳寿命次数；在沥青路面结构变形分析中，交通参数的作用是确定沥青混合料层永久变形量；在半刚性基层沥青路面分析中，交通参数的确定会对沥青面层永久变形计算结论带来直接的影响。在研究环节，更好地掌握和了解结构设计参数对设计指标造成的影响，综合确定设计轴载的次数，同时还要加大力度对交通参数进行分析。考虑到结构验算的要求，避免出现达不到标准的情况。在具体分析阶段，参数值的选择通常比较保守，通过分析大客车的计算结构可以了解到，底基层疲劳寿命次数在一定的范围内与面层模量的增加频率有密切的联系。但是总体来说是变大的趋势，最为显着变化的是上面层模量数据。根据国家标准的验算要求，分析疲劳寿命次数因子、与材料模量相关的底基层层底拉应力及温度调整系数[1]。
2 材料参数影响分析
通过对表1 数据的分析，掌握相应的路面结构层模量数据并做出调整，确定各项参数所产生的影响，将其应用到设计中，开展各项水稳结构层寿命的控制，掌握具体的变形量数据，为后续的应用提供基础，不会对路面的通行产生不利影响。
2.1 沥青面层模量变化
执行国家标准以及行业设计规范的要求，在设计时，选择上、中、下面层不同条件下的动态压缩模量数据信息，保持在9000～13500MPa 区间内，根据这一数据进行分析，计算确定底基层疲劳寿命次数与沥青面层永久变形量。
图1 为沥青面层模量与设计指标关系变化规律图。通过对图1 中的变化趋势分析发现，在底基层层底拉应力时刻处于变化中，会伴随着面层模量增加而减小，符合弹性理论的要求，和结构模量有关联性。如果减小层底拉应力，结构的抗开裂效果会得到提高。温度调整系数也会产生影响，极易出现面层模量变大的情况，寿命也会缩短。因此，沥青路面在投入使用后，其寿命会因为面层发生变形而改变，其主要的变化状态是上面层模量增大而减小，而下面层的变化趋势正好相反，导致这一问题是多数沥青混合料的不同层面的竖向应力变化。对各项数据展开分析计算，掌握荷载参数，确定沥青混合料的稳定性，发现模量影响变形的问题，且变化发展的规律和混合料的层位有关系。在这种情况下，应该优化改善抗车辙性能，确定模量条件，确保变形不会超出规范性的标准，但是具体的方向调整应经过设计验算分析确定[2]。
图1 沥青面层模量与计算因子的关系
2.2 水泥稳定层模量变化
在沥青路面结构设计环节，通过对各个路面位置的弹性模量进行计算，基层弹性模量取值范围控制在9000～14000MPa 之间，底基层弹性模量取值范围控制在7000～10000MPa 之间，计算结果如图2 所示。
图2 水泥稳定层模量与设计指标的关系
通过对图2 分析可知，基层疲劳寿命次数出现了小范围的变化，其变化值从2.93×109增大到3.85×109，而在底基层模量参数增加以后，其系数也发生变化，由4.54×109减小到2.67×109。分析两层永久变形的特性方面，发现其随着基层模量的不断增加而增大，也会随着底基层模量变化而变化。在这种情况之下，水泥稳定材料如果受到的弯拉强度在规定的范围内，基本处于恒定条件时，可以通过提升基层模量、降低底基层模量等方法，有效地消除疲劳开裂的问题，延长寿命[3]。
2.3 土基回弹模量变化
从实际应用的效果的角度，对土基回弹模量展开分析，取值范围在40～70MPa 之间，如图3 所示。
图3 土基回弹模量与设计指标的关系
通过图3 可知，土基回弹模量增加以后，疲劳寿命次数也随之增加，此时检测后确定的沥青面层变形并不明显。这是因为投入运营后，土基顶面回弹模量较高，容易发生底基层层底拉应力不足的情况，但是影响的范围并不大。在方案设计的环节，还要采取措施，提升路基性能，有效降低半刚性基层的疲劳开裂概率，对于提升结构的质量产生积极的作用。
2.4 结构层模量敏感性
为了快速确定相应的各个层内的结构模量数据，以正交试验的方法掌握相应的数据信息。选择应用表2 中的4 个因素，并进行五水平正交试验分析，具体可见表2。
表2 正交试验因素水平模量单位：MPa
3 结构设计参数
3.1 沥青面层厚度变化
通过分析计算结果数据，在沥青面层厚度增大的情况下，可以有效地提升水稳层的疲劳寿命。一般而言，沥青结构层的厚度增加1cm，疲劳寿命增加约4%，并且每层的厚度变化对于疲劳寿命的影响比较一致。在上面层厚度增大的情况下，会造成沥青面层永久变形量的减小，中面层变化并不会对沥青面层永久变形量产生过大的影响，下面层厚度的增大则会使得沥青面层永久变形速度加快。分析形成这一现象的原因：一是通过调整沥青面层结构的厚度计算永久变形时，不同层所存在的竖向拉应力有差异。二是选择使用的上中面层沥青材料的高温稳定性不同，所以出现结构稳定性良好的状态。在模型计算中，通常根据较小的车辙试验永久变形。由此可见，在沥青路面的设计中，通过增加面层结构厚度的方式，可以提升沥青面层的高温稳定性，并具备一定的抗车辙性能。这种情况只出现在高温稳定性良好的沥青面层上，不适用于高温稳定性较差的情况。在沥青面层厚度的设计环节，主要是受到集料工程粒径、施工环境因素的影响，所以在选择上面层厚度时，其变化范围为4～6cm，中面层厚度变化范围为5～7cm，下面层厚度变化范围为7～9cm。
3.2 水泥稳定层厚度变化
以某省的公路路面结构形式为案例进行分析，在稳定结构层设置时，水泥稳定层的厚度参数分别为36cm+36cm、36cm+20cm 和20cm+36cm，具体如图4所示。
图4 水泥稳定层厚度与设计指标的关系
分析图4 的变化范围可以发现，在水泥稳定层厚度发生变化的条件下，并不会直接影响沥青面层的永久变形量，但是会引发疲劳寿命次数的变化。通过分析目前的底基层厚度层数，掌握相应的疲劳寿命次数，采取措施增加疲劳寿命次数。水泥稳定基层如果结构相对稳定，在厚度不变的情况下，基层厚度不断地缩小，疲劳寿命次数也会不断地减少。因此，从路基性能方面展开分析，了解其基础条件信息，做好现场控制，使各项参数符合要求，可以根据需要调整水泥稳定层厚度，确保基层结构的抗疲劳开裂性能处于合理的范围内。
3.3 计算公路结构弯沉值
在沥青路面结构设计中，路面弯沉值是重要的参数，主要通过弹性层状体系理论展开计算分析。经过工程实际经验分析，实测参数值与理论参数有很大的差异。在研究之后可以了解到，这种差异变化具有规律性。在路基高度较低的情况下，应用计算公式确定的面层厚度会超出设计规定的要求；如果路基高度相对较高，那幺厚度就应该适当减小。按照路基材料不是非线性弹性体，分析材料的抗变形能力，并不能准确地获取结构内部的形态。
3.4 计算层底拉应力
在沥青路面的设计环节，疲劳开裂是必须要考虑的一个问题。分析疲劳开裂的原因，多数都是层底拉应力较大。为了有效地缓解这一情况，或者降低发生概率，设计人员应随时进行沥青面层与半刚性基层拉应力的检测，并对现场各个点的拉应力情况展开全面深入的分析，确保拉应力参数值在合理的范围内。与路面容许拉应力参数值对比分析，查看是否达到设计标准的要求，是提高设计水平的关键。此外，在层底拉应力计算的环节，设计人员必须综合分析材料的质量性能，根据不同的情况选择合适的材料，以确定最佳的设计方案。但是也要注意，在沥青路面的设计中，应从路面结构的不同情况出发，展开层底拉应力的计算分析，并根据车辆荷载最大化选取参数，以确保路面承载性能完全达到运行标准。
3.5 路面材料与路基土的设计参数
3.5.1 设计路基土回弹模量值
受到多方面因素的共同影响，路基土弹性模量会呈现出变化的趋势，最为主要的影响因素是应力状态、荷载方式等。除此之外，土质性能、干湿度、密实度等方面，也会产生较大的干扰和影响。在沥青路面设计中，设计人员应综合分析恶劣环境的特点，展开试验分析，从而确定合适的回弹模量参数。在没有修复路基的条件下，可以采取试验分析的方式确定相应的技术内容和参数。
3.5.2 设计路面材料回弹模量值
如果设计人员在确定方案时，没有可以参考的粒料垫层与基层回弹模量值，通常应用重复加载三轴试验检测工作。在试验工作的实施中，结合基层结构的受力条件，在不同部位上施加相应力，从而提高回弹模量的设计精度。以目前我国的公路沥青路面设计要求为基础，设计人员按照回弹模量展开设计，利用圆柱体实施弯曲或者压缩试验，检测不同级别的应力，同时确定压缩应变力参数。
4 结语
综上所述，沥青路面结构设计对参数选择非常严格，倘若设计参数不合理就会导致工程质量问题，严重的还会出现工程安全事故。因此，在选择路面结构设计参数时，需要按照规范进行计算，同时利用信息技术构建三维模型进行模拟，为公路工程奠定坚实的基础。
