季節變化下瀝青路面設計淺議
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摘要：以某擬建瀝青路面工程為例，在現有規范的基礎上分別進行了其路基強度設計、路面材料性能設計、軸載換算設計等的分析，并提出五種結構形式，并對這五種結構進行分析研究。研究結果表明，綜合考慮軸載季節修正系數、等效土基回彈模量、材料動態模量等因素的結構五設計合理，能滿足新建瀝青路面結構性能要求。
0引言
環境因素對路面瀝青結構層性能影響較大，公路路基則受到濕度的較大影響，而溫濕度、降水等環境因素變化具有明顯的季節性特征，故瀝青路面材料和路基力學特性等也表現出季節性變化的趨勢特征，路基和瀝青路面材料強度隨季節氣候因素變化較大，軸載換算過程中也必須進行季節性修正。我國相關公路瀝青路面設計規范對影響瀝青路面設計的季節性因素已經有所規定，如路基回彈模量取值時必須考慮季節變化因素、瀝青材料回彈模量及劈裂強度取值必須考慮實際溫度等。本文借鑒美國AASHTO瀝青路面設計規范，從路基強度設計、路面材料性能、軸載換算等方面進行了修正和完善探討，以便指導具體工程設計實踐。
1工程概況
某擬建公路按照雙向四車道設計，并采用瀝青路面結構，公路所在地區溫度、濕度等氣候條件季節性變化大，一般將該地區全年劃分為3～5月春融期、6～9月雨季期、10月～次年2月其他期等三個季節段。根據調查結果，不同季節段土基回彈模量取值在40.1～125.4MPa范圍內變動，季節變化對交通軸載換算及土基回彈模量影響較大。
2路基強度設計
在1986年出臺的公路自然區劃標準中就已經按照干濕狀態將路基劃分為干燥、中濕、潮濕、過濕等類型，并依據公路自然區劃確定出不通過干濕程度路段土基回彈模量值；還提出應增設墊層以降低冰凍凍害對路基地下水的影響，控制路基高度以確保路基結構干濕度等。上述規定僅僅表明地下水對路基結構設計的影響得到足夠重視，但是所規定的路基回彈模量值對季節變化的考慮明顯不夠。在本工程路面設計時，應采用最佳含水量下的路基模量，并在最佳含水量下進行壓實施工和驗收。而完成路面施工后，路基模量也不會一直保持在最佳含水量及最佳密實度狀態，而表現出變化狀態，為此，在路基設計過程中必須設置模量修正系數。美國AASHTO設計規范充分考慮了季節性溫度變化及降水的可能影響，并設置出冰凍、融化等季節性變動彈性模量調整系數。我國武和平教授也在研究路面設計土基回彈模量的基礎上提出土基設計參數取值修正系數，經修正后的土基回彈模量按式（1）確定[2]：式中：E0為修正后的土基回彈模量（MPa）；A為考慮季節及濕度變化的土基設計參數取值修正系數，黏性土、砂性土取1.2，粉質土取1.5；Bm為路基土黏稠度。因土體變形模量取值不固定，主要隨季節及環境變化而改變，所以在進行路面設計時，必須根據季節變化進行變形模量的修正和調整，以保證設計精度。
3路面材料性能設計
公路路面材料在荷載等作用下會不斷老化，老化及性能衰減的程度和速度與季節變化也有直接關系。在當前已有的設計方法下，對材料性能的考慮都是基于材料的初始性能，但事實上，材料性能因時時刻刻受到環境因素的影響，所以始終處于變化過程中。美國AASHTO設計規范主要以現時服務能力指數（PSI）進行路面使用性能衡量，當PSI取值越接近0，表示道路路用性能越差，而當PSI取值越接近5，表明路用性能越優越。反觀國內，主要采用路況指數PCI進行瀝青路面性能動態變化程度的反映，所構建的通用路面性能方程式見式（2）：式中：PCI為路面破壞指數；PCI0為路面狀況指數初始值；y為使用年限數；A、B為模型參數。在行車荷載及季節變化因素的綜合作用下，路面使用性能會逐漸降低。路面結構設計以PCI為主要指標，有助于在道路結構設計與道路服務過程之間建立起直接聯系，并更加突出路面結構設計目標。路面結構在車輛、環境等的綜合作用下，其力學模型、材料性質及實際工作狀態均與靜態力學體系存在很大差距。結合現行規范，瀝青混合料抗壓回彈模量主要在20℃的環境溫度下通過圓柱體試件在無側限逐級加載卸荷作用下測得，若考慮加載卸荷速度，通過以上過程所測得的其實是材料的靜態模量值[3]。美國AASHTO設計規范主要通過重復性荷載間接拉伸試驗進行混合料動態回彈模量檢測。根據試驗結果，動態模量主要受荷載頻率、荷載量及溫度等的影響，10Hz的荷載頻率相當于70m/h的行駛速度，且當荷載頻率超出10Hz時，動態模量增大趨勢減緩，且與靜態模量之比保持不變。所以，本公路主要選用荷載頻率10Hz、荷載量0.8MPa、環境溫度20℃的動態模量。包括本公路在內的我國高等級公路廣泛應用半剛性基層材料，國內不少學者也依據美國AASHTO設計規范所給出的材料模量試驗方法對我國半剛性基層材料模量和美國AASHTO設計規范推薦模量進行比較。本公路瀝青混合料15℃時動態模量和靜態模量比取1.5，半剛性基層材料動態模量和靜態模量的取值詳見表1。
4軸載換算設計
當前國內瀝青路面設計主要以彎沉、拉應力等為指標，并根據彎沉等效及拉應力原則進行軸載換算，以體現不同軸載對路面結構疲勞影響的程度。然而，路面結構疲勞影響除了受軸載影響外，還受到季節性因素的影響，根據相關試驗結果，季節變化所引起的路面結構疲勞損壞量的偏差可達10%～15%，容易使路面結構過早發生疲勞損壞，降低路面使用壽命。可見，軸載換算過程中必須充分考慮季節變化對路面疲勞破壞的影響。參照美國AASHTO設計規范并結合本工程實際，應在軸載換算中引入季節修正系數[4]，見式（3）：fi=C1C2β(P)iPS4×35（3）式中：fi為標準軸載換算系數；C1為軸載系數；C2為輪組系數；β為季節修正系數；Pi為待換算軸載；PS為標準軸載，取100kN。季節修正系數β反映的是不同季節條件下車輛軸載對路面疲勞破壞的可能影響，這一概念的提出進一步完善了軸載換算理論，也使累計當量軸次的量化過程及結果更具合理性。參照美國AASHTO設計規范，彎沉等效原則下季節修正系數β主要根據季節和土質類型進行取值：雨季粉質土β取2.0～3.0，黏性土和砂性土取1.5～2.0；其余季節各種土質類型均取1.0。
5設計結果
采用以上提到的設計原理，結合軸載換算季節修正系數、回彈模量及材料動態模量值，并使用HPDS瀝青路面設計軟件進行本瀝青路面設計，分別提出五種結構形式，在這五種結構形式下假設面層和基層厚度不變，而以底基層為設計層。結構一：本瀝青路面原結構設計；結構二：對瀝青路面原始交通軸載進行季節修正，其余參數不變；結構三：用有效土基回彈模量代替瀝青路面原始數據中最不利季節土基回彈模量，其余參數不變；結構四：修正原始數據中材料靜態模量，采用動態模量設計；結構五：將原始數據中軸載換算進行季節修正，并采用有效土基回彈模量和材料動態參數結構設計。經過軸載換算季節修正后，結構二底基層設計厚度為18.0cm，結構四底基層設計厚度19.0cm，比原結構設計下底基層厚度分別大1.0cm和2.0cm；等效土基會談模量設計后，結構三底基層厚度比原結構底基層厚度小2.0cm。充分說明，上述因素均對瀝青路面底基層設計厚度存在一定程度的影響，如果在路面設計過程中只考慮一種因素，必然會影響路面結構設計的合理性；結構五綜合考慮到各種因素，既能保證設計方案的合理性，結構設計又能滿足瀝青路面性能要求，故本工程采用結構五的瀝青路面設計。
6結語
綜上所述，現行瀝青路面設計規范并未充分考慮季節變化對路基路面力學性能的實際影響，導致設計結果存在一定偏差。為反映瀝青路面在季節因素影響下實際的受力狀況，體現軸載換算的季節差異，必須分季節進行路面設計。本文所提出的設計思路僅對現行規范進行了局部性調整，所提出的瀝青路面軸載換算、季節修正、材料力學性能強度指標等仍有待進一步實踐檢驗和完善。
參考文獻：
[1]中交路橋技術有限公司.公路瀝青路面設計規范：JTGD50—2017[S].北京：人民交通出版社股份有限公司，2017.
[2]武紅娟，王選倉.AASHTO法中土基模量取值對瀝青路面的影響[J].長安大學學報（自然科學版），2008（5）：14-17.
[3]吳祖德.道路土基回彈模量及其在路面結構中的影響[J].城市道橋與防洪，2013（1）：10-17.
[4]路鑫，梁武星.分區域瀝青路面軸載換算季節修正系數研究[J].公路與汽運，2017（6）：77-80.
作者:曾濤 張守林 單位:江西省公路科研設計院有限公司