四类不同基层沥青路面长期性能研究
摘 要
基于江苏沿江某高速公路长期性能跟踪观测和检测成果，从路面结构性能、破损状况以及车辙状况等方面对组合式基层、刚性基层、半刚性基层和柔性基层沥青路面长期使用性能进行综合比选分析。研究结果表明，4类不同基层沥青路面弯沉整体状况、裂缝度、车辙深度由大到小分别为：组合式(设置级配碎石过渡层)＞柔性＞半刚性＞组合式(未设置级配碎石过渡层)＞刚性；组合式(未设置级配碎石过渡层)＞刚性＞半刚性＞柔性≈组合式(设置级配碎石过渡层)；组合式(未设置和设置级配碎石过渡层)≈柔性＞半刚性＞刚性。采用半刚性基层沥青路面各方面性能指标比较均衡，综合性能优良；采用其他类型基层的沥青路面由于其特殊的性能指标，也有着广泛的应用范围，但仍需进一步进行研究。
关键词
组合式基层 | 刚性基层 | 半刚性基层 | 柔性基层 | 长期性能
目前，组合式基层、刚性基层、半刚性基层和柔性基层沥青路面广泛应用于高速公路建设中，特别是半刚性基层已成为我国沥青路面主要的结构形式[1]。境内外学者对这几类不同基层沥青路面长期性能多采用理论分析或试验研究[2-5]手段，一般也仅针对其中的1或2类，对半刚性基层沥青路面实际使用性能跟踪观测和检测也进行了一定研究[6-7]，但尚未有系统地对这4类不同基层沥青路面长期性能进行研究的案例。沥青路面在运营时受各种自然因素、行车荷载等作用，基于现场的第一手成果比理论分析和试验研究更加准确和直观。本文通过对江苏省沿江某高速公路已运营超过15年的沥青路面进行跟踪观测和检测，从路面结构性能、破损状况以及车辙状况等方面对4类不同基层沥青路面长期使用性能进行系统研究，研究成果可为今后进一步应用提供一定的参考。
路面结构形式
既有沿江某高速公路苏州市常熟段于2004年建成通车，双向4车道，设计速度为120km/h。为比较不同类型沥青路面使用性能，科研路段采用组合式、刚性、柔性共3大类5种基层结构；对比段(一般路段)采用常规的半刚性基层结构。表1列出了4大类6种路面结构形式。
组合式基层主要设计思想是基层采用柔性＋半刚性材料的组合结构，柔性材料一般采用沥青稳定碎石、级配碎石等。如科研路段A基层采用7cmATB-25＋33cm水泥稳定碎石，科研路段B基层采用7cmATB-25＋15cm级配碎石＋18cm水泥稳定碎石。“连续配筋”主要设计思想是在连续配筋水泥混凝土上加铺沥青混合料的路面结构，路面具有较大的刚度和较好的行车舒适性，科研路段C、D属于该种结构。柔性基层主要设计思想是基层采用柔性材料代替半刚性材料，如科研路段E基层采用18cm
ATB-25＋9cm沥青疲劳层＋16cm级配碎石。
路面结构性能
代表弯沉
6种路面结构代表弯沉计算结果[8]见图1。由图1可知，弯沉整体状况由大到小为：B＞E＞对比段＞A＞C＞D。其中，设置级配碎石层的组合式结构B代表弯沉值最大。从A、B、对比段弯沉对比来看，设置ATB-25柔性基层对弯沉影响较小，设置级配碎石层使得弯沉值显著增加。连续配筋C、D代表弯沉均处于较低水平，2017年代表弯沉分别为3.7(0.01mm)和2.9(0.01mm)，结构强度明显优于半刚性基层对比段。柔性基层E代表弯沉在6种结构中仅次于组合式基层B，设置较厚的ATB-25、富油沥青疲劳层、级配碎石层使得弯沉显著增加，结构强度比半刚性基层差。
弯沉盆反算路面模量
采用MoDulus6.0软件对非连续配筋以外的路段弯沉进行反算，输入参数为测试点弯沉盆，表2列出了反算结果。由表2可知，级配碎石层模量远低于水泥稳定碎石层，导致了组合式基层B和柔性基层E路面代表弯沉显著大于半刚性基层。此外，柔性基层E沥青层模量远低于半刚性基层对比段，这是因为在沥青层下面设置了18cmATB-25＋9cm富油沥青疲劳层，由于两者模量相对较低，导致了柔性基层E模量反算结果低于对比段。
路面结构强度发展规律
图2和图3分别为2004年~2017年代表弯沉发展规律和代表弯沉增长率。由图可知，所有路面结构的弯沉发展规律均较为一致，在2004年~2017年期间，弯沉均呈现缓慢增长的趋势。设置级配碎石的组合式基层B和柔性基层E的弯沉值相对较大，但其弯沉增长率最低，分别是52.9%和37.1%；设置ATB-25的组合式基层A弯沉值略小于半刚性基层，但其弯沉增长率明显低于半刚性路段；连续配筋C、D弯沉值相对较低，2004年建成通车时弯沉分别为1.1(0.01mm)和1.5(0.01mm)，但其弯沉增长率较大，分别达到238.4%和95.3%。从路面结构强度衰减角度来看，柔性基层的耐久性最好，优于其他类型基层。
路面破损状况
裂缝度
通过对上述路段病害分布特征进行分析可知，主要病害类型为横向裂缝。因此，除了采用常规损坏状况指数PCI[8]作为路面损坏状况评价指标外，还采用路面裂缝度[9]指标对路面裂缝状况作出评价。
有效反映路面裂缝的分布情况，具有较强的针对性，以不同路段的裂缝度指标对路面裂缝分布状况进行评价，6种路面结构裂缝度见图4。由图4可知，裂缝度由大到小为：A＞C＞D＞对比段＞B≈E。其中，组合式基层A裂缝度最大，这表明该路段单位面积内出现的裂缝长度最长，可见采用7cmATB-25＋33cm水泥稳定碎石的组合式结构容易产生裂缝。在2010年~2012年期间，组合式基层B裂缝度均为0，这表明在上述时间段内路面没有出现裂缝，可见基层采用级配碎石有利于抑制裂缝的产生和发展。连续配筋C、D段裂缝度较大，均大于对比段，这些横向裂缝是由于连续配筋水泥混凝土板断裂产生的裂缝反射到路面还是由于水泥混凝土板施工缝导致的反射裂缝有待进一步验证。与组合式基层B类似，柔性基层E由于采用了级配碎石，裂缝状况要优于半刚性基层对比段。
水泥稳定碎石基层层底拉应力
由于裂缝的产生大多数是由于水泥稳定碎石基层裂缝反射到路面形成的，下面针对组合式基层A、B和对比段水泥稳定碎石基层层底的拉应力进行计算。采用BISAR3.0软件，车轮荷载采用标准轴载BZZ-100，轮胎压力为0.7MPa。分别选取距双轮中心点0Cm(记为A点)、5.33Cm(记为B点)、15.98Cm(记为C点)和26.63cm(记为D点)作为计算点位(图5)，对基层层底拉应力进行计算，结果列于表3。
由表3可知，组合式基层A层底拉应力略大于对比段。这是由于将原有40cm水泥稳定碎石基层减薄到33cm，其上设置了7cmATB-25，使得水稳基层层底中受到的拉应力变大，更容易产生裂缝，同时ATB-25并没有有效地防止裂缝反射到路表。组合式基层B在上基层ATB-25和水泥稳定碎石层之间设置了一层级配碎石，级配碎石层能够吸收基层开裂的应变能，减少应力集中现象，有效地防止水稳基层产生的裂缝反射到沥青面层。因此，虽然组合式基层B层底拉应力大于半刚性基层对比段，但是路面表面观察到的裂缝条数最少。
路面破损状况发展规律
图6和图7分别为每公里损坏状况指数PCI和裂缝度发展规律。由图可知，除柔性基层E外，其他类型基层路面的PCI和裂缝度发展规律较为一致；柔性基层E路段裂缝度在2012年~2017年期间没有增长，PCI也没有变小。相较于半刚性基层路面，柔性基层路面由于各结构层间模量逐渐降低，可以有效减少下面层底部的拉应力集中现象，裂缝产生的机率较低。综合来看，对于组合式基层A、B路段，在ATB-25和水泥稳定碎石之间设置级配碎石层能够改善路面破损状况和裂缝增长速率；减少水泥稳定碎石基层厚度并设置ATB-25的组合式基层路面结构，不利于路面损坏状况和横向裂缝的控制。连续配筋C、D路段经过多年的运营，路面整体破损状况较多，裂缝度明显高于半刚性基层对比段。柔性基层E路面整体破损状况较少，且裂缝增长速率较低，路面损坏状况明显优于对比段。
路面车辙状况
车辙深度
6种路面结构车辙深度RD见图8。由图8可知，车辙深度由大到小为：A≈B≈E＞对比段＞D＞C。组合式基层A、B和柔性基层E车辙深度基本相当，均大于半刚性基层对比段。相较于半刚性基层，组合式基层A、B和柔性基层E在荷载作用下产生的变形导致路面车辙深度更大。与半刚性基层对比段相比，连续配筋C、D段车辙深度最小，可见连续配筋混凝土上加铺沥青混合料的路面结构有利于降低路面车辙深度。
沥青层内剪应力
沥青路面车辙产生的主要原因是由于车轮荷载在沥青层中产生的剪应力超过了沥青混合料的抗剪强度，即出现了剪切变形，剪切变形的累积即形成了
车辙。因此采用BISAR3.0对组合式基层A、B和柔性基层E，以及对比段剪应力沿路面深度变化进行分析，判断沥青路面车辙产生的层位。双轮为两个圆形均布荷载，直径为21.3cm，两圆的中心距为31.95cm(图9)，车轮荷载及计算点A、B、C、D位置与3.2节拉应力计算一致。
根据选取的计算点位，计算距路表不同深度的最大剪应力。科研路段A不同计算点位沿深度方向的剪应力计算结果见图10。由图10可知，上面层SMA-13内最大剪应力分别出现在轮胎边缘所在的B、D点。这说明轮胎荷载边缘存在较大的剪应力，上面层和轮胎荷载直接接触，在轮胎边缘处容易受较大剪应力作用而出现变形。随着路面深度不断增加，沥青层内受到的最大剪应力不再位于轮胎两侧，而是位于轮胎中心处(C点)。
图11为科研路段A及对比段沥青层内剪应力沿深度分布状况。由图11可知，在距离路表7cm处，轮胎中心处沥青层内剪应力达到最大值。在距离路表1cm时，轮胎两侧沥青层内剪应力达到最大值。沥青路面上面层和中面层处于高受力区域，剪应力水平较高，这直接导致了车辙的发展。在沥青面层范围内(距离路表0~18cm)，组合式基层A和对比段的剪应力沿深度方向分布规律基本一致。组合式基层
A上基层采用7cmATB-25，在该层内(距离路表18~25Ccm)剪应力为0.05~0.10MPa。该段车辙深度大于对比段，很可能是由于上基层ATB-25沥青混合料在剪应力作用下产生了塑性变形。
图12为科研路段B沥青层内剪应力沿深度分布状况。由图12可知，组合式结构B剪应力分布规律与对比段有一定差异，在级配碎石层上方的沥青混合料层中出现了剪应力沿深度增大的现象。这是由于组合式结构B设置了级配碎石过渡层，由于其模量小于ATB-25和水泥稳定碎石层，形成了倒装式路面结构，对沥青层内剪应力分布影响较大。
ATB-25(距离路表18~25Cm)中剪应力为0.10~0.15MPa，虽大于组合式结构A中ATB-25的剪应力水平，但由于设置了级配碎石层，使得轮胎中心处沥青面层中剪应力水平降低。柔性基层E剪应力分布规律与组合式基层B相似，限于篇幅，本文未列出。
图13为轮胎中心处沥青层内剪应力沿深度分布状况。由图13可知，由于级配碎石层的存在，组合式基层B和柔性基层E上、中面层内剪应力水平相当，均小于组合式基层A和半刚性基层对比段。柔性基层E在下面层和上基层ATB-25内剪应力水平小于组合式基层B。柔性基层E虽然沥青层总厚度最厚，但其路面车辙深度和设置级配碎石的组合式基层B基本相当。这是由于其沥青层内部剪应力小于组合式基层B所致。
路面车辙状况发展规律
图14为车辙深度发展规律。由图14可知，所有路面结构的车辙发展规律均较为一致，在2004年~2012年期间，车辙发展较快，2012年以后逐渐趋于稳定。运营初期，行车荷载的压实作用使沥青混合料空隙率减少，密实度变大，永久变形增加的速率较大。随着运营时间的增加，沥青混合料结构已较为稳定，且由于沥青老化使得混合料变硬，抗变形能力增强，在这一阶段车辙发展速率较为缓慢。
结语
通过对4大类6种沥青路面长期性能研究可得出以下主要结论。
(1)路面弯沉整体状况由大到小为：组合式(设置级配碎石过渡层)＞柔性＞半刚性＞组合式(未设置级配碎石过渡层)＞刚性。未设置级配碎石过渡层的组合式基层结构强度略好于半刚性基层，连续配筋刚性基层结构强度明显优于半刚性基层，柔性基层结构强度比半刚性基层结构差。设置ATB-25柔性基层对弯沉影响较小，设置级配碎石层使得弯沉显著增加。
(2)路面裂缝度由大到小为：组合式(未设置级配碎石过渡层)＞刚性＞半刚性＞柔性≈组合式(设置级配碎石过渡层)。未设置级配碎石过渡层的组合式基层、连续配筋刚性基层路面破损状况和裂缝度大于半刚性基层路面，采用级配碎石的组合式基层和柔性基层路面整体破损状况较少，裂缝度小于半刚性基层路面。减少水泥稳定碎石基层厚度并设置ATB-25的组合式基层路面结构，不利于路面损坏状况和横向裂缝的控制；基层采用级配碎石，有利于抑制裂缝的产生和发展。
(3)路面车辙深度由大到小为：组合式(未设置和设置级配碎石过渡层)≈柔性＞半刚性＞刚性。组合式基层和柔性基层路面车辙深度基本相当，均大于半刚性基层路面，连续配筋刚性基层车辙深度最小。柔性基层路面结构虽然沥青层总厚度最厚，但由于沥青层内部剪应力小于组合式基层，导致其路面车辙深度和组合式基层基本相当。设置级配碎石层会使得位于其上方的沥青混合料中出现剪应力沿路面深度增大的现象。
(4)综上分析，采用半刚性基层沥青路面各方面性能指标比较均衡，综合性能优良，目前已成为我国多数省份沥青路面主要的结构形式，约占沥青类路面总类型的95%[10]；刚性基层沥青路面在隧道工程中越来越多地被应用；组合式基层和柔性基层由于其特殊的性能指标，也有着广泛的应用范围，但仍
需进一步进行研究。