基于材料性能的路面結構剩余壽命評估

吳 強,孟令國

(江蘇寧杭高速公路有限公司,江蘇 南京 210000)

隨著我國公路建設的不斷發展,高速公路路網建設日臻完善。在長期的荷載以及環境因素的作用下,各高速公路除了路表所反映的裂縫、車轍等表面病害以外,通常還伴隨著結構強度的下降,結構內部隱性病害的增多,局部路段存在基層松散、脫空以及層間粘結不良等基層病害,具有層位較深、隱蔽性強的特點。因此,如何建立路面病害及結構性健康狀態精細化診斷方法,提出路面結構剩余壽命精準預測方法,制定科學化結構補強修復對策,對于發生早期結構性病害的高速公路實現路面診斷及修復,達到結構性能提升及長期保存具有重要意義[1]。

楊芙蓉等[2]深入對比了三類常見復合式基層瀝青路面的優劣,計算了結構主要力學響應,考慮半剛性基層模量隨開裂程度不同而產生的衰變,參考南非方法計算了無機結合料穩定材料拉應變控制下的剩余壽命。和世明[3]依托實體改擴建工程,使用FWD檢測路面的彎沉,采用三層和四層體系來反算結構層模量,比較反算結果后,使用三層體系反算的模量值進行瀝青路面剩余壽命的預估。秦旻等[4]采用修正Shell永久變形理論,計算了動荷載作用下路面產生的永久變形和平整度的衰變規律,建立了動荷載作用下的瀝青路面剩余壽命計算與預估的方法。然而現在剩余壽命評估方法大多是基于室內試驗結果,與實際現場狀況匹配度不高[5-7]。

綜上,基于室內試驗和現場檢測結果對材料參數和結構參數進行修正,采用無機層疲勞開裂模型和瀝青層永久變形模型對在役高速剩余服務壽命進行評價,然后基于彎沉控制和車轍控制的方式確定補強方案的材料性能,最后結合溧馬高速實際工程予以應用論證。

1 基于無機結合料疲勞開裂的剩余壽命分析

1.1 評估方法研究

(1)材料性能和層間狀態確定。

彎拉強度:通過在役高速基層芯樣無側限抗壓強度測試并與新建高速進行對比,對彎拉強度進行折減;基層模量:采用FWD對路面彎沉進行檢測,基于彎沉盆反演各層模量,然后對比新建高速數據對模量進行折減;層間粘結狀態通過探地雷達確定。

(2)分析路面結構力學響應。

基于彈性層狀體系,對路面結構進行力學響應分析,確定無機結合料層層底拉應力σt。

(3)預測無機結合料層疲勞開裂壽命Nf。

根據下式計算求得路面結構疲勞開裂壽命Nf。

(1)

式中:Nf為無機結合料穩定層疲勞開裂壽命;ka為季節性凍土地區調整系數,參考規范可得;kT2為溫度調整系數,按規范中附錄G確定;RS為無機結合料穩定類材料的彎拉強度,MPa;a,b為疲勞試驗回歸參數;β為目標可靠指標,參考規范可得。kC為現場綜合修正系數。

kC=c1×ec2×(ha+hb)+c3

(2)

式中:c1,c2,c3為參數,參考規范可得;ha,hb分別為瀝青混合料層和計算點以上的無極結合料穩定層厚度;σt為無機結合料穩定層的層底拉應力,MPa。

(4)明確預期年限的當量交通軸次Ne。

結合路面歷年交通量數量,能夠確定路面日均交通軸次及年增長率,可預測期內累計當量軸次。

(5)確定結構層材料的室內試驗評價標準。

將無機結合料層疲勞開裂壽命Nf與預測交通軸次Ne進行比較,可以明確當前路面結構層抗疲勞性能是否滿足需求,并且能夠進一步確定結構層疲勞性能的剩余使用年限。

1.2 實例分析

以溧馬高速為例進行實例分析,采用Bisar3.0軟件進行分析,其中面層模量采用室內試驗實測值,基層模量通過彎沉反演獲得,并與新通車高速對比進行折減,考慮溧馬高速層間粘結較差,因此在計算過程中將面層與基層,基層與基層層間設置為滑動狀態,得到無機結合料穩定層的層底拉應力σt,分別對LM-21標、LM-22標進行計算,結果如表1所示。

表1 不同標段路面結構無機層層底拉應力

基于無機層疲勞開裂預測模型分析,溧馬高速各標段結構無機層疲勞開裂壽命,匯總如表2所示。

表2 無機層疲勞開裂預測壽命

結合路面歷年交通量數量,能夠確定路面日均交通軸次及年增長率,而基于新版瀝青路面設計規范,可以得到預測期內的累計當量軸次Ne,如公式(3)所示

(3)

EALFm)

(4)

式中:AADTT為2軸6輪及以上車輛的雙向年平均日交通量,輛/d;DDF為方向系數;LDF為車道系數;M為車輛類型編號;VCDFm為m類車輛類型分布系數;EALFm為m類車輛的當量設計軸載換算系數。

經計算,匯總如表3所示。

表3 預測年限的當量交通軸次

將無機結合料層疲勞開裂壽命Nf與與預測交通軸次Ne進行比較,得到LM-21標剩余壽命為1年,LM-22標剩余壽命為5年。

2 基于瀝青層永久變形的剩余壽命分析

2.1 評估方法研究

(1)明確預期年限的當量交通軸次Ne。

結合路面歷年交通量數量,能夠確定路面日均交通軸次及年增長率,而基于新版瀝青路面設計規范,可以得到預測期內累計當量軸次。

(2)分析路面結構力學響應。

基于彈性層狀體系,對路面結構進行力學響應分析,確定中面層各分層層頂的豎向壓應力Pi。

(3)計算路面結構中結構層的永久變形。

通過實際測量,能夠得到當前路面結構的永久變形RD實測,按照高速公路車轍深度RD容許不大于15 mm的控制標準,經差值求解(即RD容許-RD實測)可以得到,該處路面結構未來最大容許永久變形Ra。在其他層位材料確定,且不考慮其材料性能衰減的前提下,可以得到所求層位的容許永久變形Rai。

(4)確定結構層材料的室內試驗評價標準。

利用瀝青層永久變形預測模型,將上述預測期內累計當量交通軸次Ne、力學參數Pi以及所求結構層剩余容許永久變形Rai代入計算,可以得到該結構層材料的車轍變形深度RD,車轍試驗永久變形量依據“十三五”重大專項最新研究成果漢堡車轍試驗結果轉換所得。

對于改性瀝青混合料

R國標=1.38R漢堡+0.312

(5)

對于普通瀝青混合料

R國標=2.85R漢堡-0.195

(6)

2.2 實例分析

結合路面歷年交通量數量,能夠確定路面日均交通軸次及年增長率,而基于《公路瀝青路面設計規范》JTG D50-2017,可以得到預測期內的累計當量軸次Ne,如下式所示

(7)

(8)

經計算,匯總如表4所示。

表4 預測年限的當量交通軸次

表5 瀝青層各分層豎向壓應力

基于彈性層狀體系,對路面結構進行力學響應分析,確定瀝青層各分層層頂的豎向壓應力Pi。

通過實際測量,能夠得到當前路面結構的永久變形RD實測,按照高速公路RDI<90即車轍深度RD容許不大于10 mm的控制標準,經差值求解(即RD容許-RD實測)可以得到,該處路面結構未來剩余永久變形Ra,匯總如表6所示。

表6 不同標段路面結構剩余永久變形

基于瀝青層永久變形預測模型分析,得到不同年限不同路段不同車道的路面結構的預測永久變形,匯總如表7所示。

表7 不同標段路面結構剩余使用年限

由表7可知LM-21標永久變形剩余使用年限為4年,LM-22標永久變形剩余使用年限為1年。

3 結構補強需求分析

通過前述分析可以發現部分高速公路剩余服務年限較低,因此后續的分析需要對其進行結構補強,并對補強材料性能需求進行分析。

采用注漿補強方案對基層進行補強,注漿后考慮層間狀況、結構強度得到恢復,采用Bisar3.0進行兩個標段修復后層底拉應力計算,并進行無機層疲勞壽命分析。詳見表8、表9。

表8 注漿后不同標段無機層層底拉應力

表9 無機層疲勞開裂預測壽命

將無機結合料層疲勞開裂壽命Nf與預測交通軸次Ne進行比較,得到LM-21標剩余壽命為119年,LM-22標剩余壽命為120年。

當加鋪4 cm SMA-13時,原路面上面層層位下移為中面層,中面層為主要抗車轍層需要一定的高溫性能,通過前述分析LM-22標上面層高溫性能衰減嚴重,因此考慮采用加鋪雙層4 cm+6 cm的組合,減少后期出現車轍的風險,針對不同加鋪層厚度進行無機層疲勞開裂壽命預測,結果如表10、表11所示。

表10 注漿且罩面后不同標段無機層層底拉應力

由表10、表11可知,21標罩面二層壽命較罩面一層壽命延長14年;22標罩面二層壽命較罩面一層壽命延長13年。

3.1 基于彎沉控制的加鋪層模量需求分析

通過對溧馬高速進行彎沉檢測,確定LM-21標整體彎沉代表值為21.16(0.01 mm),LM-22標整體彎沉代表值為20.09(0.01 mm),用Bisar3.0軟件可以計算求出路表彎沉,通過試算法確定路面層模量,LM-21標模量為1450 MPa,LM-21標模量為1 650 MPa。

采用Bisar3.0軟件進行加鋪層模量需求分析,以PSSI評分提升至90分為標準,即彎沉值對應為16.3(0.01 mm),通過反算可以得出6 cm加鋪層模量需求LM-21標為8 500 MPa,LM-22標為5 000 MPa。

3.2 基于車轍控制的加鋪層抗車轍性能需求分析

由于LM-22標原路面高溫性能較差,因此在進行需求分析時以LM-22標為主,當采用加鋪4 cm+6 cm的方案對原路面進行處治,得到加鋪路面結構形式如表12所示。高溫性能詳見表13。

表12 加鋪4 cm+6 cm 路面結構

表13 原路面高溫性能匯總

針對上述結構,基于瀝青層永久變形預估方法,對不同結構層高溫性能需求進行分析?；趶椥詫訝铙w系,對路面結構進行力學響應分析,確定瀝青層各分層層頂的豎向壓應力Pi,數據詳見表14。

表14 路面結構層各分層豎向壓應力

設計年限15年控制標準為12 mm,LM-22標加鋪中面層高溫性能需求為7 000次/mm,設計年限15年控制標準為15 mm,中面層高溫性能需求為3 800次/mm。

4 結 論

(1)采用無機層疲勞開裂模型,考慮現場實際工況對基層強度、模量和層間狀態進行折減,評估了無機層疲勞開裂剩余壽命,LM-21標剩余壽命為1年,LM-22標剩余壽命為5年。

(2)采用瀝青層永久變形模型,通過現場芯樣漢堡車轍試驗,評估原路面高溫性能,根據剩余車轍深度,評估了瀝青層永久變形剩余壽命,LM-21標永久變形剩余使用年限為4年,LM-22標永久變形剩余使用年限為1年。

(3)根據剩余服務年限分析,提出了基于彎沉控制的加鋪層模量需求和基于車轍控制的加鋪層抗車轍性能需求。