旧沥青路面沥青加铺层厚度控制研究

旧沥青路面沥青加铺层厚度控制研究

冯永泉1

1佛山市公路工程质量监测有限责任公司，邮编：528313

摘要：以AASHTO设计指南为依据，建立沥青面层有效厚度模型，并基于案例工程设计沥青加铺层厚度，同时在施工中对沥青加铺层厚度进行控制，考察路面厚度变化对路面结构强度和可靠度的影响，来反映加铺厚度控制的准确性。分析结果表明：有效厚度理论可准确确定沥青路面厚度控制量，旧沥青路面需对加铺厚度进行差异化计算，铣刨罩面厚度可结合加铺厚度代表值来确定。整个加铺过程中通过厚度的变异性数据分析可判断加铺的厚度是否达到设计标准。路面厚度测试结果表明了整个路面沥青厚度满足设计要求。沥青路面厚度变异性越大对沥青路面结构的产生负面影响越大。面层厚度影响整个路面结构可靠度程度比其他层更显著，厚度变异对结构可靠度影响较为明显，厚度越小、变异越大降低可靠度相对更大。

关键词：沥青加铺；AASHTO指南；厚度计算；厚度变异性

1、引言

复杂多变的外界因素反复作用沥青路面，会降低沥青路面的使用性能。一旦沥青路面的使用性能不能满足使用要求时就需要对其进行维修处置，路面面层加铺就是其中一种处置方式。沥青面层厚度的控制反映了施工综合能力，沥青面层厚度偏差上限值为设计值的5%，决定了其对施工过程控制终端设备、技术、人员的要求较高。基层施工质量、摊铺基准线、摊铺连续性、施工缝等因素均影响了沥青路面面层厚度[1]。常采用钻孔取样检测的方法进行沥青道路面层厚度的检测。国内一些研究者对沥青面层厚度控制进行了研究，比如丁加俊结合AASHTO设计指南对沥青路面的路面加铺技术进行了研究，构建了路面有效厚度的加铺模型，以路面模量为分析变量，对某半刚性路面不同模量沥青加铺层的弯沉值进行了分析[2]。袁耀波等采用多种计算方法分析了半刚性路面的有效模量值，以此来确定路面的加铺厚度。分析结果表明了现行规范确定的加铺层厚度存在一些缺陷，若进行最不利状和最有利状态两种状态计算加铺厚度，加铺厚度差值可达3cm，但不同弹性模量下计算的加铺厚度差异很小[3]。王维等分析了现有规范确定刚性路面厚度的缺陷，基于此结合spss17.0软件模拟改进了加铺层厚度的计算式，原有计算式中的道面状况系数被PCI代替，从而增强了对道面状况考察的科学性。再者，结合具体的工程项目验证了改进计算式的可靠性[4]。以上研究者多从加铺层厚度计算方法及其差异性进行了比较分析，为沥青或者混凝土路面的沥青层加铺厚度控制提供了依据，但基于各个地区、各个行业的差异性，需结合具体的工程进行加铺层厚度优化设计，同时加强对施工中的厚度加铺变异性分析。本文基于案例工程，先提出沥青路面加铺层厚度设计的基本思想，再建立相关的有效厚度模型，进行施工中沥青加铺厚度控制，最后进行施工质量检验。

2、沥青路面加铺层设计基本思想

沥青路面加铺层合理设计关乎了后期沥青路面施工质量。沥青路面加铺层设计的核心理念是有效厚度理论，有效理论的基本思想是：沥青路面厚度经过一定使用阶段后，其真正发挥作用的厚度减少，后期保持不变的这个厚度为有效厚度。减少的厚度相当于被损坏，特别是当路面出现破损时，其破损部分相当于被消耗，剩余部分相当于较原来厚度薄的路面，因此其剩余寿命在缩短。可见，路面破损后需要进行修复以抵消破损造成的有效厚度的减少。比较典型的加铺层厚度的设计依据AASHTO设计指南，柔性路面加铺的厚度计算公式如下：

hol=SNol/aol=(SNy-FrlSNreff)/aol  （1）              

    式(1)中，aol-结构系数（加铺层材料）；SNol-加铺层结构数，表示路面结构性能；SNy-承受加铺层交通量所需总结构数；SNreff-旧路结构总结构数；Frl-加铺末的剩余寿命系数（考虑旧路面交通变化量、损坏现状）。

3、沥青面层有效厚度模型的建立及其计算

   采用AASHTO柔性路面设计方法。计算路面结构数SN如下[5]：

 SN=a1D1+a2D2+a3D3       （2）            

式（2）中，a1、a2、a3-面层、基层、底基层结构系数；D1、D2、D3-面层、基层、底基层厚度。

受降水、排水等影响，式（2）可以表示为：

SN=a1D1+a2D2m2+a3D3m3    （3）              

式（3）中，m2-基层排水系数；m3-底基层排水系数。

    由式（3）可知，SN受结构层厚度、结构层系数影响，通过对系列的公式推导，可得路面有效结构数SNeff，即：

（4）                  

    沥青路面一定使用时间后，其有效厚度减少，对应的结构数也相应减少，可理解为有效厚度相当于新建较薄沥青路面厚度，可推出有效厚度heff：

    （5）                 

     路面使用性能标准衰变方程：

  （6）             

    式（6）中，PCI0-初始路面状况指数；A、B-回归系数，通过数据拟合得到；Y-使用年限。

综合以上各式可得到路面有效厚度、路面状况指数、路面当量回弹模量之间关系，即：

      （7）

式（7）中，α1、α2均为修正系数，可分别取0.6、0.4。heff1-采用当量回弹模量法得出的有效厚度、heff2-PCI法得出的有效厚度。

   路面加铺层厚度h，可以通过下式求得：

 H=hnew-heff         （8）                       

    式（8）中，hnew-新建路面厚度。

若加铺过程中对旧路面进行锐刨，则旧路面实际有效厚度hact表达式为：

hact=h0-h'         （9）                       

式（9）中，hact-厚度实测代表值；h'-锐刨深度。

由以上各式可得旧路加铺厚度表达式为：

H=H0-heff+h'      （10）                     

由式（10）可知，旧沥青路面的加铺厚度存在差异性，需通过计算及实测进行加铺厚度的确定。但是上述有效厚度计算理论值，其在实际工程中应用效果仍有待验证。

4、案例分析

4.1、工程概况

A沥青路面改造项目位于佛山北部，该道路全长2.8km，宽50m，其中机动车道宽20m，采用双向六车道。沥青面层为3层结构，从上到下依次是：4cm细粒式沥青、5cm中粒式沥青料、5cm粗粒式混合料。该项目于2015年7月完成沥青面层铺设。

工程采用SUPERPAVE方法进行沥青混合料设计，最佳沥青含量为4.4%。矿料：0-26.5mm：0-2.36mm：2.36-4.75mm：4.75-16mm=1.5%：31%：24.5%：11%：32%。

此沥青路面服役几年后受到多种复杂交通环境等因素的影响，出现了破损、裂缝、车辙等病害，导致该沥青路面的服务水平显著下降，在厚度方面需进行加铺处置。

4.2、沥青混合料加铺厚度设置

选取桩号为K3+070-K4+900段进行说明，该段旧沥青路面的设计厚度为14cm。具体做法是对该路段进行钻芯取样，测试厚度。

对K3+070-K3+110，K3+150-K3+910有路面加铺层厚度为：h=12.53cm，n=22，s=0.966，t（n-1）0.05=1.72，则可根据式（1）-式（10）计算加铺厚度代表值，h1=12.21cm。

同理，可计算K6+055-K6+720，则计算加铺厚度代表值，h1=9.2cm。可见，不同路段，加铺厚度不同，施工过程中应做好加铺路段加铺厚度的统计。

根据本项目工程的检测数据，可得到不同路段的铣刨削、加铺厚度。具体为：铣刨罩面：当加铺厚度代表值在[11,13]cm间时，铣一层罩一层：4-6cm加铺料；当加铺厚度代表值在[9,11]cm间时，铣二层罩二层：4cm+8cm加铺料；当加铺厚度代表值在[7,9]cm间时，铣二层罩二层：4cm+6cm不同加铺料等。

4.3、沥青混合料加铺厚度控制

    沥青路面铣刨罩面厚度结合路面加铺厚度计算获得。考虑到厚度控制存在较大的变异性，在施工过程中采集面层厚度数据，以此进行变异性分析。取上面层测点厚度作为分析数据，测点数据见图1所示。

图1 路段上面层部分厚度测试结果

    对所有测试点进行样本数据统计，得到厚度变异系数，具体见表1。

表1 上面层厚度测点数据统计分析结果

由表1可知，60个测点的均值达到4cm要求，变异系数小于0.1，整个测点分布较为均匀。可见，沥青路面加铺过程中，严格控制了加铺质量，确保了路面的加铺厚度达到既定要求。

4.4、沥青路面厚度变异性分析

由于仅半刚性基础厚度便可以满足沥青路面弯沉设计要求，因此往往出现事故中对沥青路面厚度控制不合格情况，此类不合格容易导致沥青路面的早期破坏。沥青路面厚度变异性随着公路等级的偏低而越大，结合实测数据具体分析如下：

（1）沥青路面强度受面层厚度影响

为了解厚度变异对沥青路面弯沉影响，进行了不同面层或基层厚度弯沉试验。具体的试验结果见表2。

表2 不同面层、基层厚度变化下的实测弯沉数据

    由表2可知，沥青路面面层或基层厚度不同，其弯沉值也有差异，因而沥青路面厚度较大的变异性会对沥青路面结构的产生负面影响。

   （2）沥青路面可靠度受面层厚度影响

沥青路面的可靠度设计是确保沥青路面结构设计在规定使用期内不出现破坏的概率范围设计。沥青结构可靠度设计考虑了施工、交通等变异参数在内的影响，代表了沥青路面不发生破坏的概率，具体指累计当量下的设计使用期限内，路面弯沉值及面层结合料处弯拉应力不超过规定值的概率。这里依据原有实验材料及技术背景进行面层厚度影响可靠度的分析研究，主要从结构层厚度的均值及变异系数2个方面进行分析讨论。

1）面层厚度均值对可靠度的影响

选取面层厚度均匀变化的厚度进行沥青路面面层弯沉指标试验。以上面层为例，设置6种面层厚度，分别为5cm、6cm、7cm、8cm、9cm、10cm，其他层厚度也相应增加同样厚度，结果见图2所示。由图2可知，面层、基层、底基层的厚度-可靠度曲线中，面层-可靠度曲线斜率最大，故而面层相对于其他各层对路面可靠度影响最大，需将面层厚度作为各层厚度控制的关键点。

图2 不同厚度弯沉值可靠度变化值

  图3 不同变异水平、不同厚度下可靠度值

2）结构变异系数对可靠度的影响

不同变异水平下不同厚度面层的可靠度值变化趋势见图3所示。由图3可知，变异系数越小，相同厚度下的可靠度差值越大。同时，低变异厚度-可靠度曲线与高变异下厚度-可靠度曲线斜率接近。同一厚度下，变异程度越高，可靠度越低，从而可知厚度变异对结构可靠度影响较为明显，厚度越小，变异越大对可靠度影响相对更大。

5、小结

（1）采用有效厚度理论进行沥青路面的有效厚度控制可以实现沥青路面加铺厚度的定性、定量分析。一般旧沥青路面，不同路段加铺厚度存在一定差异，加铺过厚、过薄均不利，需要结合计算和实测值确定加铺厚度。厚度测试表明了整个路面施工过程较为合理，中、下面层的摊铺保证了上面层摊铺的质量要求，沥青路面摊铺厚度达到了设计要求。

（2）沥青路面面层或基层厚度不同，其弯沉值也有差异，因而沥青路面厚度较大的变异性会对沥青路面结构产生负面影响。面层相对于其他各层对路面可靠度影响最大，需将面层厚度作为各层厚度控制的主要点。厚度变异对结构可靠度影响较为明显，厚度越小，变异越大降低可靠度相对更大。

参考文献

[1]马士宾,徐文斌,许艳伟,刘昊杨.基于可靠度的旧沥青路面加铺混凝土结构优化设计研究[J].中外公路,2018,38(03):43-47.

[2]丁加俊.基于有效厚度模型的半刚性沥青路面加铺层设计[J].西部交通科技,2016(12):7-10.

[3]袁耀波.基于不同基层弹性模量的沥青路面加铺厚度设计案例分析[J].公路与汽运,2017(04):99-101+105.

[4]王维,王艺凯.机场刚性跑道沥青加铺层厚度计算方法改进[J].中国民航大学学报,2012,30(06):80-82+89.

[5]王永胜,孔永健AASHTO沥青路面结构设汁方法在我国的适用性研究[J].北方交通大学学报,2004,（8）