1、2023.3,3（2）|工程建造与维护在役高速公路沥青路面结构功能状态评估方法研究及应用金光来，张志祥，李一鹤（江苏中路工程技术研究院有限公司，江苏 南京 211806）摘要：为了对在役高速公路沥青路面的结构功能状态进行评估，本文基于结构与功能匹配的原则，考虑路面不同结构层的功能需求，对相应结构层的结构功能性评价指标、方法及标准进行研究，最终建立在役高速公路沥青路面结构功能状态评估方法，并结合工程予以应用论证。结果表明：所提出的针对路面结构表面层抗疲劳、中面层抗车辙以及无机层抗疲劳功能状态评估方法，能够科学评估在役高速的结构功能状态，可行性强，为路面剩余寿命评估提供了新的解决方法。关键词：沥青
2、路面；在役高速公路；结构功能状态评估；抗疲劳；抗车辙Research and application of functional state evaluation method for asphalt pavement structure of in-service expresswayJIN Guanglai,ZHANG Zhixiang，LI Yihe（Jiangsu Zhonglu Engineering Technology Research Institute Co.Ltd.，Nanjing 211806，China）Abstract：In order to evaluate the
3、 structural functional state of the asphalt pavement of the in-service expressway，based on the principle of structure and function matching，and considering the functional needs of different structural layers of the pavement，this paper studies the structural functional evalua-tion indicators，methods
4、and standards of the corresponding structural layer.The functional state as-sessment method of the asphalt pavement structure of the service expressway is then established and verfied via the engineering application demonstration.The results show that the proposed method for the anti-fatigue of the
5、surface layer of the pavement structure，the anti-rut resistance of the middle sur-face layer and the anti-fatigue functional state of the inorganic layer can scientifically assess the func-tional state of the high-speed structure in service，which can feasibly provide a new solution for the as-sessme
6、nt of the remaining life of the pavement.Key words：asphalt pavement；in-service expressway；structural function state assessment；anti fa-tigue；anti rutting引 言随着高速公路事业的不断发展，我国高速公路通车里程达 14.96 万公里，公路路网建设日臻完善。然而随着高速公路服役时间的增加，全国范围内存在 43.5%的高速公路服役年限超过 10年，且服役年中图分类号:U416.217 文献标志码:A 文章编号：2097-017X（2023）02-00
7、45-09收稿日期：2022-03-11作者简介：金光来（1987），男，博士，高级工程师。研究方向：道路工程。45限超过 15年的占比达 23%。在荷载、环境以及材料内部因素的共同作用下，路面结构性能都存在着不同程度的衰减，甚至造成部分在役高速公路达不到预期的使用寿命或预期的使用功能。如何科学评估寿命末期高速公路的长期性能，预估路面剩余寿命，为养护对策的制定提供依据，是现阶段高速公路养护面临的重大问题之一1。随着人们对在役高速公路服役状态的认识不断加深，研究人员对相应的路面剩余寿命预估方法展开了系列研究。费飞等2根据路面破损极限状态的不同，建立了三种不同的基于 FWD 检测数据的评价路面剩余
8、寿命的模型，秦旻等3根据 Sayers M W理论和路面平整度实测结果，构建了实际高速公路沥青路面平整度的预测模型，并以此预测高速公路的剩余使用寿命，陈俊等4-5通过沥青混合料小梁的室内二级荷载疲劳试验，修正了二级疲劳方程，为旧路沥青面层剩余寿命预估提供了方法，并且通过开展混凝土材料等效损伤理论分析及轴载换算研究，建立了旧路半刚性基层剩余寿命预估的计算公式。Cao等6为了提高路面结构层模量反演的准确性，提出了一种逐层反演的方法。Wang等7利用 FWD 测定了沥青路面层模量，并进行了沥青路面疲劳开裂剩余寿命的预测。通过脱空与完整截面之间的模量的对比，确定了脱空对结构强度的影响。然而现有评价预估
9、方法在可操作性上存在着不少问题：一方面，基于破损、平整度等评价模型往往只能实现对路表功能的简单的评价，无法科学评估路面结构的功能状态；另一方面，基于疲劳损伤理论及室内试验研究，其评价模型的实用性不足，无法真正为在役高速剩余寿命提供有效预估。综上，本文基于在役高速公路结构功能状态评估需求，对评估体系框架进行研究，然后考虑路面结构不同层位功能，对相应结构层的结构功能性评价指标、方法及标准进行研究，建立在役高速公路结构功能状态评估方法，最后结合工程予以应用论证。1结构功能状态评估体系框架的构建1.1结构功能状态评估方法研究对于路面结构分层功能状态的评估，主要从沥青路面不同层位所承担的不同功能进行考虑
10、。按照我国半刚性基层沥青路面的结构特点8，路面结构主要表现为抗疲劳和抗车辙性能，其中抗车辙性能主要由面层（特别是中面层）承担，抗疲劳性能则主要由基层承担，而表面层存在老化、强度衰减导致 疲 劳 破 坏 的 情 况，表 面 层 也 主 要 承 担 抗 疲 劳功能。1.2结构功能状态评估标准研究为了进一步明确当前结构功能状态处于何种水平，本研究提出从理论值、相对值和目标值这三个方面进行控制标准分析。1.2.1理论标准值理论标准是指基于科学、技术和实践经验的综合分析，被明确规定且为人所接受的规范值。对于路面结构功能状态评估而言，理论标准值是指对研究路面结构功能状态水平进行研究时，所选评价指标的规范标
11、准值。将分析得到的实际值与理论标准值进行对比分析，可以得到当前路面结构功能状态是否符合标准，从而明确当前路面所处的水平。1.2.2相对值相对值则是指两个或多个样本之间，经比较分析所得到差值。对于路面结构功能状态评估而言，相对值是指与施工建设时路面初始结构功能状态水平，或当前道路相同特征路段中完好处的路面结构功能状态水平相比，所评估的路段路面结构功能状态水平的变化值。1.2.3目标需求值目标需求值是指在按照项目计划，预期完成项目所规定的任务时所能达到明确水平和程度标准。对于路面结构功能状态评估而言，目标需求值是指路面在预期交通荷载和使用年限中，路面所需要结构功能状态水平，或者是当前评估得到的路面
12、结构功能水平所能满足的交通轴次或剩余使用寿命。1.3评估体系框架的确定基于前述分析，汇总得到在役高速公路结构功能状态评估体系，其评估体系框架如图 1所示。2抗疲劳层结构功能状态评估方法研究2.1评价方法的确定通过对现行国内外疲劳性能评价方法进行分析，总结得到四类方法9：ASSHTO 试验、足尺路面加速加载试验、室内小型试件疲劳试验法。前两种方法普适性不足，而室内小型试件疲劳试验法则为 46在役高速公路沥青路面结构功能状态评估方法研究及应用 金光来 等现行主流，其中采用较多的方法是间接拉伸法、悬臂梯形梁法以及四点弯曲法，而间接拉伸疲劳试验方法简单，其受力状态与现场路面状态比较符合，适用于沥青混合
13、料和无机结合料的疲劳性能测试，因此本研究选择间接拉伸疲劳试验作为疲劳功能评估方法。2.2评价指标的确定疲劳寿命常被用来表征沥青混合料的疲劳性能，它能够较好地反映材料的疲劳性能。因此，本研究选择采用应力控制模式下的劈裂疲劳寿命作为结构层疲劳功能的评价指标。2.3评价标准的确定2.3.1半刚性基层评价标准研究结合前述结构功能状态评估标准的研究，考虑无机结合料疲劳寿命的理论值不统一，相对值因路面初期建设试验参数难以获取，故主要从目标需求值的角度出发，对基层疲劳功能的控制标准进行研究。（1）基本思路对于目前需求值，主要基于相关疲劳寿命预测模型，明确在预期年限和交通轴载作用下，路面结构层所需的疲劳寿命水
14、平，以此来界定当前路面结构层材料性能是否满足需求。本研究主要基于新版沥青路面设计规范9无机结合料层疲劳寿命的预测模型进行研究。（2）分析步骤1）分析路面结构力学响应基于弹性层状体系，对路面结构进行力学响应分析，确定无机结合料层层底拉应力 t。2）预测无机结合料层疲劳开裂寿命 Nf首先基于劈裂疲劳试验，根据无机结合料疲劳方程，确定材料疲劳参数 a，b。lg Nf=a-b S然后，将各参数带入无机结合料层疲劳寿命预测模型，计算求得路面结构疲劳开裂寿命 Nf。3）明确预期年限的当量交通轴次 Ne结合路面历年交通量数量，能够确定路面日均交通轴次及年增长率，进而采用以下模型可预测期内累计当量轴次，如下式
15、所示：Ne=(1+)t-1 365N1N1=AADTT DDF LDF m=211(VCDFmEALFm)4）确定结构层材料的室内试验评价标准将无机结合料层疲劳开裂寿命 Nf与预测交通轴次 Ne进行比较，可以明确当前路面结构层抗疲劳性能是否满足需求，并且能够进一步确定结构层 疲 劳 性 能 的 剩 余 使 用 年 限，具 体 流 程 如 图 2所示。2.3.2表面层评价标准研究结合前述结构功能状态评估标准的研究，考虑沥青混合料疲劳寿命的理论值不统一，相对值因路面初期建设试验参数难以获取，而现有研究成果较多。因此，可采用前人研究所得到的经验标准值来对表面层的疲劳性能进行界定。图 1路面结构功能状
16、态评估体系框架图 2基层疲劳功能评价标准的确定 473抗车辙层结构功能状态评估方法研究3.1评价方法的确定沥青路面的抗车辙能力与沥青混合料的高温稳定性能密切相关，通过对现行国内外常用的评价沥青混合料高温稳定性的试验方法进行分析，总结得到国标车辙试验、汉堡车辙试验、局部加载试验、单轴贯入试验等方法9。国标车辙或汉堡车辙等重复碾压试验可评价室内沥青混合料的抗车辙性能，但不适用于现场取芯试件的评价；单轴贯入试验操作简单，但其受力状态与沥青路面实际受力状况差别较大；局部加载试验考虑了实际路面结构中围压的影响，能够真实地模拟路面在车辆荷载作用下的真实受力状态，因此本研究选择局部加载试验作为抗车辙功能评估方法。3.2评价指标的确定沥青混合料高温性能可用流动数（Fn）指标来进行评价，其定义为：动态蠕变试验中沥青混合料车辙平稳发展期与加速发展期（即破坏期）的临界荷载作用次数，可以直接反映材料的高温性能，流动数越大，代表高温性能越好，动态重复蠕变曲线如图 3所示。3.3评价标准的确定结合前述结构功能状态评估标准的研究，考虑基于局部加载试验的沥青混合料高温性能的理论标准值研究较少，相对值因路面初期建设试验