沥青路面结构可靠性评价方法

摘要：结合极限平衡法，通过结构抗力和荷载效应间的概率关系，对路面弯沉和层底弯拉应力进行分析。研究表明，对路面可靠度进行评价时，主要采用评价指标为实测弯沉值、层底拉应力、混合料的孔隙率、矿料间隙率以及沥青的饱和度。采用层底拉应力指标时，可引入贝叶斯定理对实测路面可靠度和设计路面可靠度进行分析。

关键词：路面结构;路面材料;结构性能;可靠性;

作者简介：杨幸平（1975—），男，高级工程师，研究方向为公路与桥梁。;

吴文海[1]通过分析可靠度值，对柔性路面的可靠度提出了选取办法，为可靠度值写入路面规范奠定了基础。何兆益、邓学钧[2]通过对高速公路进行试验，对沥青路面的厚度和模量等进行分析重点，利用蒙特卡罗法对沥青路面的可靠度进行了分析。董强[3]对弯沉指标的分布进行了研究，完成了指标的分布情况，提出了路面弯沉服从对数正态分布的变化规律。通过以上学者分析，我国对路面可靠度的研究取得了一定的成果，但该课题仍存在研究空间，本文为此展开探讨。

设矩阵为X=(X1,X2,X3，…Xn)T，其中n为路面结构设计中影响参数的个数。定义失效函数为：Y=g(X)=g(X1,X2,X3，…Xn）。当Y大于0时，表示路面处于可靠状态；当Y小于0时，表示路面处于失效状态；Y等于0时，路面结构处于极限平衡状态。路面结构的功能函数为Y=g(R,S)=R-S。在该极限状态模型中，R为结构抗力，S为荷载效应。

路面的弯沉指标测定时，具有实测简单、易于操作的优点。路面的弯沉指标可以直接反映路面的刚度，因此文章以弯沉为控制指标，对路面结构建立功能函数，并对可靠度进行计算。在对弯沉进行计算时，应保证计算值小于设计值。功能函数表达式如式（1）所示。

式中：Y0为弯沉的极限状态函数；ld表示设计弯沉值（0.01mm);ls为计算弯沉值（0.01mm);Ac、As、Ab分别为面层和基层的类型系数。

《公路路基设计规范》（JTGD30-2015）规定，弯拉应力的设计值应大于实际产生值，即：σm≤σR，通过可靠度理论得到功能函数如式（2）所示。

式中：Yi为路面第i层的拉应力极限状态函数；Ksi为抗弯拉强度系数；Smaxi为层底最大拉应力。

本文通过对路面的基本参数进行分析和统计，得到相关参数分布如表1所示。

表1参数概率分布表下载原图

在路面设计中，对路面性能的控制指标主要包括弯沉和层底弯拉应力。因此对实际路面进行计算时，应得到各个指标对应的极限状态方程。路表弯沉能够直观反映路面刚度，而且弯沉的检测技术较为成熟，已经大量应用于实际工程中。弯沉检测方法有FWD法、贝克曼梁法。为防止沥青面层、整体结构层发生疲劳开裂，沥青路面可能产生的最大弯拉应力应小于允许弯拉应力。因此工程中应对弯沉和弯拉应力两个指标进行计算，保证路面结构的可靠度。

本文通过对某高速公路中9种不同路面的各个桩号进行弯沉测试从而得到实测值。通过对数据进行处理，发现代表弯沉的概率分布服从正态分布。弯沉测试时间并不是最不利季节，因此应对温度系数进行修正。道路所处地区的季节系数K1取值为1.4，温度系数K3如式（3)～(4）所示。

式中：T为沥青面层温度（℃）；a、b均为温度系数；T0为检测时路面温度与前5h的温度和（℃）；h为沥青面层厚度（cm）。

通过对路面的温度系数进行修正后，得到路面结构的实际可靠度如表1所示。

表2可靠度计算结果表下载原图

本节在对实际路面可靠度进行计算时，利用贝叶斯定理来表示实测路面可靠度与设计路面可靠度的关系。通过概率学得知，设计路面的可靠度主要通过经验获得，称为先验概率；实际路面结构可靠度是实测得到，称为后验概率。贝叶斯公式能将二者进行概率公式表示，结果如式（5）所示。

通过对公式进行转变得到实际路面可靠度、设计路面可靠度两个指标。结果如表3所示。

表3结果对比表下载原图

通过对表3进行分析表明：路面的实际可靠度比设计可靠度略高，说明路面的施工质量较好。中、下面层的可靠度数值较低，表明该处易发生结构破坏。

孔隙率是影响沥青路面透水性的主要因素，因此本文对沥青混合料的孔隙率进行了可靠度分析。通过沥青混合料相关规程表明，孔隙率在3%～8%范围内较为合理，超过此范围路面将出现不同种类病害。通过分析结果表明，多数路面满足孔隙率的要求，部分路面不满足要求，经过分析认为孔隙率较大属于施工质量问题。

本文对矿料间隙率进行了可靠度分析，评价指标为矿料间隙率≥13%。通过计算结果可知，路面的可靠度值较高，满足设计要求。

本文对沥青饱和度的可靠度进行了分析。表明沥青饱和度在60%～78%范围内，具有较好的路用性能。通过对沥青饱和度的可靠度进行分析可知：沥青饱和度的可靠度较低，路面的沥青用量较少，导致路面结构易出现松散和坑洞等病害。

①本文对沥青路面可靠度分析方法为极限平衡法，该方法主要表示结构抗力和荷载效应间的概率关系。对沥青路面评价的指标主要是路面弯沉和层底弯拉应力。

②本文对路面可靠度进行评价时，主要采用评价指标为实测弯沉值、层底拉应力、混合料的孔隙率、矿料间隙率以及沥青的饱和度。采用层底拉应力指标时，引入贝叶斯定理对实测路面可靠度和设计路面可靠度进行了分析。

[1]吴文海.公路沥青路面结构层粘接强度可靠性分析[J].粘接，2019,40(11):95-98.

[2]何兆益、邓学钧.基于当量厚度法的沥青路面结构设计与可靠性分析[J].公路，2018,63(4):36-40.

[3]董强.半刚性基层沥青路面结构及其可靠性分析[J].建材与装饰，2018(16):281-282.