《武汉工程大学学报》 2011年06期
68-71
出版日期：2011-07-30
ISSN:1674-2869
CN:42-1779/TQ
基于正交理论的复合式长效路面力学指标分析
0引言我国公路建设事业发展迅猛、成就巨大，然而路面早期破坏现象十分普遍，实际使用年限远低于设计寿命，严重影响了路面的使用性能，给国家造成巨大经济损失.因此，有必要寻求一种既经济又长效的路面结构.长效路面，又称长寿命路面或永久性路面，是一种在当今国际上受到高度重视的新路面设计理念，其路面结构形式有全厚式沥青路面、半刚性基层沥青路面、复合式路面等［1］.王选仓教授、侯荣国学者提出了在水泥混凝土板上铺设优质沥青面层的复合式长效路面结构，这种路面结构刚柔并济，充分发挥了沥青路面和水泥混凝土路面的优点，是一种结构合理、有良好发展前景的路面结构组合［23］.为了丰富和发展长效路面结构型式，笔者根据“刚基优面”的设计思想推荐复合式长效路面组合结构至上而下为：优质沥青面层（AC）+应力吸收层+水泥混凝土板（PCC）+防水联接层+水泥稳定碎石基层，路面结构示意图见图1.优质沥青面层作为主要功能层，提供防水、降噪和防滑等作用；水泥混凝土板是主要的承载层；应力吸收层能有效吸收层间反射应力，防止沥青面层与水泥混凝土板出现“两层皮”的现象，同时与防水联接层共同作用防止自由水进入路面结构内部.为了合理拟定复合式长效路面结构，运用正交理论分析了在不同厚度和材料组合下的路面力学响应情况，并归纳其变化规律，为复合式长效路面结构设计提供参考.图1AC+PCC复合式长效路面结构示意图
Fig.1Schematic plot of AC+PCC longlife pavement1正交试验1.1力学指标的选取 复合式长效路面兼具有沥青路面和水泥混凝土路面的特点，在选择相应的力学反应量时，应根据“规范”综合考虑沥青路面设计和水泥混凝土路面设计的控制指标.我国沥青路面结构设计采用弯沉值做为主要的控制指标［4］，一般认为当沥青层厚度比较小时（一般为4~12 cm），沥青面层处于受压或较小拉应力状态，能够满足力学性能指标［5］；在暂不考虑混凝土板接缝、传荷能力和温度翘曲应力影响的情况下，水泥混凝土板设计以板底弯拉应力为主要指标［6］.据此提出复合式长效路面正交试验的力学指标为：路表弯沉、水泥混凝土板底弯拉应力，相应的力学指标采用弹性层状体系理论计算程序Bisar软件计算，路面结构计算的参数见表1.表1AC+PCC复合式长效路面结构参数
Table 1Mechanics parameter of AC+PCC longlife pavement
路面结构厚度/cm模量/MPa泊松比优质沥青面层4~81 4000.35水泥混凝土板26~3031 0000.25水泥稳定碎石基层30~401 5000.35土基30400.40第6期孔令伟，等：基于正交理论的复合式长效路面力学指标分析
武汉工程大学学报第33卷
1.2正交试验设计a.影响因素和因素水平的确定.从路面结构和材料组合的角度出发，提出沥青面层厚度、水泥混凝土板厚度、水泥稳定碎石层厚度和地基模量4个因素，相应的因素水平根据“规范”和工程经验初步确定，见表2［7］.表2正交试验影响因素和因素水平表
Table 2Main influential factors and levels
of orthogonal design
各项ABCD沥青面层
厚度/cm水泥混凝土
板厚度/cm水泥稳定碎石
层厚度/cm土基模量
/MPa142630302628353538304040 b.正交试验表格的选取.根据确定的影响因素和因素水平，选择L9（34）的正交试验表，试验组合方案和设计指标计算结果见表3.表3正交试验方案及设计指标计算结果表
Table 3Orthogonal design table of the specifications and results
所在列1234实验结果因素沥青面层
厚度/cm水泥砼板
厚度/cm水稳层厚
度/cm地基模量
/MPa弯沉
/0.01mmPCC板底
弯拉应力/MPa试验1426303047.680.453试验2428353539.800.382试验3430404034.220.350试验4626354038.240.409试验5628403041.650.370试验6630303539.880.369试验7826403539.250.381试验8828304038.150.381试验9830353041.650.3451.3试验结果分析运用正交理论的极差分析法对计算结果进行分析，根据均值和极差的大小排列得到影响因素对设计指标的影响程度顺序、优水平和各个指标下的最优水平组合，分析结果见表4和表5.表4正交试验弯沉指标极差分析
Table 4Orthogonal design range analysis of the surface deflection
所在列ABCD均值140.56741.72341.90343.660均值239.92339.86739.89739.643均值339.68338.58338.37336.870极差0.8843.1403.5306.790主次顺序D＞C＞B＞A优水平A3B3C3D3最优水平组合A3B3C3D3a.弯沉试验结果分析. 运用极差分析法分析各个影响因素和因素水平对路表弯沉设计指标的影响规律时，考虑的影响因素和因素水平分别为：沥青面层厚度4~8 cm，水泥混凝土板厚度26~30 cm，水泥稳定碎石层厚度30~40 cm，土基模量30~40 MPa.具体计算值和分析数据见表4.由表4可见，对于路表弯沉指标，各个影响因素的主次顺序为：土基模量>水泥稳定碎石层厚度>水泥混凝土板厚度>沥青面层厚度.土基模量是影响路表弯沉的最主要因素，其次是水泥稳定碎石层厚度和水泥混凝土板厚度，沥青面层厚度对路表弯沉影响程度不大.b.水泥混凝土板底弯拉应力试验结果分析.运用极差分析法分析各个影响因素和因素水平对水泥混凝土板底弯拉应力设计指标的影响规律时，考虑的影响因素和因素水平分别为：沥青面层厚度4~8 cm；水泥混凝土板厚度26~30 cm；水泥稳定碎石层厚度为30~40 cm；土基模量30~40 MPa，具体计算值和分析数据见表5.由表5可见，对于水泥混凝土板底弯拉应力指标，各个影响因素的的主次顺序为：水泥混凝土板厚度>水泥稳定碎石层厚度>沥青面层厚度>土基模量.水泥混凝土板底弯拉应力随其自身厚度的变化比较显著，其它影响因素的影响程度相差不大.但水泥混凝土板厚度越大，其温度翘曲应力越大，选择适宜的厚度即可.
表5正交试验PCC板底弯拉应力指标极差分析
Table 5Orthogonal design range analysis of the surface deflection flexural stress of cement concrete
所在列ABCD均值10.3950.4140.4010.389均值20.3830.3780.3790.377均值30.3690.3550.3670.380极差0.002 60.0590.0340.012主次顺序B＞C＞A＞D优水平A3B3C3D3最优水平组合A3B3C3D2c.综合分析各因素对路表弯沉和水泥混凝土板底弯拉应力指标单独分析各个指标得到的影响因素主次顺序和优水平组合并不一致，必须综合考虑各因素对路表弯沉和水泥混凝土板底弯拉应力两个指标的影响情况，确定合理经济的PCC+AC复合式长效路面结构.沥青面层厚度对弯沉和水泥混凝土板底弯拉应力指标影响大小分别排在第4位和第3位，均为次要因素，其对路面结构力学性能指标影响不大，考虑经济性，取4 cm.水泥混凝土板厚度对水泥混凝土板底弯拉应力指标影响排第一位，对弯沉指标影响排第三位.由表5可知，当水泥混凝土板厚度由26 cm增加到28 cm时，其板底弯拉应力由0414 MPa降低到0.378 MPa，约降低了8.87%；当水泥混凝土板厚度由28 cm增加到30 cm时，板底弯拉应力由0.378 MPa降低到0.355 MPa，约降低了6.05%.可见板底弯拉应力随自身厚度增加而降低的趋势变缓，取28 cm即可.水泥稳定碎石层厚度对路表弯沉和水泥混凝土板底弯拉应力的影响均排第二位，为主要因素，取40 cm.土基模量对路表弯沉指标影响排第一位，对水泥混凝土板底弯拉应力影响排第四位.土基模量的大小直接关系到路表弯沉值的大小，是一个关键因素，取40 MPa.2结语通过正交试验分析PCC+AC复合式长效路面结构不同组合情况下的力学指标的变化，可得出以下规律：a.土基模量的变化对路表弯沉的影响最大，排第一位.路表弯沉随地基模量的减小而迅速增大，因此，在道路设计、施工和维修养护过程中，需要充分考虑对地基的处理.b.沥青面层厚度对路表弯沉和PCC板底弯拉应力均有影响，但效果均不显著.沥青面层主要起功能性作用，对路面结构力学性能指标影响不大，采用薄优质沥青面层是可行的.c.水泥混凝土板底弯拉应力随板厚度的变化比较显著，随着水泥混凝土板厚度增加，板底弯拉应力逐渐减小，但当板厚达到28 cm时，板底弯拉应力减小的趋势变缓.而随着水泥混凝土板厚增加，不仅工程造价大幅上升，而且水泥混凝土板温度翘曲应力也大幅增大，因此要选择适当的水泥混凝土板厚.d.水泥稳定碎石层厚度对路表弯沉和水泥混凝土板底弯拉应力的影响均比较显著.水泥稳定碎石基层底部承受较大的弯拉应力，容易产生疲劳破坏.因此，采用厚度较大的水稳层能降低底部弯拉应力、延长使用寿命.根据上述规律，推荐复合式长效路面的最优路面结构组合为：优质沥青面层4 cm+应力吸收层+水泥混凝土板28 cm+防水联接层+水泥稳定碎石基层40 cm+低剂量水泥稳定碎石底基层.