山區(qū)重交通抗車(chē)轍路面結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究

封喜波

（密涿高速公路廊坊建設(shè)管理處 廊坊 065000）

1 基于層位分工的材料與結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計(jì)方法

重交通給瀝青路面帶來(lái)了嚴(yán)峻考驗(yàn)，部分道路路面達(dá)不到設(shè)計(jì)使用年限，尤其是在山區(qū)長(zhǎng)大縱坡路段，通車(chē)后不久就出現(xiàn)嚴(yán)重的車(chē)轍、泛油、擁包、波浪、推移等病害，使路面使用壽命大大縮短，路面使用性能衰減加快，給社會(huì)及運(yùn)輸部門(mén)造成較大的經(jīng)濟(jì)損失。

1.1 層位分工理論

所謂層位分工，是指根據(jù)瀝青路面各結(jié)構(gòu)層在結(jié)構(gòu)性使用性能（抗車(chē)轍性能、抗疲勞、抗低溫縮裂、抗水損害、抗老化性能）和功能性使用性能（平整舒適性、抗滑性能）2個(gè)方面的分工，研究瀝青路面各層間受力特點(diǎn)和力學(xué)功能分工，更好地進(jìn)行結(jié)構(gòu)層計(jì)算，對(duì)材料和結(jié)構(gòu)層的厚度要求進(jìn)行總結(jié)［1］。

根據(jù)半剛性瀝青路面層位分工功能，應(yīng)用國(guó)內(nèi)外最新的材料設(shè)計(jì)方法，開(kāi)發(fā)新的適合于層位分工的半剛性路面材料，將抗車(chē)轍性能合適的材料放到合適的層位，使得材料各盡所能，建立適用于山區(qū)重交通道路的路面結(jié)構(gòu)、材料一體化設(shè)計(jì)的方法，使得半剛性基層瀝青路面能夠更加適應(yīng)重交通荷載，最終達(dá)到設(shè)計(jì)使用壽命。

1.2 結(jié)構(gòu)層厚度的確定

（1）無(wú)坡路段根據(jù)我國(guó)現(xiàn)行瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范中所要求的半剛性基層最小施工厚度［2］，考慮到路面的經(jīng)濟(jì)性，確定無(wú)坡路段二級(jí)公路路面基層厚度宜為20～22cm，一級(jí)公路可取35～40cm。

（2）將半剛性基層下放，在其上鋪筑瀝青碎石下面層可大大改善路面的力學(xué)性能，對(duì)于延長(zhǎng)半剛性基層瀝青路面壽命具有重要作用。為確定半剛性基層路面中適宜的瀝青碎石下面層厚度，分別取值為10，12，15，18，20cm進(jìn)行力學(xué)指標(biāo)計(jì)算，見(jiàn)表1。從受力角度而言，一級(jí)公路瀝青碎石層下面層厚度宜為12～15cm，但對(duì)于二級(jí)公路，考慮到經(jīng)濟(jì)性可適當(dāng)減薄至8～10cm。

表1 瀝青碎石作為上基層的力學(xué)計(jì)算結(jié)果

（3）根據(jù)時(shí)溫等效關(guān)系，使用公路路面設(shè)計(jì)程序系統(tǒng)（HPDS2003）進(jìn)行路面基層厚度的設(shè)計(jì)。經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)彎沉和容許拉應(yīng)力驗(yàn)算得出在無(wú)坡路段基層取15cm最小設(shè)計(jì)厚度就能滿(mǎn)足要求，但對(duì)有坡路段，隨著坡度的增加半剛性基層層厚也增加，不過(guò)增大幅度不大，從計(jì)算結(jié)果看，有坡路段應(yīng)適當(dāng)增加半剛性基層的厚度至20cm，見(jiàn)表2。

表2 山區(qū)公路縱坡段推薦半剛性基層最小厚度

2 基于三維有限元的路面結(jié)構(gòu)受力分析

為了更好地總結(jié)規(guī)律，應(yīng)用Bisar程序進(jìn)行路面力學(xué)分析。根據(jù)5種路面結(jié)構(gòu)形式計(jì)算得到的大量數(shù)據(jù)，分析路面在不同坡度、不同層間接觸狀態(tài)、不同重載交通下的受力特點(diǎn)，5種路面結(jié)構(gòu)形式見(jiàn)表3。

研究路面縱坡坡度對(duì)路面各結(jié)構(gòu)層的受力影響，應(yīng)該根據(jù)瀝青混合料的粘彈性性質(zhì)和載重貨車(chē)車(chē)速下降而引起作用時(shí)間延長(zhǎng)來(lái)進(jìn)行，對(duì)以上5種典型路面結(jié)構(gòu)分別計(jì)算在不同坡度條件（0，3%，6%，9%），不同軸重條件（100，140，180，220，260，300kN），不同層間條件（連續(xù)，光滑）以及有無(wú)摻車(chē)轍劑下的路表最大彎沉、各結(jié)構(gòu)層內(nèi)的最大剪應(yīng)力和最大拉應(yīng)力值。

表3 計(jì)算采用的路面結(jié)構(gòu)形式

通過(guò)計(jì)算，5種路面結(jié)構(gòu)的力學(xué)和抗車(chē)轍性能排序?yàn)椋郝访娼Y(jié)構(gòu)4、路面結(jié)構(gòu)2、路面結(jié)構(gòu)1、路面結(jié)構(gòu)3，路面結(jié)構(gòu)5最差。

3 半剛性瀝青路面材料和結(jié)構(gòu)技術(shù)要求

3.1 瀝青混合料技術(shù)要求

根據(jù)路面層位分工要求，綜合考慮各結(jié)構(gòu)層的特性及功能，提出山區(qū)干線(xiàn)重交通瀝青路面瀝青混合料高溫性能指標(biāo)以及柔性基層瀝青混合料材料選擇要求，在此基礎(chǔ)上提出山區(qū)重交通道路半剛性瀝青路面推薦結(jié)構(gòu)，見(jiàn)表4。

表4 山區(qū)重交通抗車(chē)轍路面結(jié)構(gòu)和材料設(shè)計(jì)一體化推薦結(jié)構(gòu)

3.2 層間粘結(jié)層技術(shù)要求

研究結(jié)果表明，粘結(jié)狀態(tài)良好時(shí)，面層能夠很好地將路面荷載傳遞給基層，連續(xù)狀態(tài)不好的情況下，路面的內(nèi)部應(yīng)力開(kāi)始復(fù)雜化，所以應(yīng)重視瀝青面層和基層的粘結(jié)狀態(tài)［3］。在重載和超載車(chē)輛作用下山區(qū)公路不同程度地出現(xiàn)路面滑移現(xiàn)象，因此需加強(qiáng)層間粘結(jié)效果，具體措施如下：

（1）為了封閉基層表面，防止水分滲入基層，增強(qiáng)基層與面層之間的粘結(jié)，在基層頂面設(shè)置瀝青粘結(jié)防水下封層。

（2）半剛性基層層間噴灑適量水泥稀漿，保證層間結(jié)合緊密。

（3）在瀝青面層中上面層之間噴灑2.1～2.3 kg／m2SBS改性瀝青粘結(jié)防水層。

（4）為加強(qiáng)中下面層之間粘結(jié)，噴灑0.3～0.6L／m2快裂型乳化瀝青粘層。

3.3 半剛性基層性能改善措施

按照國(guó)內(nèi)外半剛性材料的使用經(jīng)驗(yàn)，可采取基層層間施工改善、基層預(yù)開(kāi)裂、路基頂面的處理等措施。另外，為了使底基層與路基形成一個(gè)整體，在進(jìn)行底基層施工之前，將路基頂面采用改進(jìn)的帶凸塊的羊角輾碾壓，使土基表面密布一個(gè)個(gè)凹坑，底基層與基層之間的接觸面相互嚙合，可增加層間粘結(jié)。

4 結(jié)語(yǔ)

提出了以路面結(jié)構(gòu)層位分工為基礎(chǔ)、以材料性能試驗(yàn)為依據(jù)的山區(qū)重交通抗車(chē)轍的路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及材料設(shè)計(jì)一體化方法，運(yùn)用有限元軟件對(duì)路面結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值模擬，分析了路面結(jié)構(gòu)在重載交通、層間接觸狀態(tài)、縱坡等不同道路環(huán)境條件下的瀝青路面結(jié)構(gòu)應(yīng)力狀態(tài)，通過(guò)實(shí)測(cè)材料參數(shù)對(duì)不同工況下路面結(jié)構(gòu)的力學(xué)指標(biāo)進(jìn)行驗(yàn)算，提出了山區(qū)重交通瀝青路面各功能層的性能控制指標(biāo)及抗車(chē)轍路面的典型結(jié)構(gòu)形式。

［1］楊 軍，崔 娟，萬(wàn) 軍，等.基于結(jié)構(gòu)層貢獻(xiàn)率的瀝青路面抗車(chē)轍措施［J］.東南大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，37（2）：350－354.

［2］JTG F40－2004公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范［S］.北京：人民交通出版社，2004.

［3］吳瑞麟，石立萬(wàn)，余海洋，等.影響瀝青路面全厚度車(chē)轍關(guān)鍵因素的試驗(yàn)研究［J］.武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，30（1）：58－61.

［4］王 輝，李雪連，張起森.高溫重載作用下瀝青路面車(chē)轍研究［J］.土木工程學(xué)報(bào)，2009，42（5）：139－144.