復(fù)合式長(zhǎng)壽命路面結(jié)構(gòu)分析探討

祁 敏 艷

(山西運(yùn)城路橋有限責(zé)任公司，山西 運(yùn)城 044000)

復(fù)合式長(zhǎng)壽命路面結(jié)構(gòu)分析探討

祁 敏 艷

(山西運(yùn)城路橋有限責(zé)任公司，山西 運(yùn)城 044000)

采用路面結(jié)構(gòu)的三維參元法以及彈性層狀體系理論，對(duì)PCC+AC復(fù)合式路面進(jìn)行了荷載應(yīng)力分析，并對(duì)復(fù)合長(zhǎng)壽命路面結(jié)構(gòu)進(jìn)行了驗(yàn)算，結(jié)果表明，復(fù)合式長(zhǎng)壽命路面改善了層彈性模量對(duì)PCC板底溫度應(yīng)力的影響，提升了路面的實(shí)際使用壽命。

復(fù)合式長(zhǎng)壽命路面，溫度應(yīng)力，使用壽命

據(jù)調(diào)查顯示，目前中國(guó)的高速路面設(shè)計(jì)壽命常規(guī)為30年左右，可是實(shí)際的使用年限卻不到10年，更甚者只是具有4年左右的運(yùn)營(yíng)時(shí)間，此后就開始頻繁的修葺環(huán)節(jié)，這不僅影響了車輛的正常通行造成人民出行的極為不便、浪費(fèi)趕路時(shí)間、增加汽車用戶的燃料費(fèi)用，而且給國(guó)家?guī)?lái)巨大的維修費(fèi)用和資源的濫用，嚴(yán)重違背可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略和綠色環(huán)保的時(shí)代理念，為社會(huì)帶來(lái)嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)影響，宏觀來(lái)講，對(duì)設(shè)計(jì)年限外的道路進(jìn)行修葺是不經(jīng)濟(jì)的社會(huì)行為，是應(yīng)該盡量去避免的；如何延長(zhǎng)設(shè)計(jì)打破設(shè)計(jì)年限的30年大關(guān)，如何保證道路的實(shí)際使用壽命是國(guó)內(nèi)外學(xué)者紛紛探討的話題，并已取得一定成就，復(fù)合式長(zhǎng)壽命路面就是解決道路壽命問(wèn)題的最佳產(chǎn)物[1]。筆者針對(duì)設(shè)計(jì)年限和使用年限問(wèn)題，從路面的要求和建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)、路面結(jié)構(gòu)入手，以注重延長(zhǎng)使用壽命為主體，對(duì)復(fù)合路面進(jìn)行深度探究和分析。

1 長(zhǎng)壽命路面的定義

長(zhǎng)壽命路面在使用上的定義年限為40年，長(zhǎng)壽命路面即設(shè)計(jì)年限超過(guò)40年的路面結(jié)構(gòu)。隨著時(shí)代的不斷進(jìn)步，人們也為長(zhǎng)壽命道路提出了新的要求；第一，設(shè)計(jì)使用壽命超過(guò)40年，不包括40年；第二，實(shí)際年限內(nèi)，只是進(jìn)行必要的常規(guī)保養(yǎng)，沒有主要承重層和結(jié)構(gòu)性的修改；第三，具備足夠的承重層厚度，具備設(shè)計(jì)年限內(nèi)的最經(jīng)濟(jì)道路選擇，即保證最低維修費(fèi)用；第四，在設(shè)計(jì)的使用年限內(nèi)，道路結(jié)構(gòu)完整，不發(fā)生道路結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)大損壞和重修；因其具備社會(huì)最經(jīng)濟(jì)特征，故而在使用期間，如果出現(xiàn)道路問(wèn)題也不會(huì)對(duì)交通產(chǎn)生重大干擾，可以盡量避免道路的堵塞，由此帶來(lái)的道路使用群體不滿、憤懣情緒以及道路有關(guān)部門、當(dāng)?shù)卣膲毫?huì)得以減輕，一定程度上確保社會(huì)的穩(wěn)定和長(zhǎng)治久安。

2 復(fù)合式長(zhǎng)壽命路面的設(shè)計(jì)要求

1)復(fù)合式長(zhǎng)壽命路面應(yīng)該具備較高的路基穩(wěn)定性。路基是道路穩(wěn)定的基礎(chǔ)也是路面結(jié)構(gòu)的基石，是道路的最終承重者和路面工作的平臺(tái)，較高的路基穩(wěn)定性，不僅可以改善路面的水溫情況，還可以更好的保證路面的完整性[2]。對(duì)于復(fù)合式長(zhǎng)壽命路面結(jié)構(gòu)而言，設(shè)計(jì)的過(guò)程中應(yīng)該盡力的提升路基的穩(wěn)定性和承重能力，為路面的使用年限劃下最大的邊際范圍。

2)材料的性能要求。針對(duì)于路面的使用長(zhǎng)壽命，從路面結(jié)構(gòu)上來(lái)說(shuō)，首先，路面的表層材料應(yīng)該具有耐高溫、高強(qiáng)度、高硬度、強(qiáng)水溫穩(wěn)定性和避免水損壞性，保證過(guò)往車輛的安全；其次，要具備抵抗大型車輛或過(guò)重車輛荷載過(guò)行碾壓留下的車轍痕跡功能，保證路面的光滑和平整；筆者認(rèn)為，柔性基層、碾壓混凝土、半剛性材料理論上均可用作瀝青復(fù)合長(zhǎng)壽命路面的基墊層材料。

3)結(jié)構(gòu)層厚度的要求。長(zhǎng)壽命路面的結(jié)構(gòu)層厚度是設(shè)計(jì)和建設(shè)長(zhǎng)壽命路面重中之重的問(wèn)題，是各方學(xué)者爭(zhēng)相研究的焦點(diǎn)，同時(shí)也是現(xiàn)有路面出現(xiàn)短時(shí)間破損的根本所在，至道路承建商頻繁出現(xiàn)偷工減料的環(huán)節(jié)。長(zhǎng)壽命則必須要求路面的結(jié)構(gòu)層厚度足夠厚，才能在車輛荷載通行時(shí)不影響路面結(jié)構(gòu)，在使用年限內(nèi)保證道路結(jié)構(gòu)上的完好。據(jù)調(diào)查，目前國(guó)內(nèi)高速路面的路面設(shè)計(jì)板厚度一般為25 cm，而想要使得使用壽命達(dá)到40年，這一厚度顯然是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。想要實(shí)現(xiàn)復(fù)合式路面的長(zhǎng)久使用，則要求道路的結(jié)構(gòu)層達(dá)到一定的厚度，在能實(shí)現(xiàn)使用年限內(nèi)只進(jìn)行表層的修復(fù)而不進(jìn)行結(jié)構(gòu)上的修葺。

4)路面的結(jié)構(gòu)組成要求。路面結(jié)構(gòu)的組成科學(xué)合理才能有效的延緩和制止道路出現(xiàn)結(jié)構(gòu)性損壞，在路面表層滿足長(zhǎng)壽命道路標(biāo)準(zhǔn)以后，還需要嚴(yán)格的進(jìn)行銑刨表面層重新加鋪[3]。表層以下的結(jié)構(gòu)分布主要能力就是緩沖結(jié)構(gòu)間的直接壓迫和抗裂性能，讓道路具有強(qiáng)力的抗疲勞能力，讓路面的使用年限得以延長(zhǎng)，同時(shí)路面的整體性也要適可注意，底基層、基層、墊層、路基也要和長(zhǎng)壽命道路設(shè)計(jì)思想一致；結(jié)構(gòu)層底的拉應(yīng)力是保證道路結(jié)構(gòu)完整性的重要指標(biāo)，只有牢牢把握好這一指標(biāo)，才能更好的對(duì)路面進(jìn)行預(yù)計(jì)和檢測(cè)，延長(zhǎng)路面的使用年限。

3 復(fù)合式長(zhǎng)壽命路面的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

1)PCC+AC路面結(jié)構(gòu)模式。PCC+AC長(zhǎng)壽命路面(瀝青混凝土+應(yīng)力吸收層+水泥混凝土+瀝青聯(lián)結(jié)層)結(jié)構(gòu)形式。采用路面結(jié)構(gòu)的三維參元法以及彈性層狀體系理論,對(duì)PCC+AC復(fù)合式路面進(jìn)行荷載應(yīng)力分析。結(jié)構(gòu)模式如圖1所示。

2)結(jié)構(gòu)參數(shù)。文中結(jié)構(gòu)計(jì)算參數(shù)的來(lái)源采用設(shè)計(jì)實(shí)際長(zhǎng)壽命路面工程的最佳實(shí)際道路結(jié)構(gòu)參數(shù),如表1所示。

3)溫度翹曲應(yīng)力。道路的使用年限一定程度上受影響于混凝土板內(nèi)溫度應(yīng)力，其溫度應(yīng)力主要分為翹曲應(yīng)力和脹縮應(yīng)力，由于脹縮應(yīng)力的影響小之又小，故而筆者認(rèn)為溫度應(yīng)力影響甚大的還是溫度的翹曲應(yīng)力，溫度應(yīng)力的產(chǎn)生原因是同一深度上的不同層面存在著溫度梯度，一天內(nèi)，路面層次間的溫度變化時(shí)刻因?yàn)r青層厚度的增加而顯得逐漸延后。據(jù)科學(xué)預(yù)測(cè)，水泥混凝土的最大溫度梯度一般出現(xiàn)在中午時(shí)刻，相對(duì)于復(fù)合式長(zhǎng)壽命道路，因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)層的不斷加厚，PCC+AC路面的最大溫度梯度則會(huì)出現(xiàn)在午后3：00左右。通過(guò)反復(fù)計(jì)算發(fā)現(xiàn)，溫度翹曲應(yīng)力會(huì)隨著PCC板的長(zhǎng)度增加而逐步減少，因此，為了延長(zhǎng)道路的使用壽命，減少溫度應(yīng)力的影響，可以適當(dāng)?shù)膶?duì)PCC板長(zhǎng)進(jìn)行調(diào)整[4]。

表1 結(jié)構(gòu)參數(shù) MPa

4)邊界條件。a.復(fù)合型長(zhǎng)壽命道路設(shè)計(jì)時(shí)，其層面的邊界不是隨意設(shè)定的，而是具有科學(xué)的、無(wú)數(shù)次試驗(yàn)得出的參數(shù)指標(biāo)。AC表面層、PCC結(jié)構(gòu)板層為有限的參數(shù)尺寸;復(fù)合式長(zhǎng)壽命路面的地基為彈性半空間地基,根據(jù)計(jì)算精度要求,科學(xué)取尺寸為8 m×10 m×7 m。b.道路的表面層和結(jié)構(gòu)層、地基的周圍科學(xué)上應(yīng)該保持懸空空間，而地基的地面為大地是固定面；AC層與PCC板之間不是間隔分離的，而是應(yīng)該保證完全連續(xù)接觸。

5)法律上的要求。復(fù)合長(zhǎng)壽命道路的表層設(shè)計(jì)基準(zhǔn)為8年，主要承重層即PCC層的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)為40年，以道路使用過(guò)程中產(chǎn)生的疲勞斷裂為道路強(qiáng)度驗(yàn)算指標(biāo)；其材料設(shè)計(jì)要符合《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》和《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》的要求。

6)瀝青層壽命。即使路面的使用年限可以達(dá)到40年之久，但是表層瀝青的使用年限肯定是達(dá)不到的。所以在進(jìn)行復(fù)合式長(zhǎng)壽命道路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，不要刻意的去強(qiáng)化路面瀝青的使用壽命，應(yīng)該去考慮主體結(jié)構(gòu)的完整和優(yōu)良性，瀝青層的年限更加注重的是材料選取，力求盡可能的長(zhǎng)久，必要時(shí)進(jìn)行路面的表層維護(hù)。

4 結(jié)語(yǔ)

文章采用路面結(jié)構(gòu)的三維參元法以及彈性層狀體系理論,對(duì)PCC+AC復(fù)合式路面進(jìn)行荷載應(yīng)力分析，通過(guò)驗(yàn)算和校正，復(fù)合式長(zhǎng)壽命路面結(jié)構(gòu)承重能力得到很大的提高，比常規(guī)路面設(shè)計(jì)的使用壽命大大提升，其主要的合理性在于，各層面之間的力學(xué)調(diào)整，符合時(shí)代長(zhǎng)壽命的要求。雖然道路的設(shè)計(jì)年限為40年，這一要求是針對(duì)于路面的承重層即PCC層，AC層則需要一段時(shí)間內(nèi)進(jìn)行翻新和養(yǎng)護(hù)。

[1] 李淑明,許志鴻,蔡喜棉.土工織物對(duì)復(fù)合式路面結(jié)構(gòu)內(nèi)力影響分析[J].中國(guó)公路學(xué)報(bào),2006,19(1):28-31.

[2] 劉曉曦,王碩太.機(jī)場(chǎng)混凝土道面封縫材料疲勞特性[J].交通運(yùn)輸工程學(xué)報(bào),2006,6(1):44-47.

[3] Lee Hyun Jong， Lee Jung Hun，Park Hee Mun.Performance evaluation of high modulu asphalt mixtures for long life asphalt pavements[J].Construction and Building Materials，2007，21(5)：1079-1081.

[4] JTG F40-2004，公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范[S].

Analysis and exploration on composite long-life pavement structure

QI Min-yan

(ShanxiYunchengHighway&BridgeCo.,Ltd,Yuncheng044000,China)

Applying three-dimensional participation element method and elastic multi-layer theory, the paper analyzes the load stress of PCC+AC composite pavement, and examines the composite long-life pavement structure. Results show that: composite long-life pavement improves the impacts of elastic multi-layer module upon PCC bottom board temperature stress and improves the actual life service of the pavement.

composite long-life pavement, temperature stress, service life

1009-6825(2014)15-0167-02

2014-03-15

祁敏艷(1983- )，女，助理工程師

U416.2

A