城市長壽命瀝青路面的設(shè)計與應(yīng)用

■段文志，陳 鋒 ■．北京市城市道路養(yǎng)護(hù)管理中心，北京 00000;．南京航空航天大學(xué)，江蘇 南京 006

隨著城市現(xiàn)代化建設(shè)的發(fā)展和人民生活水平的日益提高，我國城市道路建設(shè)取得了巨大的發(fā)展。然而城市道路的早期破壞現(xiàn)象十分普遍，多數(shù)道路通常達(dá)不到甚至遠(yuǎn)低于設(shè)計壽命就出現(xiàn)了損壞。目前，我國城市道路的設(shè)計年限一般為15年，但實際的使用年限均無法超過10年，甚至有的城市道路在通車初期2～3年就出現(xiàn)了較嚴(yán)重的破損［1］。部分道路幾乎每隔幾年就要進(jìn)行一次大修，不僅要耗費巨大的財力和物力，而且造成嚴(yán)重的環(huán)境污染和資源的浪費。針對這種情況，城市瀝青道路路面的設(shè)計可以借鑒長壽命路面在高速公路路面設(shè)計中的經(jīng)驗，以此來延長城市道路的實際使用壽命，獲得間接地經(jīng)濟(jì)效益。

1 長壽命路面

長壽命路面指設(shè)計年限在40年以上的路面結(jié)構(gòu)，它的設(shè)計壽命達(dá)到40年以上。在設(shè)計壽命期間，不發(fā)生結(jié)構(gòu)性破壞，路面的損壞只發(fā)生在表面功能層，因此，只需進(jìn)行日常養(yǎng)護(hù)，不需要對主要承重層大修;路面厚度較大，初期投資偏高，但運營過程中維修費用低，在壽命周期內(nèi)最經(jīng)濟(jì)［3］。長壽命路面的具有合理的路面結(jié)構(gòu)，能夠充分發(fā)揮其整體性能，避免在壽命期內(nèi)發(fā)生早期損壞;具有一定的結(jié)構(gòu)層厚度，有效地降低各層層底彎拉應(yīng)力;對各層材料的要求都很高，以確保結(jié)構(gòu)層在較長的設(shè)計周期內(nèi)不發(fā)生疲勞破壞;路基具有很強(qiáng)的承載能力，為其上路面結(jié)構(gòu)層提供穩(wěn)定與均勻的支承;排水設(shè)計合理，避免路面結(jié)構(gòu)水損壞。

2 城市長壽命瀝青路面的工程應(yīng)用

目前國內(nèi)外的長壽命路面主要針對新建公路而言，而在我國的研究主要集中在高速公路領(lǐng)域，對城市長壽命路面的研究與應(yīng)用十分有限。下面以北京工體北路路面翻新改造工程為例來說明城市長壽道路的設(shè)計思路與實際應(yīng)用。

2．1 路面設(shè)計思路

工體北路作為北京市城市主干路，以公交車輛為主的重交通特征顯著，其路面基層主要由舊路不斷改造形成。限于北京市道路改造交通管理限制，需保留原基層。因此，工體北路項目路面設(shè)計從以下三個方面進(jìn)行統(tǒng)籌考慮(工體北路路面設(shè)計要素如圖1):(1)引入國內(nèi)外長壽命路面設(shè)計體系的破壞模式進(jìn)行驗算，使得瀝青面層底面的拉應(yīng)變被減少到不顯著的水平，能夠很好地抵抗由下至上的疲勞開裂;控制路基頂面壓應(yīng)變小于控制標(biāo)準(zhǔn)，路面結(jié)構(gòu)不發(fā)生顯著的永久變形。(2)按照我國瀝青路面設(shè)計規(guī)范進(jìn)行驗算，參照設(shè)計壽命15年，路面承載能力(彎沉)充足，以各層底面層底拉應(yīng)力小于材料容許拉應(yīng)力控制，不發(fā)生設(shè)計期內(nèi)的疲勞開裂。(3)通過前述結(jié)構(gòu)和材料性能的一體化設(shè)計控制表面損壞、早期損壞問題。

圖1 路面結(jié)構(gòu)計算要素

2．2 路面設(shè)計過程

(1)路面結(jié)構(gòu)層位設(shè)計

經(jīng)現(xiàn)場測量，工體北路原道路主路結(jié)構(gòu)及各層厚度和材料參數(shù)如表1。

利用我國瀝青路面設(shè)計體系，根據(jù)實測數(shù)據(jù)及相關(guān)計算公式，驗算得知此路段的彎沉平均值為31.19，標(biāo)準(zhǔn)差為11.32，路面現(xiàn)況彎沉值計算為49.81。根據(jù)計算現(xiàn)況工體北路的彎沉知道路強(qiáng)度不足，需對道路進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)，綜合分析后，路面設(shè)計最初定為:主路面層銑刨7cm后，加鋪二層瀝青混凝土結(jié)構(gòu)，抬高路面4cm。根據(jù)規(guī)范按照該路面結(jié)構(gòu)和設(shè)計交通量計算路面設(shè)計彎沉值為33.1(0．01mm)。根據(jù)《城鎮(zhèn)道路養(yǎng)護(hù)技術(shù)規(guī)范》(CJJ 36－2006)，現(xiàn)況道路特重交通等級，碎礫石基層小于35結(jié)構(gòu)強(qiáng)度足夠，小于56大于35處于臨界狀態(tài)，大于56結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不足［5］。工體北路現(xiàn)況道路坑探結(jié)果顯示，道路基層為二灰土基層，面層瀝青混凝土與二灰土基層之間為10cm左右石渣墊層。綜合道路實際情況，按碎礫石基層進(jìn)行計算，目前道路結(jié)構(gòu)強(qiáng)度為臨界狀態(tài)，需對現(xiàn)況道路進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)處理。按照最初確定方案的設(shè)計，原路面銑刨7cm、加鋪兩層普通瀝青混凝土，上面層為4cm，下面層為7cm，路面結(jié)構(gòu)如表2所示，該結(jié)構(gòu)計算彎沉為40，達(dá)不到設(shè)計要求。為了使路面結(jié)構(gòu)達(dá)到規(guī)定的強(qiáng)度要求，須加大加鋪層的厚度，經(jīng)計算修改為加鋪的下面層厚度要達(dá)到12cm，此時彎沉為33，方能達(dá)到設(shè)計的強(qiáng)度要求。則路面初次設(shè)計厚度與最終設(shè)計厚度如表2。

表2 工體北路翻修路面結(jié)構(gòu)及厚度

由于本工程的特殊性，擬通過采用增強(qiáng)加鋪層的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度(模量)方式實現(xiàn)較好的荷載分散能力，在較薄的厚度下減小路面彎沉。即在全厚式瀝青路面實施受限的前提下，通過提高承重層模量來減小路基頂面垂直壓應(yīng)變，通過改善材料承受極限應(yīng)變能力來延緩路面開裂破壞。

結(jié)合對材料性能的考慮，對工體北路路面結(jié)構(gòu)和材料設(shè)計方案擬定如表3。

表3 路面結(jié)構(gòu)和材料設(shè)計方案

按照初擬的結(jié)構(gòu)層材料多次實測參數(shù)(近似值)進(jìn)行計算如表4。

模量MPa層次 材料容許拉應(yīng)力20℃ 15℃ 厚度cm層底拉應(yīng)力MPa MPa舊路面 土基32.5 45 45 彎沉

根據(jù)該驗算結(jié)果，路面彎沉基本滿足設(shè)計要求(33.1，考慮路基取值較低的安全系數(shù));假設(shè)摻加了抗車轍劑的SAC－20的極限劈裂強(qiáng)度(15℃)為2.5MPa，舊瀝青路面材料的極限劈裂強(qiáng)度為1.0MPa，按15年計算得到累計軸載4847433次，由瀝青混凝土的極限劈裂強(qiáng)度計算得到各層瀝青混凝土的層底容許拉應(yīng)力。該計算表明，本設(shè)計方案的層底拉應(yīng)力均小于材料的容許拉應(yīng)力。

(2)長壽命瀝青路面結(jié)構(gòu)計算

根據(jù)前述關(guān)于國內(nèi)外長壽命路面技術(shù)體系和設(shè)計模式，本項目加鋪層以下作為瀝青類基層(石渣層作為類瀝青碎石基層特性)，按照厚瀝青面層(設(shè)計后為33cm)進(jìn)行長壽命路面設(shè)計參數(shù)的驗算。對加鋪結(jié)構(gòu)層底拉應(yīng)變、路基頂面壓應(yīng)變計算如表5。

表5 初擬方案各結(jié)構(gòu)層材料層底拉應(yīng)變及頂面壓應(yīng)變計算結(jié)果

根據(jù)我國長壽命瀝青路面驗算控制指標(biāo)，則路面的驗算結(jié)果如下:①瀝青層底拉應(yīng)變極限指標(biāo):瀝青層底拉應(yīng)變(118)＜(控制的)120微應(yīng)變;②土基頂面壓應(yīng)變極限指標(biāo):土基頂面壓應(yīng)變(278)＜280微應(yīng)變。

3 結(jié)論

與常規(guī)瀝青路面相比，城市長壽命瀝青路面在設(shè)計上采用較厚的結(jié)構(gòu)層和性能優(yōu)越的材料，路面在設(shè)計年限內(nèi)不會發(fā)生結(jié)構(gòu)性破壞，因此只需進(jìn)行日常的養(yǎng)護(hù)和及時的表面維修，下部結(jié)構(gòu)基本不需要做任何處理就可一直使用，有效延長道路的使用壽命。相比常規(guī)瀝青路面，這樣的可持續(xù)發(fā)展模式和較長的使用壽命，可以減少處理廢舊路用材料對環(huán)境造成的污染，因此具有顯著的環(huán)保意義。

［1］姜愛民．淺析瀝青路面的早期破損與防治［J］．公路交通科技(應(yīng)用技術(shù)版)，2008(11):105 ～106．

［2］劉鳳梅．簡談城市道路路面破壞原因及對策［J］．科技信息，2012(14):342．

［3］王選倉，侯榮國．長壽命路面結(jié)構(gòu)設(shè)計［J］．交通運輸工程學(xué)報，2007(6):46～49．

［4］馮治安，王選倉，李國勝．長壽命路面典型結(jié)構(gòu)研究、設(shè)計與施工技術(shù)［M］．人民交通出版社，2007．

［5］CJJ 36－2006城鎮(zhèn)道路養(yǎng)護(hù)技術(shù)規(guī)范．北京:人民交通出版社，2007．