高寒高海拔地區(qū)路面典型結(jié)構(gòu)適應(yīng)性研究

毛雪松，黃 喆，朱鳳杰

(長安大學(xué) 公路學(xué)院，陜西 西安 710064)

高寒高海拔地區(qū)路面典型結(jié)構(gòu)適應(yīng)性研究

毛雪松，黃 喆，朱鳳杰

(長安大學(xué) 公路學(xué)院，陜西 西安 710064)

路面結(jié)構(gòu)直接影響道路的使用性能，高海拔和低溫氣候是影響路面結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵因素。通過調(diào)查分析，歸納總結(jié)了西藏地區(qū)現(xiàn)有的路面結(jié)構(gòu)類型；選取K2876～K3595段為典型路段并對路面的病害類型進(jìn)行了分析；以共玉高速為項(xiàng)目依托，采用四種新型路面結(jié)構(gòu)進(jìn)行試驗(yàn)路鋪筑研究，并進(jìn)行了溫度場模擬。研究結(jié)果表明：柔性基層路面結(jié)構(gòu)相對于半剛性基層路面結(jié)構(gòu)在高寒地區(qū)具有更好的適應(yīng)性，其中土工格室加固級配碎石基層路面結(jié)構(gòu)表現(xiàn)最優(yōu)。

道路工程；凍土地區(qū)；路面結(jié)構(gòu)；適應(yīng)性分析

青藏高寒地區(qū)其高寒高海拔的特殊環(huán)境對路面結(jié)構(gòu)整體性能影響很大，瀝青路面往往在通車初期就出現(xiàn)大量病害[1]，嚴(yán)重影響使用性能，采用單一半剛性基層路面結(jié)構(gòu)[2]不能適應(yīng)其復(fù)雜特殊的環(huán)境。

目前現(xiàn)行的公路設(shè)計(jì)理論也并未考慮到青藏地區(qū)的特殊環(huán)境，筆者通過在共玉高速上鋪筑4種新型路面結(jié)構(gòu)試驗(yàn)路并對其進(jìn)行調(diào)查檢測，通過彎沉測量、病害統(tǒng)計(jì)、鉆芯取樣等手段對各路面結(jié)構(gòu)的適應(yīng)性進(jìn)行了對比分析，并模擬了兩種典型路面結(jié)構(gòu)下的溫度場。

1 高寒地區(qū)路面結(jié)構(gòu)與病害類型

1.1 高寒地區(qū)常見的路面結(jié)構(gòu)

青藏公路、川藏南線、川藏北線、滇藏公路和新藏公路等5條國道為進(jìn)出藏的主要通道，具有很好的代表性。筆者通過對這5條道路實(shí)地調(diào)查并結(jié)合已有資料分析，可知西藏地區(qū)的瀝青路面路面結(jié)構(gòu)可以大致分為兩種：傳統(tǒng)瀝青路面結(jié)構(gòu)和現(xiàn)有公路瀝青路面結(jié)構(gòu)，仍以半剛性基層路面結(jié)構(gòu)為主，如表1。

表1 西藏典型瀝青路面結(jié)構(gòu)Table 1 Typical asphalt pavement structure in Tibet

1.2 G109青藏公路病害分析

青藏高原地區(qū)海拔高、輻射強(qiáng)、年平均氣溫低溫差大，加之青藏公路沿線分布大量的凍土，是大量路面病害產(chǎn)生的主要因素。常年低溫使得瀝青面層變脆變硬，高太陽輻射加之反復(fù)凍融循環(huán)進(jìn)一步加速了瀝青材料老化，而且人為及自然因素導(dǎo)致多年凍土的退化加之重載交通的反復(fù)作用，路面產(chǎn)生了一系列的裂縫、變形、凍脹翻漿、車轍、擁抱、泛油、坑槽等病害[3]。其中凍土區(qū)多年凍土的退化是誘發(fā)瀝青路面各類病害的主要因素，因此，根據(jù)G109沿線多年凍土分布的情況分析，選擇K2876～K3595段為典型路段，對該路段的路面病害進(jìn)行統(tǒng)計(jì)調(diào)查，調(diào)查結(jié)果如表2，總結(jié)各類病害所占百分比如圖1。

表2 青藏公路K2876～K3595路面病害分布Table 2 Pavement disease distribution in K2876～K3595 section of Qinghai-Tibet Highway

圖1 各類路面病害所占百分比Fig.1 Percentage of various pavement diseases

由圖1分析可知：在公路沿線經(jīng)過的多年凍土路段內(nèi)，其路面病害類型眾多，所占比例較大的路面病害有裂縫(縱向裂縫、橫向裂縫、網(wǎng)裂、龜裂等)、波浪、沉陷、松散等，裂縫的存在會(huì)加劇路面結(jié)構(gòu)破損，而波浪和沉陷則影響著行車安全性和舒適性。為了最大限度地減少路面病害，應(yīng)從材料、結(jié)構(gòu)及地區(qū)特殊的自然環(huán)境等方面綜合考慮，選取結(jié)構(gòu)合理的多年凍土區(qū)路面結(jié)構(gòu)。為研究更適應(yīng)于凍土地區(qū)尤其高溫凍土區(qū)的路面結(jié)構(gòu)，筆者選擇在典型地區(qū)鋪筑了4種新型路面結(jié)構(gòu)[4]，并對這4種結(jié)構(gòu)適應(yīng)性進(jìn)行對比評價(jià)。

2 新型路面結(jié)構(gòu)試驗(yàn)路鋪筑

2.1 試驗(yàn)路概況

試驗(yàn)段在共玉高速GYI-SGB3合同段內(nèi)，合同段起于查龍窮村，止于清水河鎮(zhèn)，試驗(yàn)路段樁號為K629+800～K634+200，靠近清水河鎮(zhèn)如圖2。合同段按“總體規(guī)劃、分期實(shí)施”的原則新建一幅道路，單幅路基寬度10 m、行車道寬度3.75 m，分離式路基寬度為11.25 m，采用高速公路標(biāo)準(zhǔn)修筑。

該地區(qū)分布著不連續(xù)的多年凍土以及季節(jié)性凍土，如表3。多年凍土發(fā)育且為高溫型凍土，平均凍土溫度為-0.5 ℃～0 ℃，天然凍土上限在2.5 m左右；本段的季節(jié)性凍土由于所處地區(qū)海拔高、年平均氣溫低，季節(jié)性凍深大，再加上地勢平坦地表積水嚴(yán)重、地下水埋深淺，因此季節(jié)性凍脹作用強(qiáng)烈，對道路破壞較大。

圖2 工玉高速位置Fig.2 The position of Gong-Yu Highway

表3 試驗(yàn)路段凍土類型Table 3 Types of the frozen soil in test section

試驗(yàn)路段處于青藏高原腹地，屬于典型的高原大陸性半干旱氣候，冬季寒冷漫長；夏季氣候涼爽短暫，雨水較充足，降水分布地區(qū)差異明顯，且主要集中在5～9月份，晝夜溫差大，空氣稀薄，日照充足輻射量大，年平均日照率達(dá)50%～60%。該地區(qū)的氣象條件如表4。綜合以上分析，選擇此處鋪筑試驗(yàn)路具有典型性，因此選擇此地區(qū)鋪筑試驗(yàn)路進(jìn)行研究。

表4 試驗(yàn)路段氣象條件Table 4 Meteorological conditions of the test section

2.2 試驗(yàn)路路面結(jié)構(gòu)

2014年8月份，筆者借助共玉高速公路一期工程，在K629+800～K634+200之間鋪筑了長4.4 km的試驗(yàn)段。由研究可知：對多年凍土地區(qū)，路面產(chǎn)生的位移主要取決于凍土融化盤的深度[5]，但基層層底拉應(yīng)力的大小受路面結(jié)構(gòu)形式的影響較大，而柔性基層相較于半剛性基層在相同融沉下層底拉應(yīng)力更小[6]。因此，試驗(yàn)路設(shè)計(jì)了4種以柔性基層為主的新型路面結(jié)構(gòu)，在保證面層結(jié)構(gòu)相同的情況下改變基層、墊層結(jié)構(gòu)，其中這4種路面形式的厚度及結(jié)構(gòu)均經(jīng)過合理的設(shè)計(jì)與驗(yàn)算，符合現(xiàn)行規(guī)范的要求具有理論可行性，如表5。

表5 試驗(yàn)路路面結(jié)構(gòu)類型Table 5 Pavement structure types of the test road

3 試驗(yàn)路檢測及分析

為探究這4種新型路面結(jié)構(gòu)在實(shí)際環(huán)境中的適應(yīng)性，同時(shí)對比分析試驗(yàn)段各路面結(jié)構(gòu)以及相鄰生產(chǎn)段路面結(jié)構(gòu)的性能，筆者選擇K629+300～K635+200 共5.9 km路段作為研究對象(其中K629+800～K634+200共4.4 km為試驗(yàn)段、試驗(yàn)段前后各500、1 000 m共1.5 km為生產(chǎn)段)。采取彎沉測量、病害統(tǒng)計(jì)、鉆芯取樣等手段對各路面結(jié)構(gòu)的性能進(jìn)行對比。

3.1 病害檢測分析

通過調(diào)查統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，路面病害主要以變形、橫向裂縫、泛油、麻面、坑槽、機(jī)械刻痕、油污為主，其中橫向裂縫為路面主要病害，歷次調(diào)查所占病害數(shù)量比例均在60%以上。

3.1.1 裂縫統(tǒng)計(jì)調(diào)查

通過3次調(diào)查統(tǒng)計(jì)，收集各試驗(yàn)路段及相鄰生產(chǎn)路段的橫向裂縫調(diào)查數(shù)據(jù)如圖3。

圖3 裂縫統(tǒng)計(jì)Fig.3 Statistics of cracks

通過對3次裂縫調(diào)查進(jìn)行對比分析發(fā)現(xiàn)：

1) 道路通車后雖然經(jīng)過數(shù)次養(yǎng)護(hù)，但裂縫并未消失由此可以看出裂縫并非產(chǎn)生于同一時(shí)間，而是隨著時(shí)間推移逐漸產(chǎn)生發(fā)展，雖然經(jīng)過填補(bǔ)修復(fù)，裂縫的發(fā)展并沒有得到阻止。其中以兩側(cè)生產(chǎn)路段裂縫最為發(fā)育且裂縫以貫穿裂縫居多甚至出現(xiàn)了幾處橫縫縱縫交叉的情況；

2) 柔性基層路面抵抗裂縫的能力明顯優(yōu)于半剛性基層[7]，其中土工格室加固級配碎石基層路面結(jié)構(gòu)同期裂縫數(shù)量均明顯低于其他路段，且裂縫明顯較小(圖4)。

圖4 各路段裂縫Fig.4 Cracks of each section

3.1.2 鉆芯取樣分析

為進(jìn)一步探尋不同結(jié)構(gòu)路段裂縫存在的狀態(tài)及產(chǎn)生的原因，筆者在調(diào)研中進(jìn)行了鉆芯取樣。分別在4種不同結(jié)構(gòu)試驗(yàn)路段進(jìn)行鉆芯取樣，每段試驗(yàn)路取一個(gè)芯樣，試驗(yàn)路兩側(cè)各取一個(gè)芯樣，總?cè)?個(gè)芯樣(表6)。芯樣的取點(diǎn)選擇在路面橫向裂縫相對較大處。

表6 取芯位置狀況Table 6 Core position condition

分析芯樣具體情況：

1) 芯樣①：只能取出面層，基層(水穩(wěn)碎石)沒有成形，無法取出；

2) 芯樣②：取出的面層芯樣裂縫寬度越到表面越小，可推測為半剛性基層的反射裂縫；

3) 芯樣③：芯樣狀況：面層和ATB-25上基層分離；從取出的芯樣看，越到表面，裂縫的寬度越大，可推測為Top-Down裂縫；

4) 芯樣④：芯樣狀況：面層和ATB-25上基層黏結(jié)較好，可將其整體取出。從取出的芯樣看，越到表面，裂縫的寬度越大，可推測為top-down裂縫；

5) 芯樣⑤：面層和ATB-25上基層黏結(jié)較好，可將其整體取出。從取出的芯樣看，越到表面，裂縫的寬度越大，而且裂縫還未擴(kuò)展到ATB-25上基層，可推測為top-down裂縫。

6) 芯樣⑥：面層和ATB-25上基層分離。從取出的芯樣看，越到表面，裂縫的寬度越大，裂縫已經(jīng)擴(kuò)展到ATB-25上基層，但相對面層的裂縫寬度明顯較小。可推測為top-down裂縫。

7) 芯樣⑦：取出的面層芯樣裂縫寬度越到表面越小，可推測為半剛性水穩(wěn)基層的反射裂縫。

通過以上鉆芯取樣的結(jié)果可以看出：采用柔性基層的試驗(yàn)路段橫向裂縫均為top-down裂縫，而采用半剛性基層結(jié)構(gòu)的生產(chǎn)路段橫向裂縫均為反射裂縫；從芯樣①看出：水穩(wěn)半剛性基層由于環(huán)境惡劣，地區(qū)常年低溫，風(fēng)速大水分蒸發(fā)快，水穩(wěn)半剛性材料在養(yǎng)生階段強(qiáng)度增長緩慢，往往出現(xiàn)初期強(qiáng)度無法形成的現(xiàn)象。

結(jié)合多次裂縫觀測數(shù)據(jù)，可知在該多年凍土區(qū)，因半剛性基層開裂而產(chǎn)生的橫向裂縫是路面裂縫的主要類型，而復(fù)合式基層、柔性基層路面的橫向裂縫均為top-down裂縫。分析其原因：主要由于地區(qū)氣溫較低，瀝青面層中的平均溫度低于其斷裂溫度，產(chǎn)生的拉應(yīng)力超過了其抗拉強(qiáng)度，而導(dǎo)致瀝青面層斷裂。

3.2 彎沉檢測及結(jié)果分析

通過采用貝克曼梁法對試驗(yàn)路段進(jìn)行測試，在試驗(yàn)段K629+800～K634+200及試驗(yàn)段前后各1 km生產(chǎn)路段上每100 m布置一個(gè)測點(diǎn)，選擇2015年3、7、9、12月份(對應(yīng)多年凍土凍結(jié)、融化、飽雨、上凍狀態(tài))這4個(gè)時(shí)間點(diǎn)進(jìn)行檢測得到彎沉數(shù)據(jù)后經(jīng)過處理得到代表彎沉Lr，如圖5。

圖5 彎沉檢測結(jié)果對比Fig.5 Comparison of the deflection detection results

通過分析彎沉檢測數(shù)據(jù)，可得出以下結(jié)論：

1) 在整個(gè)檢測周期中，采用柔性基層路面結(jié)構(gòu)路段的彎沉整體大于半剛性基層瀝青路面，這是因?yàn)榘雱傂曰鶎酉鄬τ谌嵝曰鶎颖旧砭呔蛣偠却?、承載力高的特點(diǎn)。4次檢測中，3、12月路面彎沉與7、9月相比整體較小，這是因?yàn)?、9月處于當(dāng)?shù)馗邷囟嘤昙竟?jié)，路基處于解凍飽水狀態(tài)，因此路基整體承載力降低；而3、12月路基處于低溫凍結(jié)狀態(tài)，道路整體結(jié)構(gòu)的承載力因此較高；

2) 3、12月份道路處于初凍、凍結(jié)狀態(tài)，各路面結(jié)構(gòu)彎沉均處于較小值。通過各結(jié)構(gòu)橫向?qū)Ρ瓤芍和凉じ袷覍壟渌槭哂惺`力，因此其彎沉比級配碎石段明顯較小，說明土工格室有顯著加固作用。2%水穩(wěn)碎石試驗(yàn)段(K630+800～K632+000)和4%水穩(wěn)碎石試驗(yàn)段(K629+800～K620+800)路面彎沉相差不大，由路面結(jié)構(gòu)可知：4%水穩(wěn)底基層厚度比2%水穩(wěn)底基層大6 cm，然而實(shí)際施工時(shí)2%水穩(wěn)底基層其施工效果明顯好于后者，兩者在剛度、承載力上無明顯差異。生產(chǎn)路段由于其基層和底基層均為半剛性結(jié)構(gòu)，因此其路面較其他結(jié)構(gòu)承載大、彎沉?。?/p>

3) 7月份由于氣溫升高，地溫升高，凍土路基出現(xiàn)融化，道路處于解凍狀態(tài)，路面結(jié)構(gòu)內(nèi)含水率增高，路基承載力降低。分析數(shù)據(jù)看出水穩(wěn)路段、生產(chǎn)路段和級配碎石路段的彎沉相差不大，其中水穩(wěn)路段和生產(chǎn)路段由于路面結(jié)構(gòu)排水性能差，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)內(nèi)水分無法及時(shí)排出，使結(jié)構(gòu)承載力下降，因此路面彎沉增大；而級配碎石路面結(jié)構(gòu)由于其排水性能較好，因此路面彎沉變化不大。土工格室路面結(jié)構(gòu)相比級配碎石段，由于格室在約束級配碎石的同時(shí)也阻礙了內(nèi)部排水，導(dǎo)致出現(xiàn)積水使得結(jié)構(gòu)承載力降低，彎沉最大；

4) 9月后，路基路面經(jīng)過了該地區(qū)的雨季，雨水向路基路面結(jié)構(gòu)的入滲進(jìn)一步降低了各類路面結(jié)構(gòu)的承載力。4%水穩(wěn)底基層當(dāng)雨水入滲時(shí)其承載力下降幅度大，路面彎沉顯著增大；而土工格室加固級配碎石基層路面由于裂縫數(shù)量很少，路面結(jié)構(gòu)整體性保持較好因此結(jié)構(gòu)內(nèi)入滲水較少承載力并沒有明顯減小，因此彎沉最小。

通過上述分析，結(jié)合路面病害調(diào)查綜合對比，可以看出土工格室加固級配碎石基層結(jié)構(gòu)保持了柔性基層良好的變形協(xié)調(diào)性，路面裂縫數(shù)量明顯低于半剛性基層路面，且土工格室加固作用明顯，一定程度上彌補(bǔ)了柔性基層路面結(jié)構(gòu)承載力低的缺點(diǎn)，表現(xiàn)最優(yōu)。

4 溫度場模擬

通過使用FLAC3D建立路基路面整體模型[8]，模擬路基溫度場，其邊界條件和初始條件[9-10]如下：

4.1 上邊界條件

(1)

4.2 模型右側(cè)邊界條件

模型中假設(shè)地基右側(cè)邊界熱交換為0。

4.3 下邊界條件

模型底部距天然地表以下20 m，地溫變化幅度小，因此假設(shè)底部為恒溫邊界，取值-2.0 ℃。

4.4 模型初始條件

模型的溫度初始條件選取為7月份溫度值，由多年觀測數(shù)據(jù)。路基填土的溫度初始值設(shè)置為13 ℃。模型各層的材料參數(shù)參照實(shí)際工程來進(jìn)行確定。

圖6為兩種路面結(jié)構(gòu)下路面中心位置的溫度分布。選擇7月為代表月份，發(fā)現(xiàn)土工格室加固級配碎石基層結(jié)構(gòu)路基的0 ℃凍結(jié)線在路基頂面以下5.2 m深處，而半剛性基層則在路基頂面以下5.33 m處，表明相對于半剛性基層，其結(jié)構(gòu)更有利于多年凍土的穩(wěn)定。

圖6 兩種結(jié)構(gòu)的溫度分布Fig.6 Temperature distribution of two structures

5 結(jié) 論

綜合以上分析，筆者得出以下結(jié)論：

1) 調(diào)查青藏公路、川藏南線、川藏北線、滇藏公路和新藏公路，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有路面結(jié)構(gòu)單一，以傳統(tǒng)半剛性基層路面結(jié)構(gòu)為主，而多年凍土退化是誘發(fā)路面病害的主要因素；

2) 調(diào)查發(fā)現(xiàn)雖然4種路面結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)均符合規(guī)范要求，但在實(shí)際環(huán)境中卻表現(xiàn)各異。由此說明現(xiàn)行的路面設(shè)計(jì)理論并不能很好地適應(yīng)于青藏高寒高海拔地區(qū)的特殊要求；

3) 柔性基層路面抵抗裂縫的能力明顯優(yōu)于半剛性基層路面，其中以土工格室加固級配碎石路面最優(yōu)，半剛性基層生產(chǎn)路段裂縫主要以基層反射裂縫為主，柔性基層試驗(yàn)路段裂縫主要以top-down裂縫為主；

4) 柔性基層路面彎沉整體大于半剛性基層路面，采用土工格室加固級配碎石后彎沉明顯減小，加固作用顯著；

5) 通過模擬發(fā)現(xiàn)土工格室柔性基層結(jié)構(gòu)更利于多年凍土的保護(hù)。綜合調(diào)查及分析結(jié)果表明：這4種新型路面結(jié)構(gòu)中土工格室加固級配碎石段表現(xiàn)最優(yōu)對該地區(qū)具有更好的適應(yīng)性。

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(責(zé)任編輯：劉 韜)

Adaptability of Pavement Typical Structure in High Altitude Cold Area

MAO Xuesong，HUANG Zhe，ZHU Fengjie

(College of Highway，Chang’an University，Xi’an 710064，Shaanxi，P.R.China)

The pavement structure directly affects the road performance，and the high altitude and the low temperature climate are the key factors to affect the pavement structure.The existing pavement structure types of Tibet area were summarized through the investigation and analysis.K2876～K3595 section was selected as a typical section and its pavement disease types were analyzed.Based on the “Gong-Yu Highway” project，the field research on the test road was carried out by adopting four new types of pavement structures；and the temperature field simulation was also carried out.The results of the study show that：compared with the semi-rigid base pavement structures，the flexible base pavement structures have better adaptability in high altitude cold area，among which the pavement structure with the reinforced and graded crushed stone base performs best.

road engineering；frozen soil area；pavement structure；adaptability analysis

10.3969/j.issn.1674-0696.2017.08.05

2016-04-25；

2016-09-12

毛雪松(1976—)，女，吉林延邊人，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事路基、路面工程方面的研究。E-mail：15094011530@qq.com。

黃 喆(1992—)，男，河南三門峽人，碩士研究生，主要從事路基、路面工程方面的研究。E-mail：inebula@foxmail.com。

U416.22

A

1674-0696(2017)08-023-07