沙漠地區(qū)高速公路大溫差環(huán)境下瀝青路面設(shè)計(jì)方案研究

蘇彤毅

（寧夏公路勘察設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司，寧夏 銀川 750001）

0 引言

基于現(xiàn)階段寧夏地區(qū)乃至全國(guó)地區(qū)缺乏沙漠腹地高速公路設(shè)計(jì)、施工等一系列技術(shù)研究和經(jīng)驗(yàn)的現(xiàn)狀，依托烏瑪高速，在綠色生態(tài)理念的基礎(chǔ)上，探索和研究影響沙漠高速公路瀝青路面壽命的因素和指標(biāo)，并進(jìn)行沙漠高速公路瀝青路面結(jié)構(gòu)及材料研究，加快沙漠地區(qū)公路建設(shè)、優(yōu)化路網(wǎng)結(jié)構(gòu)、提高工程質(zhì)量、確保運(yùn)營(yíng)安全、保護(hù)生態(tài)環(huán)境。

1 研究目標(biāo)

相較普通地區(qū)，更加極端的自然環(huán)境和筑路條件是目前沙漠高速公路設(shè)計(jì)及后期施工存在的技術(shù)難點(diǎn)，需要首先考慮。沙漠地區(qū)日照時(shí)間相比普通地區(qū)更長(zhǎng)，降水稀少，晝夜溫差懸殊，不同季節(jié)的溫差也有極大不同，夏季炎熱干旱，冬季干燥嚴(yán)寒，再加上沙漠地區(qū)高強(qiáng)度紫外線，會(huì)加速瀝青路面的老化，引發(fā)路面開裂等病害，而在溫度應(yīng)力的作用下產(chǎn)生裂縫則多發(fā)于寒冷的冬季，路面在重載作用下出現(xiàn)車轍、泛油等病害的頻率增加。這些嚴(yán)峻的自然環(huán)境對(duì)沙漠高速公路設(shè)計(jì)提出了更高的要求，如何使瀝青路面結(jié)構(gòu)在經(jīng)濟(jì)的前提下滿足沙漠地區(qū)的路用性能，是沙漠高速公路設(shè)計(jì)的重點(diǎn)任務(wù)。

2 研究方法及內(nèi)容

2.1 寧夏沙漠地區(qū)氣候環(huán)境特征及路面狀況調(diào)查

首先，通過對(duì)寧夏沙漠地區(qū)的地形氣候環(huán)境特點(diǎn)進(jìn)行調(diào)查分析可知：

寧夏沙漠地區(qū)屬于西北干旱帶，地處中溫帶干旱氣候區(qū)，降水量少蒸發(fā)強(qiáng)烈；冬冷夏熱，晝夜溫差較大；日照時(shí)間長(zhǎng)，紫外線輻射強(qiáng)。

其次，通過對(duì)寧夏地區(qū)的交通狀況和軸載的調(diào)查研究可知：

區(qū)域內(nèi)高速公路干線，國(guó)道和省道的交通量大；局部煤炭豐富地區(qū)重載車輛多；許多主要高速累計(jì)交通量標(biāo)準(zhǔn)軸載、累計(jì)當(dāng)量軸次均達(dá)到了重交通的設(shè)計(jì)等級(jí)；在設(shè)計(jì)路面結(jié)構(gòu)時(shí)要合理制訂路面各層厚度，以滿足重載交通的需求。

最后，通過對(duì)寧夏地區(qū)的瀝青路面病害調(diào)查研究分析得出：

寧夏北部地區(qū)和中部地區(qū)的瀝青路面的主要病害類型為裂縫，以橫向裂縫為主，縱向裂縫次之，部分路面有凹陷和局部網(wǎng)裂；寧夏南部山區(qū)瀝青路面主要病害類型為裂縫和水損害。

2.2 初擬寧夏沙漠地區(qū)瀝青路面結(jié)構(gòu)及模擬計(jì)算分析

2.2.1 現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查

該項(xiàng)目依托工程為烏瑪高速中衛(wèi)段。烏瑪高速地處騰格里沙漠腹地，自然環(huán)境極其惡劣，年降雨量不到300mm，蒸發(fā)量卻高達(dá)1500mm，氣候溫差大，日溫差最高可達(dá)40℃，風(fēng)沙頻繁，年起風(fēng)沙次數(shù)超過300 次。

2.2.2 路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思路

沙漠段大溫差環(huán)境下，無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定類結(jié)構(gòu)層的開裂難以根治。通過優(yōu)化路面結(jié)構(gòu)組合設(shè)計(jì)，采用粒料類、瀝青結(jié)合料類柔性基層，一方面可以利用粒料類達(dá)到消散應(yīng)力、消解應(yīng)變的作用，另一方面可以通過設(shè)置大碎石瀝青混合料，依靠大粒徑、多空隙結(jié)構(gòu)較大的塑性變形能力，充分吸收接縫釋放的應(yīng)變能，以防止反射裂縫向上延伸，保證瀝青路面良好的長(zhǎng)期使用性能。

2.2.3 路面結(jié)構(gòu)組合設(shè)計(jì)方案

綜合烏瑪高速沿線所處騰格里沙漠的地理位置、氣候特征和自然氣象環(huán)境特點(diǎn)，并結(jié)合烏瑪高速現(xiàn)場(chǎng)裂縫的調(diào)查情況、寧夏地區(qū)常用路面結(jié)構(gòu)類型、寧夏地區(qū)瀝青路面常見病害類型和大溫差環(huán)境下瀝青路面的理論及研究成果，提出三種新型瀝青路面結(jié)構(gòu)組合設(shè)計(jì)方案：級(jí)配碎石（柔性）基層路面、基層頂面設(shè)置應(yīng)力吸收層、大碎石瀝青混合料柔性基層路面（見表1）。

表1 路面結(jié)構(gòu)組合設(shè)計(jì)方案

綜上所述，根據(jù)對(duì)三種初擬路面結(jié)構(gòu)的交通組成及設(shè)計(jì)指標(biāo)驗(yàn)算和路面結(jié)構(gòu)層厚度驗(yàn)算，結(jié)果證明初擬的三種路面結(jié)構(gòu)均滿足《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D50—2017）中相關(guān)設(shè)計(jì)指標(biāo)的要求，初擬路面結(jié)構(gòu)是可行的。

2.3 室內(nèi)主要試驗(yàn)方案

室內(nèi)試驗(yàn)主要包括：級(jí)配碎石（柔性）基層路面室內(nèi)試驗(yàn)、大碎石瀝青混合料柔性基層路面室內(nèi)試驗(yàn)。

2.3.1 級(jí)配碎石（柔性）基層路面室內(nèi)試驗(yàn)

國(guó)內(nèi)關(guān)于級(jí)配碎石（柔性）基層路面級(jí)配碎石的厚度已經(jīng)有了推薦值，碎石層回彈模量的需求通過常規(guī)施工技術(shù)也可以實(shí)現(xiàn)。但采用連續(xù)型級(jí)配卻忽視了間斷級(jí)配可以提供更好的骨架。

碎石的級(jí)配直接影響結(jié)構(gòu)層的性能是否優(yōu)良。室內(nèi)試驗(yàn)設(shè)計(jì)了不同級(jí)配類型級(jí)配碎石，試驗(yàn)得到級(jí)配碎石抗剪強(qiáng)度、回彈模量、CBR 值等，分析不同級(jí)配類型的級(jí)配碎石力學(xué)性能優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，此次室內(nèi)試驗(yàn)通過優(yōu)化碎石級(jí)配，在保證級(jí)配碎石抗剪強(qiáng)度、CBR等力學(xué)性能的前提下，增加級(jí)配碎石層的模量，進(jìn)而提高瀝青層疲勞開裂對(duì)應(yīng)的累計(jì)當(dāng)量軸次，以提升級(jí)配碎石（柔性）基層路面的耐久性。

2.3.2 大碎石瀝青混合料柔性基層路面室內(nèi)試驗(yàn)

大碎石瀝青混合料在受到剪切荷載時(shí)，剪切變形小，強(qiáng)度高。室內(nèi)試驗(yàn)中按照最大公稱粒徑31.5mm，采用不同空隙率的混合料級(jí)配，分析力學(xué)性能和耐久性。在保證瀝青層耐久性的前提下，且具有良好的抗反射裂縫能力，以適用于沙漠公路瀝青路面的柔性基層。

2.4 試驗(yàn)段路面鋪筑方案

選取烏海至瑪沁公路青銅峽至中衛(wèi)段工程A9 標(biāo)段K160+700～K161+700 作為試驗(yàn)段。試驗(yàn)段上行K160+700～K161+200 鋪筑方案二（基層頂面設(shè)置2cm 應(yīng)力吸收層），試驗(yàn)段下行K160+700～K161+200鋪筑方案一（級(jí)配碎石（柔性）基層路面），試驗(yàn)段下行K161+200～K161+700 鋪筑方案三（大碎石瀝青混合料柔性基層路面），與上行K161+200～K161+700 原設(shè)計(jì)方案形成對(duì)比（見圖1）。

圖1 試驗(yàn)段鋪筑方案圖

2.5 長(zhǎng)期性能觀測(cè)方案

路面長(zhǎng)期性能涉及功能性、結(jié)構(gòu)承載力和耐久性等多個(gè)方面，主要體現(xiàn)在交通荷載、自然環(huán)境耦合作用下的路面性能變化規(guī)律，如路表磨耗、結(jié)構(gòu)損傷與材料損傷等，具有復(fù)雜性與漫長(zhǎng)性。

2.5.1 觀測(cè)目標(biāo)

近期：監(jiān)測(cè)不同路面結(jié)構(gòu)類型在車輛荷載作用下的力學(xué)響應(yīng)，驗(yàn)證不同路面結(jié)構(gòu)抵抗反射裂縫的應(yīng)力分布狀況。

遠(yuǎn)期：針對(duì)不同路面結(jié)構(gòu)開展長(zhǎng)期性能觀測(cè)，分析和實(shí)時(shí)掌握路面結(jié)構(gòu)和材料的長(zhǎng)期響應(yīng)，預(yù)估路面結(jié)構(gòu)和材料的長(zhǎng)期性能演變機(jī)理和發(fā)展規(guī)律，以期建立沙漠公路長(zhǎng)期性能預(yù)測(cè)模型。

2.5.2 觀測(cè)方案

利用自動(dòng)彎沉車檢測(cè)不同路面結(jié)構(gòu)的彎沉變化，并在試驗(yàn)段埋設(shè)橫、縱向應(yīng)變傳感器、溫度傳感器、土壓力計(jì)、豎向應(yīng)變傳感器。重點(diǎn)觀測(cè)路表彎沉、瀝青層底拉應(yīng)變、瀝青層底拉應(yīng)力、半剛性底基層層底拉應(yīng)變、半剛性底基層層底拉應(yīng)力、路基頂面豎向變形、瀝青層最大剪應(yīng)力、級(jí)配碎石層最大剪應(yīng)力。

2.6 各方案路面結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、作用及注意事項(xiàng)

2.6.1 原設(shè)計(jì)方案屬于半剛性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)，可通過適當(dāng)加厚瀝青層的辦法延緩半剛性瀝青路面早期病害問題。半剛性路面結(jié)構(gòu)應(yīng)該將半剛性基層、底基層設(shè)置為一層和二層，厚度取值范圍分別在18～20cm 和34～36cm 這個(gè)區(qū)間。施工時(shí)要求精確控制粉煤灰、水泥摻量和水泥穩(wěn)定碎石級(jí)配，嚴(yán)格控制基層強(qiáng)度（模量），尤其是高溫狀態(tài)下，當(dāng)基層強(qiáng)度（模量）有可能遠(yuǎn)大于面層時(shí)，須提高面層材料的抗剪和抗壓強(qiáng)度，如改用雙層改性瀝青、優(yōu)質(zhì)路面集料或增加面層厚度等。

2.6.2 比選方案一：通過采用級(jí)配碎石過渡層來加強(qiáng)路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部排水和減緩半剛性基層反射裂縫的發(fā)生，而半剛性底基層作為承載平臺(tái)，起到保護(hù)路基穩(wěn)定性的作用。但倒裝式結(jié)構(gòu)可能使其過渡層結(jié)構(gòu)整體承載力下降，同時(shí)考慮到級(jí)配碎石強(qiáng)度較低，因此可適當(dāng)加厚頂面瀝青層的厚度，以便減小傳遞給它的應(yīng)力，該方案在工程經(jīng)濟(jì)上有一定優(yōu)勢(shì)。

2.6.3 比選方案二：在面層和基層之間設(shè)置了應(yīng)力吸收層，它的存在使得改性瀝青層有更強(qiáng)的吸收應(yīng)力的能力，能夠吸收裂縫部位的應(yīng)力集中，防止瀝青路面形成反射裂縫。該方案性價(jià)比較高，經(jīng)試驗(yàn)觀測(cè)后，在工程預(yù)算允許的條件下優(yōu)先采用該方案。

2.6.4 比選方案三：一方面多空隙結(jié)構(gòu)可有效地阻斷裂縫尖端的擴(kuò)展路徑，削弱拉應(yīng)力、拉應(yīng)變的傳遞能力，消散、吸收交通荷載及溫度變化所產(chǎn)生的荷載應(yīng)力和溫度應(yīng)力；另一方面，大粒徑、多空隙結(jié)構(gòu)具有較大的塑性變形能力，可充分吸收接縫釋放的應(yīng)變能，減小接縫處應(yīng)力集中現(xiàn)象，緩解反射裂縫向上擴(kuò)展的速度。該方案造價(jià)偏高，但對(duì)于有效解決半剛性基層瀝青路面的反射裂縫問題效果最好，從而可大大提高瀝青路面的使用壽命，可應(yīng)用于重載和極重載交通且工程預(yù)算充足的項(xiàng)目上。

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，結(jié)合寧夏沙漠地區(qū)屬于西北干旱帶，地處中溫帶干旱氣候區(qū)，降水量少蒸發(fā)強(qiáng)烈；冬冷夏熱，晝夜溫差較大；日照時(shí)間長(zhǎng)，紫外線輻射的特點(diǎn)，在大溫差環(huán)境下研究結(jié)果表明：三種瀝青路面結(jié)構(gòu)性能均符合相關(guān)規(guī)范要求，同時(shí)進(jìn)一步驗(yàn)證了路面結(jié)構(gòu)的合理性，在保證經(jīng)濟(jì)節(jié)約的前提下，為瀝青路面結(jié)構(gòu)在沙漠高速公路中的應(yīng)用提供了技術(shù)依據(jù)和支撐。