山區重交通抗車轍路面結構優化研究

封喜波

（密涿高速公路廊坊建設管理處 廊坊 065000）

1 基于層位分工的材料與結構一體化設計方法

重交通給瀝青路面帶來了嚴峻考驗，部分道路路面達不到設計使用年限，尤其是在山區長大縱坡路段，通車后不久就出現嚴重的車轍、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，給社會及運輸部門造成較大的經濟損失。

1.1 層位分工理論

所謂層位分工，是指根據瀝青路面各結構層在結構性使用性能（抗車轍性能、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個方面的分工，研究瀝青路面各層間受力特點和力學功能分工，更好地進行結構層計算，對材料和結構層的厚度要求進行總結［1］。

根據半剛性瀝青路面層位分工功能，應用國內外最新的材料設計方法，開發新的適合于層位分工的半剛性路面材料，將抗車轍性能合適的材料放到合適的層位，使得材料各盡所能，建立適用于山區重交通道路的路面結構、材料一體化設計的方法，使得半剛性基層瀝青路面能夠更加適應重交通荷載，最終達到設計使用壽命。

1.2 結構層厚度的確定

（1）無坡路段根據我國現行瀝青路面設計規范中所要求的半剛性基層最小施工厚度［2］，考慮到路面的經濟性，確定無坡路段二級公路路面基層厚度宜為20～22cm，一級公路可取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性能，對于延長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進行力學指標計算，見表1。從受力角度而言，一級公路瀝青碎石層下面層厚度宜為12～15cm，但對于二級公路，考慮到經濟性可適當減薄至8～10cm。

表1 瀝青碎石作為上基層的力學計算結果

（3）根據時溫等效關系，使用公路路面設計程序系統（HPDS2003）進行路面基層厚度的設計。經過設計彎沉和容許拉應力驗算得出在無坡路段基層取15cm最小設計厚度就能滿足要求，但對有坡路段，隨著坡度的增加半剛性基層層厚也增加，不過增大幅度不大，從計算結果看，有坡路段應適當增加半剛性基層的厚度至20cm，見表2。

表2 山區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構受力分析

為了更好地總結規律，應用Bisar程序進行路面力學分析。根據5種路面結構形式計算得到的大量數據，分析路面在不同坡度、不同層間接觸狀態、不同重載交通下的受力特點，5種路面結構形式見表3。

研究路面縱坡坡度對路面各結構層的受力影響，應該根據瀝青混合料的粘彈性性質和載重貨車車速下降而引起作用時間延長來進行，對以上5種典型路面結構分別計算在不同坡度條件（0，3%，6%，9%），不同軸重條件（100，140，180，220，260，300kN），不同層間條件（連續，光滑）以及有無摻車轍劑下的路表最大彎沉、各結構層內的最大剪應力和最大拉應力值。

表3 計算采用的路面結構形式

通過計算，5種路面結構的力學和抗車轍性能排序為：路面結構4、路面結構2、路面結構1、路面結構3，路面結構5最差。

3 半剛性瀝青路面材料和結構技術要求

3.1 瀝青混合料技術要求

根據路面層位分工要求，綜合考慮各結構層的特性及功能，提出山區干線重交通瀝青路面瀝青混合料高溫性能指標以及柔性基層瀝青混合料材料選擇要求，在此基礎上提出山區重交通道路半剛性瀝青路面推薦結構，見表4。

表4 山區重交通抗車轍路面結構和材料設計一體化推薦結構

3.2 層間粘結層技術要求

研究結果表明，粘結狀態良好時，面層能夠很好地將路面荷載傳遞給基層，連續狀態不好的情況下，路面的內部應力開始復雜化，所以應重視瀝青面層和基層的粘結狀態［3］。在重載和超載車輛作用下山區公路不同程度地出現路面滑移現象，因此需加強層間粘結效果，具體措施如下：

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

（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改性瀝青粘結防水層。

（4）為加強中下面層之間粘結，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

按照國內外半剛性材料的使用經驗，可采取基層層間施工改善、基層預開裂、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整體，在進行底基層施工之前，將路基頂面采用改進的帶凸塊的羊角輾碾壓，使土基表面密布一個個凹坑，底基層與基層之間的接觸面相互嚙合，可增加層間粘結。

4 結語

提出了以路面結構層位分工為基礎、以材料性能試驗為依據的山區重交通抗車轍的路面結構設計及材料設計一體化方法，運用有限元軟件對路面結構進行數值模擬，分析了路面結構在重載交通、層間接觸狀態、縱坡等不同道路環境條件下的瀝青路面結構應力狀態，通過實測材料參數對不同工況下路面結構的力學指標進行驗算，提出了山區重交通瀝青路面各功能層的性能控制指標及抗車轍路面的典型結構形式。

［1］楊 軍，崔 娟，萬 軍，等.基于結構層貢獻率的瀝青路面抗車轍措施［J］.東南大學學報，2007，37（2）：350－354.

［2］JTG F40－2004公路瀝青路面施工技術規范［S］.北京：人民交通出版社，2004.

［3］吳瑞麟，石立萬，余海洋，等.影響瀝青路面全厚度車轍關鍵因素的試驗研究［J］.武漢理工大學學報，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轍研究［J］.土木工程學報，2009，42（5）：139－144.