廣東省瀝青路面不均勻沉降應力分析

衛小凱

（新疆交通建設（集團）有限責任公司，新疆 烏魯木齊 830016）

0 引言

隨著我國現代化建設的不斷推進，高速公路的負荷也越來越大，并且超載現象頻頻發生，使得高等級瀝青混凝土路面損害非常嚴重，對行車造成了安全隱患[1]。目前，國內外研究瀝青路面不均勻沉降的現狀主要為建立數學模型，采用有限元法進行分析。本文從我國現有部分高速公路的路面結構出發，討論了瀝青路面結構沉降現狀，并分析得到了最優的路面結構和厚度，對瀝青路面不均勻沉降進行了應力分析，提出了降低高速公路瀝青路面不均勻沉降損害的措施。筆者建立了瀝青路面沉降的有限元法計算模型并利用數值軟件進行分析，為瀝青路面結構的設計和施工提供了一定依據。

1 不均勻沉降的現狀

隨著我國現代化建設的不斷推進，高速公路里程逐年增加，截止到2013年已達到9.6萬km，居世界前列。其中，超過90%的高速公路采用半剛性瀝青路面。表1為我國廣東省部分干線高速公路的面層結構、基層結構、結構厚度、通車年份，路面狀況等信息[2-3]。

表1 我國廣東省部分高速路面結構概況

表1（續）

瀝青路面的不均勻沉降主要出現在軟土基結合處，嚴重的沉降還會使路面出現一個錯臺，如果不及時處理就會產生板塊斷裂和裂縫加劇。研究表明，瀝青路面不均勻沉降的原因主要有[4]：（1）高速公路里程較長、施工單位的不同、新老路段的交替、路基地質條件差均能導致路面產生沉降性差異；（2）道路施工過程中沒有將瀝青路面壓實到位，填筑速率過快，新修建的瀝青路面具有可塑性，經載荷作用一段時間后會發生大規模的不均勻沉降；（3）高等級公路往往交通量大，路面受到較大的車輛載荷作用，強度和剛度一直下降，引起路面不均勻沉降，不均勻沉降導致路面出現錯臺，增大行車阻力。

2 不均勻沉降應力分析

瀝青路面沉降由地基自身重力沉降和車輛載荷附加應力沉降兩部分組成，路基在它們共同的作用下開始沉降，經歷瞬時沉降、主固結沉降、固結沉降三個部分，分別用Si、Sc、Ss表示，如圖1所示。

圖1 瀝青路面隨時間沉降示意圖

為了更好地對瀝青路面不均勻沉降進行分析，依據我國設計規范的相關要求，結合廣東省部分高速路面結構概況，確定了四種瀝青路面結構進行數值實驗分析。四種瀝青路面的結構組成，如表2所示。

表2 四種試驗路面結構概況

4種結構墊層均為15cm未篩分碎石，可以起到有效排除路基結構中的自由水，改善路面結構的濕度的作用。結構1、2、4的基層均為水穩碎石分層，起到了增加路面強度和抗疲勞的作用。經試驗研究和計算，得到了四種結構路面不均勻沉降的情況（見圖2）。

圖2 4種結構不均勻沉降情況

由圖2可知，結構1的不均勻沉降量最大，為4.8cm；結構3的不均勻沉降量最小為2.5cm，主要是由于結構3的柔性基層較厚。不均勻沉降會使路面出現一個錯臺，如不及時處理就會產生板塊斷裂和裂縫加大，致使路面損害加劇，因此，對瀝青路面不均勻沉降進行有限元法應力分析具有重要的意義。以結構3為例進行應力分析，4cm細粒瀝青混凝土的彈性模量為2 000MPa，5cm中粒瀝青混凝土的彈性模量為1 800MPa，12cm瀝青碎石的彈性模量為1 400MPa，22cm水穩碎石的彈性模量為1 300MPa，30cm級配碎石的彈性模量為250MPa，15cm未篩分碎石的彈性模量為180MPa。經ANSYS有限元法軟件分析，該結構面層處于受壓狀態，下基層處于受壓狀態，不均勻沉降量取4cm、6cm、8cm、10cm下的應力情況見圖3，施加位移載荷后的附加應力分析見圖4。

圖3 結構不均勻沉降應力分析

圖4 施加位移載荷后的應力分析

3 不均勻沉降應對措施

在修建高速公路時，經常受工期緊張、施工單位不同、地質條件差異較大、施工條件復雜等因素影響。目前，從處理高速公路不均勻沉降的方法來看，主要有輕質材料法、排水固結法、復合地基法等[5]。對于瀝青路面的不均勻沉降，主要應對措施包含以下方面[3-5]。

（1）在結合處開挖臺階，以便于為不同段的路基提供更多的接觸面積，使沉降均勻化。

（2）提高瀝青路面路基的填土壓實度，采用大型機械進行反復壓實，施工死角也要用小型機械填筑壓實。

（3）選用4cm細粒瀝青混凝土、5cm中粒瀝青混凝土做面層，12cm瀝青碎石、22cm水穩碎石、30cm級配碎石作基層，15cm未篩分碎石做墊層的路面結構，經有限元分析這種結構的沉降量最小。

（4）高速公路的交通量非常大，路面受到較大的車輛載荷作用，強度和剛度一直下降，引起路面不均勻沉降，因此，管理單位要嚴格控制超限超載車輛，以免對路面造成損害。

4 結語

以高速公路瀝青路面不均勻沉降的為研究對象，筆者統計了廣東省部分高速公路的路基結構和損害情況，分析了瀝青路面產生不均勻沉降主要為地質差異、材料差異、壓實度不同等原因。從我國部分現有高速的路面結構出發，討論了瀝青路面結構沉降現狀，并分析得到了最優的路面結構和厚度，對瀝青路面不均勻沉降進行了應力分析，提出了降低高速公路瀝青路面不均勻沉降損害的措施。試驗結果表明，選用4cm細粒瀝青混凝土、5cm中粒瀝青混凝土作面層，12cm瀝青碎石、22cm水穩碎石、30cm級配碎石作基層，15cm未篩分碎石作墊層的路面結構，經有限元分析此結構的沉降量最小。希望為今后城市道路結合處的設計和損害處理提供參考。

[1]沙慶林.高速公路瀝青路面早期破壞現象及預防（2版）[M].北京：人民交通出版社，2007.

[2]高文武.軟土地區瀝青路面結構設計方法研究[D].重慶：重慶交通大學，2010.

[3]陳冠雄，黃國宣.廣東省高速公路軟基處理實用技術[M].北京：人民交通出版社，2005.

[4]崔鵬，邵敏華，孫立軍.長壽命瀝青路面設計指標研究[J].交通工程運輸學報，2008，8（3）：37-42.

[5]JTG D50—2006，公路瀝青路面設計規范[S].