沙漠地區高速公路大溫差環境下瀝青路面設計方案研究

蘇彤毅

（寧夏公路勘察設計院有限責任公司，寧夏 銀川 750001）

0 引言

基于現階段寧夏地區乃至全國地區缺乏沙漠腹地高速公路設計、施工等一系列技術研究和經驗的現狀，依托烏瑪高速，在綠色生態理念的基礎上，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[1]，并進行沙漠高速公路瀝青路面結構及材料研究，加快沙漠地區公路建設、優化路網結構、提高工程質量、確保運營安全、保護生態環境。

1 研究目標

相較普通地區，更加極端的自然環境和筑路條件是目前沙漠高速公路設計及后期施工存在的技術難點，需要首先考慮。沙漠地區日照時間相比普通地區更長，降水稀少，晝夜溫差懸殊，不同季節的溫差也有極大不同，夏季炎熱干旱，冬季干燥嚴寒，再加上沙漠地區高強度紫外線，會加速瀝青路面的老化，引發路面開裂等病害，而在溫度應力的作用下產生裂縫則多發于寒冷的冬季，路面在重載作用下出現車轍、泛油等病害的頻率增加。這些嚴峻的自然環境對沙漠高速公路設計提出了更高的要求，如何使瀝青路面結構在經濟的前提下滿足沙漠地區的路用性能，是沙漠高速公路設計的重點任務[2]。

2 研究方法及內容

2.1 寧夏沙漠地區氣候環境特征及路面狀況調查

首先，通過對寧夏沙漠地區的地形氣候環境特點[3]進行調查分析可知：

寧夏沙漠地區屬于西北干旱帶，地處中溫帶干旱氣候區，降水量少蒸發強烈；冬冷夏熱，晝夜溫差較大；日照時間長，紫外線輻射強。

其次，通過對寧夏地區的交通狀況和軸載的調查研究可知：

區域內高速公路干線，國道和省道的交通量大；局部煤炭豐富地區重載車輛多；許多主要高速累計交通量標準軸載、累計當量軸次均達到了重交通的設計等級；在設計路面結構時要合理制訂路面各層厚度，以滿足重載交通的需求。

最后，通過對寧夏地區的瀝青路面病害調查研究分析得出：

寧夏北部地區和中部地區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裂；寧夏南部山區瀝青路面主要病害類型為裂縫和水損害[4]。

2.2 初擬寧夏沙漠地區瀝青路面結構及模擬計算分析

2.2.1 現場調查

該項目依托工程為烏瑪高速中衛段。烏瑪高速地處騰格里沙漠腹地，自然環境極其惡劣，年降雨量不到300mm，蒸發量卻高達1500mm，氣候溫差大，日溫差最高可達40℃，風沙頻繁，年起風沙次數超過300 次。

2.2.2 路面結構設計思路

沙漠段大溫差環境下，無機結合料穩定類結構層的開裂難以根治。通過優化路面結構組合設計，采用粒料類、瀝青結合料類柔性基層，一方面可以利用粒料類達到消散應力、消解應變的作用，另一方面可以通過設置大碎石瀝青混合料，依靠大粒徑、多空隙結構較大的塑性變形能力，充分吸收接縫釋放的應變能，以防止反射裂縫向上延伸，保證瀝青路面良好的長期使用性能。

2.2.3 路面結構組合設計方案

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境特點，并結合烏瑪高速現場裂縫的調查情況、寧夏地區常用路面結構類型、寧夏地區瀝青路面常見病害類型和大溫差環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構組合設計方案：級配碎石（柔性）基層路面、基層頂面設置應力吸收層、大碎石瀝青混合料柔性基層路面（見表1）。

表1 路面結構組合設計方案

綜上所述，根據對三種初擬路面結構的交通組成及設計指標驗算和路面結構層厚度驗算，結果證明初擬的三種路面結構均滿足《公路瀝青路面設計規范》（JTG D50—2017）[5]中相關設計指標的要求，初擬路面結構是可行的。

2.3 室內主要試驗方案

室內試驗主要包括：級配碎石（柔性）基層路面室內試驗、大碎石瀝青混合料柔性基層路面室內試驗[6]。

2.3.1 級配碎石（柔性）基層路面室內試驗

國內關于級配碎石（柔性）基層路面級配碎石的厚度已經有了推薦值，碎石層回彈模量的需求通過常規施工技術也可以實現。但采用連續型級配卻忽視了間斷級配可以提供更好的骨架。

碎石的級配直接影響結構層的性能是否優良。室內試驗設計了不同級配類型級配碎石，試驗得到級配碎石抗剪強度、回彈模量、CBR 值等，分析不同級配類型的級配碎石力學性能優勢。同時，此次室內試驗通過優化碎石級配，在保證級配碎石抗剪強度、CBR等力學性能的前提下，增加級配碎石層的模量，進而提高瀝青層疲勞開裂對應的累計當量軸次，以提升級配碎石（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試驗

大碎石瀝青混合料在受到剪切荷載時，剪切變形小，強度高。室內試驗中按照最大公稱粒徑31.5mm，采用不同空隙率的混合料級配，分析力學性能和耐久性。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 試驗段路面鋪筑方案

選取烏海至瑪沁公路青銅峽至中衛段工程A9 標段K160+700～K161+700 作為試驗段。試驗段上行K160+700～K161+200 鋪筑方案二（基層頂面設置2cm 應力吸收層），試驗段下行K160+700～K161+200鋪筑方案一（級配碎石（柔性）基層路面），試驗段下行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 原設計方案形成對比（見圖1）。

圖1 試驗段鋪筑方案圖

2.5 長期性能觀測方案

路面長期性能涉及功能性、結構承載力和耐久性等多個方面，主要體現在交通荷載、自然環境耦合作用下的路面性能變化規律，如路表磨耗、結構損傷與材料損傷等，具有復雜性與漫長性。

2.5.1 觀測目標

近期：監測不同路面結構類型在車輛荷載作用下的力學響應，驗證不同路面結構抵抗反射裂縫的應力分布狀況。

遠期：針對不同路面結構開展長期性能觀測，分析和實時掌握路面結構和材料的長期響應，預估路面結構和材料的長期性能演變機理和發展規律，以期建立沙漠公路長期性能預測模型。

2.5.2 觀測方案

利用自動彎沉車檢測不同路面結構的彎沉變化，并在試驗段埋設橫、縱向應變傳感器、溫度傳感器、土壓力計、豎向應變傳感器。重點觀測路表彎沉、瀝青層底拉應變、瀝青層底拉應力、半剛性底基層層底拉應變、半剛性底基層層底拉應力、路基頂面豎向變形、瀝青層最大剪應力、級配碎石層最大剪應力。

2.6 各方案路面結構特點、作用及注意事項

2.6.1 原設計方案屬于半剛性基層瀝青路面結構，可通過適當加厚瀝青層的辦法延緩半剛性瀝青路面早期病害問題。半剛性路面結構應該將半剛性基層、底基層設置為一層和二層，厚度取值范圍分別在18～20cm 和34～36cm 這個區間。施工時要求精確控制粉煤灰、水泥摻量和水泥穩定碎石級配，嚴格控制基層強度（模量），尤其是高溫狀態下，當基層強度（模量）有可能遠大于面層時，須提高面層材料的抗剪和抗壓強度，如改用雙層改性瀝青、優質路面集料或增加面層厚度等。

2.6.2 比選方案一：通過采用級配碎石過渡層來加強路面結構內部排水和減緩半剛性基層反射裂縫的發生，而半剛性底基層作為承載平臺，起到保護路基穩定性的作用[7]。但倒裝式結構可能使其過渡層結構整體承載力下降，同時考慮到級配碎石強度較低，因此可適當加厚頂面瀝青層的厚度，以便減小傳遞給它的應力，該方案在工程經濟上有一定優勢。

2.6.3 比選方案二：在面層和基層之間設置了應力吸收層，它的存在使得改性瀝青層有更強的吸收應力的能力，能夠吸收裂縫部位的應力集中，防止瀝青路面形成反射裂縫。該方案性價比較高，經試驗觀測后，在工程預算允許的條件下優先采用該方案。

2.6.4 比選方案三：一方面多空隙結構可有效地阻斷裂縫尖端的擴展路徑，削弱拉應力、拉應變的傳遞能力，消散、吸收交通荷載及溫度變化所產生的荷載應力和溫度應力；另一方面，大粒徑、多空隙結構具有較大的塑性變形能力，可充分吸收接縫釋放的應變能，減小接縫處應力集中現象，緩解反射裂縫向上擴展的速度。該方案造價偏高，但對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，可應用于重載和極重載交通且工程預算充足的項目上。

3 結語

綜上所述，結合寧夏沙漠地區屬于西北干旱帶，地處中溫帶干旱氣候區，降水量少蒸發強烈；冬冷夏熱，晝夜溫差較大；日照時間長，紫外線輻射的特點，在大溫差環境下研究結果表明：三種瀝青路面結構性能均符合相關規范要求，同時進一步驗證了路面結構的合理性，在保證經濟節約的前提下，為瀝青路面結構在沙漠高速公路中的應用提供了技術依據和支撐。