高寒高海拔地區路面典型結構適應性研究

毛雪松，黃 喆，朱鳳杰

(長安大學 公路學院，陜西 西安 710064)

高寒高海拔地區路面典型結構適應性研究

毛雪松，黃 喆，朱鳳杰

(長安大學 公路學院，陜西 西安 710064)

路面結構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構的關鍵因素。通過調查分析，歸納總結了西藏地區現有的路面結構類型；選取K2876～K3595段為典型路段并對路面的病害類型進行了分析；以共玉高速為項目依托，采用四種新型路面結構進行試驗路鋪筑研究，并進行了溫度場模擬。研究結果表明：柔性基層路面結構相對于半剛性基層路面結構在高寒地區具有更好的適應性，其中土工格室加固級配碎石基層路面結構表現最優。

道路工程；凍土地區；路面結構；適應性分析

青藏高寒地區其高寒高海拔的特殊環境對路面結構整體性能影響很大，瀝青路面往往在通車初期就出現大量病害[1]，嚴重影響使用性能，采用單一半剛性基層路面結構[2]不能適應其復雜特殊的環境。

目前現行的公路設計理論也并未考慮到青藏地區的特殊環境，筆者通過在共玉高速上鋪筑4種新型路面結構試驗路并對其進行調查檢測，通過彎沉測量、病害統計、鉆芯取樣等手段對各路面結構的適應性進行了對比分析，并模擬了兩種典型路面結構下的溫度場。

1 高寒地區路面結構與病害類型

1.1 高寒地區常見的路面結構

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條道路實地調查并結合已有資料分析，可知西藏地區的瀝青路面路面結構可以大致分為兩種：傳統瀝青路面結構和現有公路瀝青路面結構，仍以半剛性基層路面結構為主，如表1。

表1 西藏典型瀝青路面結構Table 1 Typical asphalt pavement structure in Tibet

1.2 G109青藏公路病害分析

青藏高原地區海拔高、輻射強、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凍融循環進一步加速了瀝青材料老化，而且人為及自然因素導致多年凍土的退化加之重載交通的反復作用，路面產生了一系列的裂縫、變形、凍脹翻漿、車轍、擁抱、泛油、坑槽等病害[3]。其中凍土區多年凍土的退化是誘發瀝青路面各類病害的主要因素，因此，根據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行統計調查，調查結果如表2，總結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：在公路沿線經過的多年凍土路段內，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、網裂、龜裂等)、波浪、沉陷、松散等，裂縫的存在會加劇路面結構破損，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，應從材料、結構及地區特殊的自然環境等方面綜合考慮，選取結構合理的多年凍土區路面結構。為研究更適應于凍土地區尤其高溫凍土區的路面結構，筆者選擇在典型地區鋪筑了4種新型路面結構[4]，并對這4種結構適應性進行對比評價。

2 新型路面結構試驗路鋪筑

2.1 試驗路概況

試驗段在共玉高速GYI-SGB3合同段內，合同段起于查龍窮村，止于清水河鎮，試驗路段樁號為K629+800～K634+200，靠近清水河鎮如圖2。合同段按“總體規劃、分期實施”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，采用高速公路標準修筑。

該地區分布著不連續的多年凍土以及季節性凍土，如表3。多年凍土發育且為高溫型凍土，平均凍土溫度為-0.5 ℃～0 ℃，天然凍土上限在2.5 m左右；本段的季節性凍土由于所處地區海拔高、年平均氣溫低，季節性凍深大，再加上地勢平坦地表積水嚴重、地下水埋深淺，因此季節性凍脹作用強烈，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 試驗路段凍土類型Table 3 Types of the frozen soil in test section

試驗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50%～60%。該地區的氣象條件如表4。綜合以上分析，選擇此處鋪筑試驗路具有典型性，因此選擇此地區鋪筑試驗路進行研究。

表4 試驗路段氣象條件Table 4 Meteorological conditions of the test section

2.2 試驗路路面結構

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的試驗段。由研究可知：對多年凍土地區，路面產生的位移主要取決于凍土融化盤的深度[5]，但基層層底拉應力的大小受路面結構形式的影響較大，而柔性基層相較于半剛性基層在相同融沉下層底拉應力更小[6]。因此，試驗路設計了4種以柔性基層為主的新型路面結構，在保證面層結構相同的情況下改變基層、墊層結構，其中這4種路面形式的厚度及結構均經過合理的設計與驗算，符合現行規范的要求具有理論可行性，如表5。

表5 試驗路路面結構類型Table 5 Pavement structure types of the test road

3 試驗路檢測及分析

為探究這4種新型路面結構在實際環境中的適應性，同時對比分析試驗段各路面結構以及相鄰生產段路面結構的性能，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為試驗段、試驗段前后各500、1 000 m共1.5 km為生產段)。采取彎沉測量、病害統計、鉆芯取樣等手段對各路面結構的性能進行對比。

3.1 病害檢測分析

通過調查統計發現，路面病害主要以變形、橫向裂縫、泛油、麻面、坑槽、機械刻痕、油污為主，其中橫向裂縫為路面主要病害，歷次調查所占病害數量比例均在60%以上。

3.1.1 裂縫統計調查

通過3次調查統計，收集各試驗路段及相鄰生產路段的橫向裂縫調查數據如圖3。

圖3 裂縫統計Fig.3 Statistics of cracks

通過對3次裂縫調查進行對比分析發現：

1) 道路通車后雖然經過數次養護，但裂縫并未消失由此可以看出裂縫并非產生于同一時間，而是隨著時間推移逐漸產生發展，雖然經過填補修復，裂縫的發展并沒有得到阻止。其中以兩側生產路段裂縫最為發育且裂縫以貫穿裂縫居多甚至出現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于半剛性基層[7]，其中土工格室加固級配碎石基層路面結構同期裂縫數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

為進一步探尋不同結構路段裂縫存在的狀態及產生的原因，筆者在調研中進行了鉆芯取樣。分別在4種不同結構試驗路段進行鉆芯取樣，每段試驗路取一個芯樣，試驗路兩側各取一個芯樣，總取6個芯樣(表6)。芯樣的取點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，裂縫已經擴展到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基層的反射裂縫。

通過以上鉆芯取樣的結果可以看出：采用柔性基層的試驗路段橫向裂縫均為top-down裂縫，而采用半剛性基層結構的生產路段橫向裂縫均為反射裂縫；從芯樣①看出：水穩半剛性基層由于環境惡劣，地區常年低溫，風速大水分蒸發快，水穩半剛性材料在養生階段強度增長緩慢，往往出現初期強度無法形成的現象。

結合多次裂縫觀測數據，可知在該多年凍土區，因半剛性基層開裂而產生的橫向裂縫是路面裂縫的主要類型，而復合式基層、柔性基層路面的橫向裂縫均為top-down裂縫。分析其原因：主要由于地區氣溫較低，瀝青面層中的平均溫度低于其斷裂溫度，產生的拉應力超過了其抗拉強度，而導致瀝青面層斷裂。

3.2 彎沉檢測及結果分析

通過采用貝克曼梁法對試驗路段進行測試，在試驗段K629+800～K634+200及試驗段前后各1 km生產路段上每100 m布置一個測點，選擇2015年3、7、9、12月份(對應多年凍土凍結、融化、飽雨、上凍狀態)這4個時間點進行檢測得到彎沉數據后經過處理得到代表彎沉Lr，如圖5。

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

通過分析彎沉檢測數據，可得出以下結論：

1) 在整個檢測周期中，采用柔性基層路面結構路段的彎沉整體大于半剛性基層瀝青路面，這是因為半剛性基層相對于柔性基層本身具就剛度大、承載力高的特點。4次檢測中，3、12月路面彎沉與7、9月相比整體較小，這是因為7、9月處于當地高溫多雨季節，路基處于解凍飽水狀態，因此路基整體承載力降低；而3、12月路基處于低溫凍結狀態，道路整體結構的承載力因此較高；

2) 3、12月份道路處于初凍、凍結狀態，各路面結構彎沉均處于較小值。通過各結構橫向對比可知：土工格室對級配碎石具有束縛力，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%水穩碎石試驗段(K630+800～K632+000)和4%水穩碎石試驗段(K629+800～K620+800)路面彎沉相差不大，由路面結構可知：4%水穩底基層厚度比2%水穩底基層大6 cm，然而實際施工時2%水穩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。生產路段由于其基層和底基層均為半剛性結構，因此其路面較其他結構承載大、彎沉小；

3) 7月份由于氣溫升高，地溫升高，凍土路基出現融化，道路處于解凍狀態，路面結構內含水率增高，路基承載力降低。分析數據看出水穩路段、生產路段和級配碎石路段的彎沉相差不大，其中水穩路段和生產路段由于路面結構排水性能差，導致結構內水分無法及時排出，使結構承載力下降，因此路面彎沉增大；而級配碎石路面結構由于其排水性能較好，因此路面彎沉變化不大。土工格室路面結構相比級配碎石段，由于格室在約束級配碎石的同時也阻礙了內部排水，導致出現積水使得結構承載力降低，彎沉最大；

4) 9月后，路基路面經過了該地區的雨季，雨水向路基路面結構的入滲進一步降低了各類路面結構的承載力。4%水穩底基層當雨水入滲時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量很少，路面結構整體性保持較好因此結構內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，結合路面病害調查綜合對比，可以看出土工格室加固級配碎石基層結構保持了柔性基層良好的變形協調性，路面裂縫數量明顯低于半剛性基層路面，且土工格室加固作用明顯，一定程度上彌補了柔性基層路面結構承載力低的缺點，表現最優。

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 模型右側邊界條件

模型中假設地基右側邊界熱交換為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，由多年觀測數據。路基填土的溫度初始值設置為13 ℃。模型各層的材料參數參照實際工程來進行確定。

圖6為兩種路面結構下路面中心位置的溫度分布。選擇7月為代表月份，發現土工格室加固級配碎石基層結構路基的0 ℃凍結線在路基頂面以下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，其結構更有利于多年凍土的穩定。

圖6 兩種結構的溫度分布Fig.6 Temperature distribution of two structures

5 結 論

綜合以上分析，筆者得出以下結論：

1) 調查青藏公路、川藏南線、川藏北線、滇藏公路和新藏公路，發現現有路面結構單一，以傳統半剛性基層路面結構為主，而多年凍土退化是誘發路面病害的主要因素；

2) 調查發現雖然4種路面結構的設計均符合規范要求，但在實際環境中卻表現各異。由此說明現行的路面設計理論并不能很好地適應于青藏高寒高海拔地區的特殊要求；

3) 柔性基層路面抵抗裂縫的能力明顯優于半剛性基層路面，其中以土工格室加固級配碎石路面最優，半剛性基層生產路段裂縫主要以基層反射裂縫為主，柔性基層試驗路段裂縫主要以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) 通過模擬發現土工格室柔性基層結構更利于多年凍土的保護。綜合調查及分析結果表明：這4種新型路面結構中土工格室加固級配碎石段表現最優對該地區具有更好的適應性。

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(責任編輯：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