季凍區(qū)重交通瀝青路面設計研究

黃波

摘 要：文章從設計的角度出發(fā)，在明確了季凍區(qū)溫度循環(huán)對瀝青混合料性能的影響的基礎上，分析了季凍區(qū)重交通瀝青路面設計流程與要點，并就具體的案例展開分析，以期為類似工程提供有價值的參考。

關鍵詞：溫度循環(huán) 瀝青混合料性能 瀝青路面設計

1.引言

我國分布有較廣的季節(jié)性凍土區(qū)，此區(qū)域瀝青公路的修建面臨著一個重要的問題——凍結、融化破壞，基于此，必須從設計階段出發(fā)，在充分考慮交通量、車輛荷載以及氣候的基礎上，合理確定瀝青路面結構，切實減少路面早期破壞，延長使用壽命。

2.季凍區(qū)溫度循環(huán)對瀝青混合料性能的影響

我國疆域遼闊，跨越35個緯度、61個經(jīng)度以及多個氣候帶。如圖1所示，我國各類型凍土（多年凍土、季節(jié)凍土、短時凍土）分布廣泛，其中季節(jié)凍土的面積占比最大，長江以北各省區(qū)都有季節(jié)凍結層分布，共計約514萬km2（不含凍土地區(qū)融區(qū)地帶的季節(jié)凍土），在我國領土中占比達到了54%。由此，必須針對季凍區(qū)溫度循環(huán)對瀝青混合料性能的影響及其瀝青路面設計問題展開探討，以切實提高我國瀝青道路質(zhì)量，為人民出行提供可靠的交通網(wǎng)絡。

根據(jù)季節(jié)性凍土地區(qū)的氣候條件分析顯示，其往往季節(jié)、晝夜的溫差均較大，由此導致瀝青公路面臨著頻繁的凍融，從而對瀝青混合料性能產(chǎn)生了較大的影響，具體可歸納為以下幾點：

（1）抗壓強度下降：瀝青混合料內(nèi)部空隙在凍結水的作用下，逐漸增大，同時空隙相互貫通的情況增加，整體抗壓強度下降；

（2）抗壓回彈模量下降：溫度升高后，瀝青混合料內(nèi)部凍結水開始融化、擴散，由此空隙會有所恢復，但并無法回到原有的狀態(tài)，當溫度多次循環(huán)后，瀝青混合料的損傷會呈現(xiàn)一個不斷積累的狀態(tài)，由此抗壓回彈模量持續(xù)下降；

（3）劈裂強度下降：在不斷凍融中，水會逐漸滲透接觸到集料，使集料與瀝青粘結力下降，由此在溫度多次循環(huán)后，混合料劈裂強度會顯著下降。

3.季凍區(qū)重交通瀝青路面設計要點

基于季凍區(qū)溫度循環(huán)對瀝青混合料性能的影響，當瀝青路面性能逐漸下降，無法滿足重載交通要求，瀝青路面破損情況將會較為嚴重，主要破壞形式包括車轍、推移、松散、坑洞、裂縫、路基永久變形、卿漿等?；诖耍仨氈匾暭緝鰠^(qū)重交通瀝青路面設計工作，切實延長瀝青路面使用壽命。

通過對季凍區(qū)重交通瀝青路面設計分析可知，其影響因素眾多，主要可以歸納為以下幾點：① 氣候環(huán)境因素；② 施工道路的土基情況；③ 施工道路的交通情況，如車輛荷載、交通流量等；④ 結構層材料因素。上述因素均會直接或間接影響季凍區(qū)重交通瀝青路面結構的設計，對此文章提出設計流程如下：交通荷載參數(shù)、季凍區(qū)環(huán)境參數(shù)、土基狀況分析、材料狀況分析、防凍厚度分析→結構層厚度設計和材料性能試驗→該地區(qū)路面結構損壞模型分析→疲勞破壞、結構永久變形破壞、低溫縮裂破壞→破壞標準→結構層厚度組合和材料組成設計。

根據(jù)季凍區(qū)重交通瀝青路面設計流程與相關工程實踐，現(xiàn)將其設計要點歸納如下：

（1）對道路的交通量情況進行調(diào)查分析，并以此為數(shù)據(jù)支撐，合理選擇設計軸載，考慮到我國實際交通運行情況，需將重載、超載等情況納入考慮，切實保證路面設計方案滿足實際運行需求。

（2）對道路所在地區(qū)的氣候情況進行調(diào)查，可利用氣象資料為瀝青路面結構設計提供數(shù)據(jù)支持，主要需考慮的因素為溫度、濕度，通過選取合理的溫度、濕度修正系數(shù)，優(yōu)化季凍區(qū)瀝青路面設計方案，保證其使用性能與壽命。

（3）對道路沿線土基情況進行勘測，科學制定土基處理方案、確定土基模量。

（4）對道路瀝青路面以及基層的材料開展試驗檢測工作，全面掌握材料性質(zhì)，如：模量、疲勞壽命等。

（5）在一定的安全系數(shù)下，綜合交通量、氣候調(diào)價、土基情況、材料性質(zhì)，合理制定路面結構組合方案，并確定各層的厚度。

（6）根據(jù)路面結構設計方案展開試驗路段施工，并開展試驗檢測工作，進行疲勞、永久變形、抗剪強度、低溫縮裂評價。

（7）將評價結果與路面結構的損壞標準對比，驗算抗凍層厚度，判斷路面結構設計方案是否滿足要求，否則需對方案進行修改、優(yōu)化。

（8）對道路的多種瀝青路面設計方案開展技術經(jīng)濟性對比分析，選取最優(yōu)方案。

4.實例探析

4.1工程概況

文章以某季凍區(qū)重交通公路瀝青路面設計為例展開具體分析，此路段全長為1.5km，寬度為40.5m，交通組成以貨車和重載車為主，就交通量而言應為重交通地區(qū)，對此，必須結合當?shù)貧夂颉⒔煌顩r，通過深入分析研究，確定高質(zhì)量、長壽命的瀝青路面結構。

4.2瀝青路面結構設計方案

綜合此季凍區(qū)公路路面的環(huán)境、氣候、交通量，本項目提出了3種路面結構方案，見表1。

在表1的3種方案中：

（1）方案1的主要特點是增厚了半剛性粒料層、增加了防凍墊，由此應對季凍區(qū)的凍融問題，與其他兩個方案相比，瀝青層較薄，造價也較低。

（2）方案2的主要特點是增加了防反射裂縫層，由此可有效防止裂縫、凍脹病害的出現(xiàn)，同時此方案采用的Sup-25 混合料，在抗疲勞、耐久性方面表現(xiàn)更佳，面層較厚，有利于緩解瀝青結構層的損傷。

（3）方案3的主要特點是上面層采用的BLSMA-16，其是按照貝雷法設計所得，在季凍區(qū)大縱坡路段十分適用，在抗滑耐磨、抗剪切、耐高溫方面表現(xiàn)更佳，上基層采用的柔性基層，也有利于減少反射裂縫。

4.3現(xiàn)場試驗情況

以方案1、2、3開展試驗路段鋪筑，分別可得試驗路段Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ，對試驗路段展開測試，主要控制指標如下：

（1）應變響應：選取不同車輛重量（25.3t，35.0t，42.6t）、不同車速（10km/h、35km/h、55km/h）進行重復測試，應變傳感器均在車輛輪跡處。根據(jù)試驗結果顯示，試驗路段Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ瀝青層底應變響應結果均滿足設計要求。

（2）土基頂面壓應變：頂面埋入壓力傳感器，測量路面頂部壓應變的情況，根據(jù)結果顯示，軸重較?。?5.3t、35t），3條試驗路段拉應變均為>200με，雙軸軸重增至42.6t，拉應變>200με的值占比增多，其中試驗路段Ⅱ、Ⅲ拉應變占比<20%， 試驗路段Ⅰ占比達到了30%～50%。由此可見，其他因素相同情況下，載重較小路段，從節(jié)約成本角度來看，方案1更優(yōu)；對于載重較大路段，方案2、3更能滿足要求。

（3）路表彎沉值：采用貝克曼梁法測定，根據(jù)結果顯示，下面層方面：試驗路段Ⅱ、Ⅲ采用Sup-25，彎沉值明顯較?。簧匣鶎臃矫妫囼灺范微蟛捎肁TB-30，彎沉值較小?？傮w來看，方案3表現(xiàn)更優(yōu)。

5.結束語

綜上所述，季凍區(qū)瀝青公路由于受到溫度循環(huán)的影響，路面性能不斷降低，難以承受較大的車輛荷載或是交通量，極易引發(fā)傾泥、翻漿、坑槽、剝落等病害，甚至不少季凍區(qū)的瀝青路面在建成通車短期就出現(xiàn)嚴重破壞，由此必須在設計階段就要針對公路的氣候特性、交通參數(shù)等展開針對性的結構設計，保證公路運行質(zhì)量滿足要求，促進我國交通網(wǎng)絡的穩(wěn)定發(fā)展。

參考文獻：

[1]羅峰.季凍區(qū)公路長壽命瀝青路面合理結構研究[D].重慶：重慶交通大學，2015.

[2]李耀龍.季凍區(qū)重交通瀝青路面設計研究[D].西安：長安大學，2009.

[3]朱東鵬，汪雙杰，司偉，等.青藏高原多年凍土區(qū)高等級公路路面結構溫度場研究[J].公路交通科技，2013（08）：29-36.

[4]徐慧寧，張銳，譚憶秋，等.季節(jié)性冰凍地區(qū)冬季路面溫度分布規(guī)律[J].中國公路學報，2013，26（02）：7-14.

[5]郭學東，常孟元，孫明志，等.季節(jié)性凍土地區(qū)瀝青路面溫度場的預估模型[J].科學技術與工程，2017（10）：294-298.