高速公路半剛性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計分析

劉家祥

（江西省贛南公路勘察設(shè)計院有限公司，江西贛州 341000）

0 引言

在半剛性基層結(jié)構(gòu)投入使用后，發(fā)生破壞的形式比較多，比如反射裂縫、低溫縮裂、唧漿等，這些早期病害形式并不是單一出現(xiàn)的，因此加強(qiáng)結(jié)構(gòu)設(shè)計非常重要。在半剛性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計中，需要充分考慮路面的承載能力、變形特性、抗裂性能以及排水功能等因素，合理選擇瀝青混合料的配合比例和級配，以滿足設(shè)計要求和工程環(huán)境的實(shí)際情況。

1 高速公路半剛性基層瀝青路面設(shè)計要求

公路半剛性基層瀝青路面的設(shè)計要求是確保路面具備穩(wěn)定、耐久、安全和舒適的特性，以應(yīng)對不同交通荷載和氣候條件的挑戰(zhàn)，以下是公路半剛性基層瀝青路面設(shè)計的關(guān)鍵要求。

1.1 承載能力

設(shè)計要求基于預(yù)計的交通量和車輛類型，確保路面結(jié)構(gòu)能夠承受荷載并保持穩(wěn)定。通過合理的層厚設(shè)計和材料選擇，保證路面的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度，以滿足設(shè)計壽命內(nèi)的荷載要求。

1.2 平順性和舒適性

設(shè)計應(yīng)追求平穩(wěn)、舒適的行車條件，減少車輛行駛時的顛簸和振動。通過合理的層厚分配和結(jié)構(gòu)設(shè)計，降低路表面的不平整度，提供更好的行車舒適性。

1.3 耐久性和抗老化

設(shè)計要求考慮路面結(jié)構(gòu)的長期使用壽命和抗老化能力。選擇耐久性好的瀝青混合料和基層材料，結(jié)合適當(dāng)?shù)氖┕すに嚕匝娱L路面的使用壽命，并減少維護(hù)和修復(fù)的頻率。

1.4 排水性能

設(shè)計要求合理的路面排水系統(tǒng)，確保雨水能夠及時、有效地排除，避免水損害對路面結(jié)構(gòu)的影響。通過設(shè)置適當(dāng)?shù)目v、橫向坡度和排水設(shè)施，保證路面在降雨情況下的正常排水。

1.5 施工可行性和經(jīng)濟(jì)性

設(shè)計要求考慮施工的可行性和經(jīng)濟(jì)性，選擇合適的施工工藝和材料，使設(shè)計方案能夠在實(shí)際工程中得以實(shí)施。同時，需要綜合考慮設(shè)計方案的成本效益，以確保在給定的預(yù)算范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)設(shè)計目標(biāo)。

1.6 環(huán)境友好性

設(shè)計要求考慮環(huán)境保護(hù)和可持續(xù)發(fā)展的要求。選擇低噪聲、低污染的材料和工藝，減少對環(huán)境的不良影響。同時，鼓勵采用再生材料和可回收材料，促進(jìn)資源的合理利用和循環(huán)利用[1]。

2 半剛性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)的實(shí)際情況分析

2.1 結(jié)構(gòu)投入使用后的破壞形式

就目前來看，半剛性基層結(jié)構(gòu)投入使用后，破壞形式比較多，主要包含以下兩種：

2.1.1 車轍

半剛性瀝青路面結(jié)構(gòu)投入使用后，級配碎石屬于松散性材料，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)容易受到變形而產(chǎn)生拉應(yīng)力。但是，由于碎石基層的適應(yīng)性，使得各個結(jié)構(gòu)層的變形能夠傳遞到上層結(jié)構(gòu)。此外，在半剛性底基層結(jié)構(gòu)上部鋪設(shè)級配碎石層，由于底基層結(jié)構(gòu)強(qiáng)度相對較高，表面的彎沉較小，有效地控制了級配碎石的適應(yīng)變形能力。隨著長期使用和車輛荷載的作用，結(jié)構(gòu)可能發(fā)生嚴(yán)重的變形問題，最終在路面上形成車轍病害。

2.1.2 疲勞開裂

導(dǎo)致半剛性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)疲勞開裂的主要原因是：

一是車輛荷載。車輛荷載是導(dǎo)致半剛性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)疲勞開裂的主要原因之一。長期受到車輛重載、頻繁交通或超載交通的影響，路面結(jié)構(gòu)會承受巨大的荷載壓力，導(dǎo)致路面材料的抗疲勞性能逐漸下降，最終引發(fā)疲勞開裂。

二是溫度變化。溫度變化也是導(dǎo)致半剛性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)疲勞開裂的重要因素，路面受到晝夜溫差、季節(jié)變化以及氣候變化的影響，會發(fā)生溫度周期性變化，這種溫度變化會導(dǎo)致路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部的熱脹冷縮應(yīng)力，從而引發(fā)路面材料的疲勞損傷和開裂。

三是材料性能。半剛性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)材料的性能也會影響其疲勞開裂的發(fā)生。如果路面材料的彈性模量、抗剪強(qiáng)度、耐久性等性能指標(biāo)不符合要求，就容易出現(xiàn)疲勞開裂的問題。例如，瀝青混合料的黏度過高或過低，會使路面材料在荷載作用下發(fā)生塑性變形，導(dǎo)致疲勞開裂。

四是施工質(zhì)量。半剛性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)的施工質(zhì)量也是引發(fā)疲勞開裂的重要原因之一。如果施工過程中存在不當(dāng)?shù)膲簩?shí)操作、不合理的施工工藝或材料不均勻等問題，會導(dǎo)致路面結(jié)構(gòu)的不均勻變形和應(yīng)力集中，增加了疲勞開裂的風(fēng)險。

五是水分影響。水分的存在對半剛性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)的疲勞開裂也具有一定影響。如果路面結(jié)構(gòu)存在滲水或排水不暢的問題，會使路面材料受到水分侵入，降低材料的黏結(jié)性和穩(wěn)定性[2]。

2.2 各層應(yīng)力狀態(tài)分析

目前我國在高速公路項目施工過程中，瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計環(huán)節(jié)，其面層厚度通常控制在15～20cm 之間，基層則是在30～40cm 之間。而級配碎石層厚度在8～15cm 之間，設(shè)計人員采用有限元分析的方式，掌握各個基層結(jié)構(gòu)的厚度參數(shù)，具體可見表1。

表1 基層結(jié)構(gòu)的厚度參數(shù)

2.2.1 彎沉

因為級配碎石材料具備較高回彈變形量，因此，在設(shè)計中需要按表2 的要求進(jìn)行取值，彎沉值（0.01mm）見表2。

表2 彎沉值（0.01mm）

2.2.2 瀝青

在面層應(yīng)力計算中，確定瀝青面層厚度分別是0cm、4cm、7cm 與10cm 處的應(yīng)力，可見表3。

表3 應(yīng)力分析 單位：MPa

夾層結(jié)構(gòu)設(shè)置完成后，瀝青混凝土結(jié)構(gòu)的面層應(yīng)力值變化不大，就算隨著面層施工厚度的增大，也不會造成影響。在面層底部設(shè)置夾層之后，彎拉應(yīng)力是不設(shè)置該結(jié)構(gòu)的兩倍左右，此時結(jié)構(gòu)模量的壓力為450MPa，通過分析可以了解到，由于面層模量以及級配碎石之間的相對比存在的差異性比較大，那么表面的承受荷載能力也會通過高度變化來承擔(dān)。這就是混凝土結(jié)構(gòu)面層表面的彎拉硬度升高的原因。

2.3 半剛性基層底彎拉應(yīng)力

從半剛性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)分析，由于基層剛度性能比較高，因此需要重視半剛性基層底彎拉應(yīng)力分析。在對半剛性基層低溫拉應(yīng)力檢測后，發(fā)現(xiàn)相關(guān)的檢測參數(shù)滿足實(shí)際需求，具體的檢測結(jié)果見表4。

表4 基層底面彎拉應(yīng)力 單位：MPa

通過分析表4 的數(shù)據(jù)可以了解到，通過級配碎石結(jié)構(gòu)層設(shè)置以后，半剛性的應(yīng)力結(jié)構(gòu)性能得到提升。

2.4 土基頂面壓應(yīng)變

通過數(shù)據(jù)分析可以了解到，級配碎石存在設(shè)置完畢之后的承受能力的擴(kuò)散荷載應(yīng)力會增加，那么分布到土地結(jié)構(gòu)的荷載參數(shù)就會變小，在一定程度上就會提高應(yīng)力的控制效果，減少結(jié)構(gòu)承載能力的加劇[3-4]。因此可以判斷出，在設(shè)置碎石基層結(jié)構(gòu)之后，由于該結(jié)構(gòu)層具備一定的剛度性能，所以能夠?qū)⑸喜渴艿降暮奢d拉力直接進(jìn)行擴(kuò)散，這種情況下，使得表面結(jié)構(gòu)不會受到過大影響，土基頂面受到應(yīng)力也會發(fā)生改變，詳見表5。結(jié)構(gòu)層性能得到進(jìn)一步提升，結(jié)構(gòu)使用的效果也會不斷提高，延長使用壽命，高速公路可以更好地滿足當(dāng)前交通通行的需要。

表5 壓實(shí)度應(yīng)變（10-4） 單位：MPa

3 半剛性基層瀝青面層的設(shè)計方案

在高速公路進(jìn)行方案設(shè)計環(huán)節(jié)，要充分考慮到各個結(jié)構(gòu)的性能，從而才能保證結(jié)構(gòu)使用效果合格，不會發(fā)生嚴(yán)重的損壞問題。設(shè)計人員根據(jù)方案運(yùn)行的要求，進(jìn)行各項參數(shù)的設(shè)計，詳細(xì)計算各項數(shù)據(jù)，并且進(jìn)行現(xiàn)場的測試分析。選擇應(yīng)用半剛性基層瀝青面層結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，在進(jìn)行技術(shù)參數(shù)指標(biāo)計算環(huán)節(jié)，主要是從下述幾個方面進(jìn)行：

3.1 路表彎沉

從當(dāng)前我國的瀝青路面結(jié)構(gòu)的設(shè)計來說，彎沉計算非常重要，確保該指標(biāo)達(dá)到工程要求，才能提升結(jié)構(gòu)的運(yùn)行性能。在彎沉指標(biāo)計算環(huán)節(jié)，其可以反映出各個結(jié)構(gòu)層的強(qiáng)度性能，同時也能夠了解整個路面結(jié)構(gòu)的總體性能，分析確定是否能夠滿足高速公路正常使用的狀態(tài)標(biāo)準(zhǔn)。加強(qiáng)彎沉值參數(shù)的控制，有效預(yù)防投入使用之后路面出現(xiàn)沉陷、彈簧、網(wǎng)裂等病害，促進(jìn)結(jié)構(gòu)運(yùn)行效果的提升。目前我國在設(shè)計環(huán)節(jié)，通常不會使用國外的土基壓應(yīng)變指標(biāo)，因為該參數(shù)檢測的環(huán)節(jié)難度相對較高，所以根據(jù)我國實(shí)際情況，選擇合適的計算方法，確定相關(guān)參數(shù)信息，才能更好地滿足當(dāng)前高速公路設(shè)計的需要。分析車輛荷載與路面結(jié)構(gòu)損害之間的關(guān)系，將彎沉值作為重要的設(shè)計指標(biāo)，雖然可以提升設(shè)計水平，但是從結(jié)構(gòu)的整體需求分析可了解到，由于此類設(shè)計方案合理性不足，未全面反映出剛度指標(biāo)，而主要因素來自基層剛度不達(dá)標(biāo)。此類問題的存在，就會導(dǎo)致路面結(jié)構(gòu)容易出現(xiàn)問題。所以在設(shè)計過程中，應(yīng)做好各個方面的分析，才能消除不利影響[5-6]。

3.2 面層底部彎拉應(yīng)力/應(yīng)變

由于級配碎石結(jié)構(gòu)的模量不大，在設(shè)計過程中，將其看作和面層之間是光滑的形式存在，這樣就使得整個結(jié)構(gòu)的彎拉應(yīng)力相對比較大。從表1 的結(jié)構(gòu)形式分析發(fā)現(xiàn)，如果按照二級標(biāo)準(zhǔn)的方法進(jìn)行設(shè)計，累計標(biāo)準(zhǔn)的單量軸就會達(dá)到150 萬次。在面層結(jié)構(gòu)彎拉應(yīng)力計算環(huán)節(jié)，如果使用的是中粒式瀝青混凝土材料，得出的數(shù)據(jù)信息反映出整個結(jié)構(gòu)的彎沉值，達(dá)到設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，而此時的彎拉應(yīng)力則不能達(dá)到規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)。如果按照該數(shù)據(jù)進(jìn)行計算，得出的面層底部彎拉應(yīng)力反算設(shè)計年限，得出的標(biāo)準(zhǔn)軸次比較小，反算值并不能達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)軸載150 萬次的要求，所以較之彎沉數(shù)據(jù)來說，面層結(jié)構(gòu)的彎拉應(yīng)力可以避免結(jié)構(gòu)損壞。

3.3 土基頂面壓應(yīng)變

加強(qiáng)路表彎沉值的計算分析，主要作用是確保路面結(jié)構(gòu)的整體剛度性能合格，從而滿足土地結(jié)構(gòu)的控制要求，所以在設(shè)計環(huán)節(jié)，對于路表彎沉、整體結(jié)構(gòu)剛度性的變化參數(shù)計算要特別重視，同時，還要按照現(xiàn)行的計算規(guī)范對土基底面的應(yīng)力進(jìn)行計算，以此來提升設(shè)計強(qiáng)度，以更好地滿足當(dāng)前高速公路路面結(jié)構(gòu)的設(shè)計需要，提升使用效果。設(shè)計人員根據(jù)實(shí)際情況選擇最佳的土基頂面壓應(yīng)變計算參數(shù)，獲得準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)信息，進(jìn)而可以有效地預(yù)防發(fā)生結(jié)構(gòu)設(shè)計不當(dāng)?shù)那闆r。

4 結(jié)語

高速公路是重要的交通基礎(chǔ)設(shè)施，關(guān)系到當(dāng)前的社會發(fā)展以及人們出行質(zhì)量，所以需要加強(qiáng)高速公路的設(shè)計和分析，才能更好地提升高速公路總體運(yùn)行水平，滿足當(dāng)前交通通行需要。就目前來說，高速公路在設(shè)計過程中，通常會在面層和基層之間設(shè)置一層半剛性基層，加強(qiáng)該結(jié)構(gòu)的設(shè)計，確保半剛性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)的性能合格，達(dá)到交通正常使用需要。設(shè)計人員根據(jù)交通使用的標(biāo)準(zhǔn)，考慮到當(dāng)前設(shè)計要求，做好各項技術(shù)參數(shù)的計算分析，掌握半剛性基層瀝青面層結(jié)構(gòu)的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)和要求，提高設(shè)計水平，確保高速公路各個結(jié)構(gòu)層的性能合格，不會影響整體的運(yùn)行效果，提高高速公路運(yùn)行的質(zhì)量，延長使用壽命。