魏鵬
(天津城建設(shè)計(jì)院有限公司,天津市 300000)
近年來,隨著公路上的汽車荷載和交通量的增加,許多公路常常達(dá)不到甚至遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)壽命時(shí)就出現(xiàn)了損壞,需進(jìn)行較大規(guī)模的維修養(yǎng)護(hù)甚至重建。目前,我國的高速公路設(shè)計(jì)年限通常為20~30 a,而實(shí)際的使用壽命卻只有8~10 a。有的高速公路甚至只營運(yùn)了2~3 a就開始出現(xiàn)很嚴(yán)重的病害。對于城市間的重要道路、高速公路來說,公路的維修必然會對廣大民眾的出行造成不便,使人們的駕車時(shí)間延長,燃油消耗量增加,造成大量的用戶費(fèi)用、維修費(fèi)用的浪費(fèi)等問題,同時(shí)也給社會帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失,從壽命周期費(fèi)用分析的角度來看,毋庸置疑這是不經(jīng)濟(jì)的。如何延長公路的使用年限,這已成為我國乃至全世界公路建設(shè)者目前最為關(guān)心的問題之一[1-5]。
(1)疲勞極限
傳統(tǒng)瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法與長壽命瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法區(qū)別很大,傳統(tǒng)瀝青路面設(shè)計(jì)荷載的輸入?yún)?shù)是累計(jì)交通量,而長壽命瀝青路面的參數(shù)是設(shè)計(jì)交通軸載,其理論基礎(chǔ)是瀝青混合料疲勞極限理論,所謂疲勞極限就是指瀝青混合料存在一個(gè)彎拉應(yīng)變臨界點(diǎn),當(dāng)路面結(jié)構(gòu)的彎拉應(yīng)變低于這個(gè)值時(shí),瀝青混合料層底就不會出現(xiàn)疲勞損傷,這個(gè)拉應(yīng)變臨界點(diǎn)對應(yīng)的就是疲勞極限。Long和Monismith建議控制瀝青混凝土層底的彎拉應(yīng)變不大于60 με。1許多科研人員認(rèn)為改性瀝青混合料的疲勞極限可以提高到100 με。日本研究人員西澤認(rèn)為瀝青混合料的疲勞極限應(yīng)小于200 με。
(2)基頂壓應(yīng)變
國外大量的高速公路車轍狀況調(diào)查顯示,當(dāng)瀝青結(jié)構(gòu)層厚小于18 cm時(shí),車轍率較大;當(dāng)瀝青層厚大于18 cm時(shí),車轍率將迅速降低。對于瀝青層較厚的道路,車轍集中發(fā)生在瀝青層表面,屬于表面車轍。這是表面功能層損壞,通過進(jìn)一步罩面設(shè)計(jì)就能夠保證結(jié)構(gòu)良好。
但是,對于因結(jié)構(gòu)層的永久變形而導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)性車轍破壞,為了控制結(jié)構(gòu)性車轍的車轍深度可通過控制路基土的永久變形來實(shí)現(xiàn)。在結(jié)構(gòu)層設(shè)計(jì)上,道路研究人員建議把基頂壓應(yīng)變作為控制路面總變形量的設(shè)計(jì)指標(biāo)。美國的長壽命路面建議路基土垂直壓應(yīng)變應(yīng)小于200 με,若容許壓應(yīng)變大于結(jié)構(gòu)層基頂壓應(yīng)變,則認(rèn)為路面結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)年限內(nèi)不會出現(xiàn)結(jié)構(gòu)性車轍破壞,能夠達(dá)到長壽命要求。
各個(gè)國家對于長壽命瀝青路面的壽命期望從30~50 a不等。英國公路署、瀝青協(xié)會和建設(shè)材料協(xié)會期望長壽命瀝青路面的使用壽命能夠達(dá)50 a以上;美國瀝青路面協(xié)會對于長壽命路面的定義為必須達(dá)35 a以上的設(shè)計(jì)壽命。美國各州對于長壽命路面的定義有所不同,各州期望的長壽命路面的設(shè)計(jì)壽命在30~50 a之間;日本則定義長壽命路面的使用壽命在40~60 a之間。我國學(xué)者根據(jù)我國實(shí)際情況認(rèn)為,長壽命瀝青路面的使用年限應(yīng)大于30 a。
假設(shè)把40 a作為長壽命路面的使用年限,針對這一目標(biāo),可以以主要承重層與表面功能層的設(shè)計(jì)壽命作為長壽命路面設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的主要控制指標(biāo)。然后針對長壽命瀝青路面各結(jié)構(gòu)層的具體型式,選用相應(yīng)的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)來進(jìn)行驗(yàn)算、控制其設(shè)計(jì)壽命。結(jié)合國外設(shè)計(jì)相關(guān)規(guī)定,可以定義長壽命路面的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)如下:
(1)表面功能層設(shè)計(jì)壽命應(yīng)在8 a以上;
(2)主要承重層設(shè)計(jì)壽命應(yīng)該達(dá)40 a左右。
2.1.1 適應(yīng)行車荷載的要求
作用在路面上的行車荷載一般包括水平力和垂直力,沿路表深度方向產(chǎn)生的剪應(yīng)力及壓應(yīng)力逐漸衰減。所以,首先要求路面面層具有足夠的抗變形能力和強(qiáng)度,其它各結(jié)構(gòu)層應(yīng)按照剛度和強(qiáng)度自上而下遞減的規(guī)律進(jìn)行組合,以使結(jié)構(gòu)層充分發(fā)揮其效能。
根據(jù)這種原則,路面結(jié)構(gòu)的層數(shù)越多,剛度和強(qiáng)度沿深度遞減的規(guī)律越能體現(xiàn)出來。但就路面施工工藝及整體受力而言,層數(shù)又不宜過多,即結(jié)構(gòu)層的厚度不能過小。適宜結(jié)構(gòu)層厚度需要綜合考慮施工工藝、強(qiáng)度要求、工程造價(jià)以及材料供應(yīng)等,應(yīng)從上到下由薄到厚。
瀝青路面厚度與瀝青品種和質(zhì)量、交通量以及公路等級有關(guān),須對這些因素進(jìn)行綜合考慮,瀝青層厚度的確定須滿足行車荷載的要求。選擇基層、底基層的厚度時(shí)應(yīng)考慮材料力學(xué)性能、交通特性和擴(kuò)散應(yīng)力的效果,并使壓實(shí)機(jī)具的功能充分發(fā)揮出來且有利于施工。
路面結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布在很大程度上受到瀝青路面相鄰結(jié)構(gòu)層材料的模量比的影響,是選定適宜結(jié)構(gòu)層材料、合理確定結(jié)構(gòu)層層數(shù)的重要考慮因素。根據(jù)《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D50—2006)瀝青路面結(jié)構(gòu)組合設(shè)計(jì),瀝青面層與基層之間的模量比不宜小于3;底基層與基層之間的模量比不宜小于2.5;土基與底基層之間模量比不宜小于10。
2.1.2 具有良好的穩(wěn)定性
在各種因素的作用下,路面結(jié)構(gòu)須具備良好的穩(wěn)定性。在進(jìn)行路面結(jié)構(gòu)層組合設(shè)計(jì)時(shí)須保證瀝青路面的水穩(wěn)定性。當(dāng)瀝青路面修筑在中濕和潮濕路段上時(shí),由于瀝青層透氣性能不好,使基層和路基中水份蒸發(fā)的通道被割斷,導(dǎo)致向基層聚積。如果基層材料中含土量較多,特別是土的塑性指數(shù)較大時(shí),遇水則變軟,剛度和強(qiáng)度急劇下降,導(dǎo)致路面開裂破壞。所以瀝青路面的基層通常采用水穩(wěn)定較好的材料,特別是在中濕路段以及潮濕路段尤應(yīng)如此。
在季節(jié)性凍土地區(qū),當(dāng)路基土為易凍脹土,凍深較大時(shí),經(jīng)常產(chǎn)生翻漿和凍脹。在這種路面結(jié)構(gòu)中應(yīng)當(dāng)設(shè)置防止翻漿和凍脹的墊層。確定路面總厚度時(shí),應(yīng)同時(shí)滿足強(qiáng)度和防凍厚度的要求,以免較厚的聚冰帶出現(xiàn)在路基內(nèi),防止導(dǎo)致路面開裂的不均勻凍脹的產(chǎn)生。防凍厚度與路基土質(zhì)、路基潮濕類型、路面結(jié)構(gòu)層材料熱物理性質(zhì)以及道路凍深有關(guān)。
在氣候干燥和冰凍地區(qū)地區(qū),無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定粒料類基層經(jīng)常產(chǎn)生收縮裂縫。如果在其上直接鋪筑瀝青層,會導(dǎo)致面層產(chǎn)生反射裂縫,為了解決這一問題可在其間加設(shè)者優(yōu)質(zhì)瀝青材料層或一層粒料,也可以適當(dāng)增加面層的厚度。
除了滿足普通瀝青路面的結(jié)構(gòu)組合原則外,長壽命瀝青路面的結(jié)構(gòu)組合還需要考慮以下三個(gè)原則:
(1)滿足長壽命路面設(shè)計(jì)指標(biāo)及標(biāo)準(zhǔn)
借鑒國外長壽命瀝青路面設(shè)計(jì)指標(biāo),瀝青層底的彎拉應(yīng)變應(yīng)小于70με,而基頂?shù)膲簯?yīng)變應(yīng)小于200με。為了滿足長壽命瀝青路面設(shè)計(jì)指標(biāo),瀝青層的厚度與結(jié)構(gòu)層的總體厚度都有一定要求。
(2)結(jié)構(gòu)組合與路面結(jié)構(gòu)類型相匹配
根據(jù)基層的不同,長壽命路面分為半剛性基層長壽命路面與柔性基層長壽命路面。結(jié)構(gòu)類型不同,受力模式及特點(diǎn)不同,結(jié)構(gòu)層的組合要求也不同。對于半剛性基層長壽命瀝青路面而言,由于半剛性基層強(qiáng)度高,模量遠(yuǎn)大于瀝青層,各結(jié)構(gòu)層的應(yīng)力應(yīng)變一般均可滿足長壽命路面的設(shè)計(jì)要求,因此控制半剛性基層的開裂成為關(guān)鍵問題。從結(jié)構(gòu)組合方面考慮,不僅需要設(shè)置抗疲勞層以提高瀝青路面的抗疲勞性能,而且需要設(shè)置高模量的瀝青層來提高抗剪切變形的能力和減小基頂壓應(yīng)變。另外,需要提高土基的承載能力來減少對瀝青層的要求。
(3)層間結(jié)合盡可能連續(xù)
為了提高瀝青路面整體承載力,必須加強(qiáng)長壽命瀝青路面層間結(jié)合,避免在荷載及高溫作用下產(chǎn)生層間滑移,這是長壽命路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容。從結(jié)構(gòu)組合來看,基層上應(yīng)設(shè)置透層瀝青,在半剛性基層上應(yīng)設(shè)下封層,瀝青層之間應(yīng)設(shè)置粘層。
隨著交通量和軸載的增加,瀝青路面的諸多設(shè)計(jì)方法的局限性也愈加顯化,針對于解決此類問題誕生了基于力學(xué)的長壽命路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法,運(yùn)用力學(xué)方法來分析路面結(jié)構(gòu)對氣候和荷載的響應(yīng)。實(shí)質(zhì)上,此類設(shè)計(jì)方法與我國采用的傳統(tǒng)力學(xué)經(jīng)驗(yàn)法并無明顯區(qū)別,仍然采用雙圓荷載作用下的層狀彈性理論體系。Monismith和Long1992年在TRB會議上提出了運(yùn)用力學(xué)方法來分析路面結(jié)構(gòu)對氣候和荷載的響應(yīng)。
基于經(jīng)濟(jì)性考慮,路面設(shè)計(jì)壽命一般超過30a。各國長壽命瀝青路面設(shè)計(jì)年限見表1。從表1中可見不同國家和地區(qū)長壽命路面設(shè)計(jì)年限選取標(biāo)準(zhǔn)從20~50 a不等,經(jīng)專家論證北京市長壽命路面設(shè)計(jì)年限選擇二者的中值35 a,作為長壽命路面設(shè)計(jì)使用年限。
表1 各國長壽命瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)年限a
綜合考慮技術(shù)與經(jīng)濟(jì)性,結(jié)合北京實(shí)際情況,國道G108長壽命路面采用如下設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。
設(shè)計(jì)年限:基層35 a,面層12 a。
瀝青層極限應(yīng)變標(biāo)準(zhǔn):一般瀝青層小于60με,改性抗疲勞層瀝青混合料小于120με。
對于半剛性基層,應(yīng)力強(qiáng)度比應(yīng)小于0.35。土基頂面壓應(yīng)變:小于200με。
試驗(yàn)段位于起點(diǎn)(南村立交)——奇蘿沱立交,各年交通量預(yù)測結(jié)果見表2。
車型調(diào)查結(jié)果顯示,客車約67%,貨車約33%。貨車中,大貨比例約占37.5%,居各貨車車型之首;拖掛比例也相對較高,約占25.5%;小貨、中貨、大貨、拖掛比例分別為17.5%,18.5%,37.5%,25.5%,重車(大貨和拖掛車)約占總交通量的21%。這表明區(qū)域大型車比例相當(dāng)高,長途過境車輛較多,貨運(yùn)相對較發(fā)達(dá)。
表2 各年交通量預(yù)測結(jié)果 veh/d
國道108與京港澳(京石)高速作為北京市西南部通道,其車輛軸載譜的分布具有一定的可借鑒性。根據(jù)北京市首都公路發(fā)展有限公司2010年11月份京港澳(京石)高速大型車軸載調(diào)查成果,車輛的最大軸重達(dá)到了322 kN,見表3。若以此作為半剛性路面的設(shè)計(jì)荷載,顯然過于保守。
表3 京港澳高速公路最大軸重調(diào)查表
由圖1可以看出約95%軸重在150 kN以下,同時(shí)考慮到本工程起點(diǎn)將來會設(shè)置檢查站,因此,本次取150 kN軸載作為路面結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)軸載。
圖1 京港澳高速公路貨車軸載超載率分布
采用我國現(xiàn)行瀝青路面設(shè)計(jì)程序和Shell的瀝青路面計(jì)算程序Bisa3.0分別進(jìn)行了計(jì)算,計(jì)算一致,結(jié)果見表4。
表4 組合路而結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果
長壽命瀝青路面是我國高速公路發(fā)展的趨勢,在路面設(shè)計(jì)中,應(yīng)該從路基、基層、面層等方面共同入手,采用合理的結(jié)構(gòu)形式和材料,延長其使用壽命,使其符合長壽命瀝青路面結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)思想。