張小輝

（廣東冠粵路橋有限公司,廣東 廣州 511450）

0 引言

隨著我國(guó)道路建設(shè)地區(qū)不同氣候特點(diǎn)，經(jīng)多年國(guó)內(nèi)廣東地區(qū)路面出現(xiàn)的病害類(lèi)型和特點(diǎn)，主要路面病害是由于凍脹因素，導(dǎo)致瀝青面層結(jié)構(gòu)力學(xué)性能下降，同時(shí)在車(chē)輛荷載作用下導(dǎo)致路面產(chǎn)生裂縫、車(chē)轍等不同程度的病害，根據(jù)我國(guó)現(xiàn)行瀝青路面規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)都是針對(duì)季冬地區(qū)普遍存在病害形式對(duì)路面建設(shè)提出的相關(guān)要求，但是由于廣東地區(qū)氣候特點(diǎn)和行車(chē)環(huán)境的不同采用合適的路面結(jié)構(gòu)層對(duì)于瀝青路面使用壽命至關(guān)重要，理論計(jì)算和實(shí)際環(huán)境、行車(chē)荷載存在實(shí)質(zhì)性偏差，也是導(dǎo)致路面結(jié)構(gòu)破壞因素之一[1]。

公路建設(shè)過(guò)程中遇到高差較大山區(qū)路段，需要設(shè)置較長(zhǎng)路線縱坡，這種長(zhǎng)大縱坡對(duì)于路面層結(jié)構(gòu)安全是非常不利的，與平坡路面結(jié)構(gòu)層受力不同，根據(jù)縱坡坡度大小不同，水平荷載系數(shù)差異也不一樣，根據(jù)不同應(yīng)力分布、路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部受力導(dǎo)致路面結(jié)構(gòu)在縱坡路段更容易發(fā)生破壞。

1 長(zhǎng)大縱坡瀝青路面損壞特點(diǎn)

分布于我國(guó)廣東、廣西、海南等炎熱潮濕南方地區(qū)，在不同地區(qū)氣候分布時(shí)間和特點(diǎn)也不相同，包括行車(chē)荷載、氣候環(huán)境條件、土壤結(jié)構(gòu)狀態(tài)、車(chē)流量、降水分布特點(diǎn)等，長(zhǎng)大縱坡路段在車(chē)輛行駛條件、荷載應(yīng)力結(jié)構(gòu)分布都很容易造成路面車(chē)轍損壞、裂縫破壞、擁包等，根據(jù)現(xiàn)有廣東軟土地區(qū)道路病害調(diào)查情況車(chē)轍破壞是主要的破壞形式，其次是路面裂縫破壞。因此，長(zhǎng)大坡路面結(jié)構(gòu)壽命延長(zhǎng)重點(diǎn)考慮車(chē)轍損壞和裂縫破壞。

1.1 路面車(chē)轍損壞

在南方降水較多地區(qū)路面車(chē)轍嚴(yán)重是普遍存在的路面損壞特點(diǎn)，就廣東地區(qū)來(lái)說(shuō)車(chē)轍深度在3 cm以上，這種車(chē)轍對(duì)于行車(chē)安全性是非常不利的。由于車(chē)轍導(dǎo)致車(chē)輛的事故也較為常見(jiàn)，及時(shí)對(duì)車(chē)轍病害進(jìn)行修復(fù)非常有必要，在設(shè)計(jì)階段如果能加強(qiáng)避免車(chē)轍結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可以很大程度節(jié)約后期瀝青路面的維修成本[2]。

1.1.1 瀝青路面結(jié)構(gòu)性車(chē)轍

結(jié)構(gòu)性車(chē)轍是由于瀝青路面結(jié)構(gòu)層發(fā)生永久變形破壞形成的破壞，在長(zhǎng)大坡地段對(duì)于車(chē)轍產(chǎn)生會(huì)更加嚴(yán)重，在坡道受力特點(diǎn)影響和重車(chē)作用下增加了道路受力破壞程度。在長(zhǎng)大坡路段車(chē)輛行駛過(guò)程中水平剪應(yīng)力一般要比平坡路段大3～5倍，更容易出現(xiàn)車(chē)轍破壞。這種車(chē)轍破壞會(huì)形成兩側(cè)的擁包，也會(huì)產(chǎn)生拉裂破壞。這種擁包多數(shù)是由于軟土地基沉降造成的。

1.1.2 路面磨耗車(chē)轍

（1）路面磨耗車(chē)轍是南方最常見(jiàn)的道路破壞形式，在南方地區(qū)由于軟土路基、降水量大、溫度較高等都會(huì)導(dǎo)致路面出現(xiàn)磨耗型破壞，嚴(yán)重影響路面耐久性。

（2）瀝青路面計(jì)算分析是建立在力學(xué)基礎(chǔ)上，根據(jù)路面結(jié)構(gòu)的應(yīng)變、應(yīng)力、位移對(duì)路面安全性和耐久性進(jìn)行分析，隨著時(shí)代進(jìn)步，對(duì)于瀝青路面設(shè)計(jì)和驗(yàn)算也在不斷地進(jìn)行優(yōu)化，更加適合路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的地區(qū)特點(diǎn)。

1.2 路面面層松散損壞

在季節(jié)性長(zhǎng)大坡路段路面出現(xiàn)結(jié)構(gòu)松散脫落也是較為普遍情況，碎石從瀝青表面脫落形成松散面層，同時(shí)影響車(chē)輛的安全性，導(dǎo)致路面剝落形成坑洞等，瀝青面層產(chǎn)生剝落，在水和冰凍作用下使瀝青結(jié)合層黏性變差，瀝青混合料力學(xué)性能變差，在水的作用下加劇路面結(jié)構(gòu)層的破壞。

2 長(zhǎng)大縱坡路面荷載受力特點(diǎn)

和水平路面行車(chē)相比較，長(zhǎng)大坡行車(chē)需要克服車(chē)輛自重引起的下滑力和摩擦力，地面和輪胎之間產(chǎn)生的滾動(dòng)阻力，汽車(chē)爬坡需要克服重力坡道阻力和下滑力。根據(jù)我國(guó)現(xiàn)階段研究成果，縱坡不大于3%路段行車(chē)水平荷載系數(shù)小于0.17，增加安全系數(shù)后通常取值0.2進(jìn)行計(jì)算，當(dāng)縱坡大于3%或處在高溫等不利季節(jié)，水平力系數(shù)計(jì)算通常采用0.5進(jìn)行計(jì)算。上坡汽車(chē)受力影響分析如圖1 所示。

圖1 汽車(chē)行駛在上坡路段受力分解圖

3 長(zhǎng)大縱坡瀝青路面力學(xué)響應(yīng)分析

路面結(jié)構(gòu)破壞的主要原因是車(chē)輛行駛荷載造成的，也是影響路面安全性的最重要因素之一。平坡路段與長(zhǎng)大縱坡路面的受力有所不同，長(zhǎng)大坡在車(chē)輛行駛過(guò)程中需要克服水平荷載和垂直荷載共同作用產(chǎn)生力，瀝青路面層在行車(chē)過(guò)程中受到的應(yīng)變和結(jié)構(gòu)內(nèi)部應(yīng)力呈現(xiàn)不同的分布狀態(tài)，這種力學(xué)基礎(chǔ)也是季冬區(qū)長(zhǎng)大縱坡受力分析的基礎(chǔ)。

3.1 路面結(jié)構(gòu)材料參數(shù)

路面結(jié)構(gòu)材料最常用的是瀝青混合料面層、無(wú)機(jī)結(jié)合料基層共同組成，材料性能受環(huán)境的影響直接關(guān)系到路面結(jié)構(gòu)的耐久性，路面結(jié)構(gòu)材料影響路面耐久性。因此優(yōu)化路面結(jié)構(gòu)材料和結(jié)構(gòu)厚度是至關(guān)重要的，材料力學(xué)性能是非常重要因素，該文通過(guò)泊松比和彈性模量來(lái)研究路面材料的力學(xué)性能[3]。

3.2 路面結(jié)構(gòu)層的計(jì)算

路面結(jié)構(gòu)層的計(jì)算主要是研究路面應(yīng)力分布特點(diǎn)，應(yīng)變作用特點(diǎn)，在路面受力時(shí)，這時(shí)計(jì)算與道路實(shí)際完成狀態(tài)存在差異，此時(shí)假設(shè)路面為完全連續(xù)。在我國(guó)路面結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)計(jì)算通常采用標(biāo)準(zhǔn)混合料穩(wěn)定15 ℃計(jì)算模量，彎沉計(jì)算采用混合料20 ℃時(shí)計(jì)算模量。

4 瀝青路面長(zhǎng)大縱坡設(shè)計(jì)要求

該次采用廣東省樂(lè)昌至廣州高速公路樟市至花東段路面工程路面結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行分析研究，高等級(jí)公路路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)通常采用三層結(jié)構(gòu)形式，瀝青混凝土面層、中面層和下面層，瀝青面層主要是用于保障道路行車(chē)舒適性和安全性的重要保證，因此在道路完成后運(yùn)營(yíng)通車(chē)，要求面層具有好的平整性、抗滑性能、較小車(chē)轍深度、較小裂縫等，路面不同混合料要求是保證路面施工質(zhì)量的重要保證。

（1）根據(jù)地理環(huán)境區(qū)域特點(diǎn)路面結(jié)構(gòu)的計(jì)算應(yīng)力和結(jié)構(gòu)層應(yīng)變特性是路面設(shè)計(jì)重要原則，使路面設(shè)計(jì)既符合瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范，也要符合區(qū)域特點(diǎn)，在季冬長(zhǎng)大坡路段地區(qū)需要滿(mǎn)足季節(jié)性冰凍環(huán)境和長(zhǎng)大坡路面受力特點(diǎn)，對(duì)于路面耐久性具有重要的作用和意義。

（2）瀝青路面計(jì)算分析是建立在力學(xué)基礎(chǔ)上，根據(jù)路面結(jié)構(gòu)的應(yīng)變、應(yīng)力、位移對(duì)路面安全性和耐久性進(jìn)行分析，隨著時(shí)代進(jìn)步，對(duì)于瀝青路面設(shè)計(jì)和驗(yàn)算也在不斷地進(jìn)行優(yōu)化，更加適合路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的地區(qū)特點(diǎn)。

4.1 瀝青路面結(jié)構(gòu)層要求

在長(zhǎng)大坡路段由于車(chē)輛荷載反復(fù)作用，受到自然環(huán)境影響和力學(xué)性能影響，將路面荷載傳遞至路面基層，路面磨耗層是車(chē)輛行駛安全的重要保證，在道路建設(shè)方面地區(qū)環(huán)境和建設(shè)經(jīng)驗(yàn)也是重要的設(shè)計(jì)依據(jù)，需要滿(mǎn)足路面所處的環(huán)境條件、經(jīng)濟(jì)條件、交通條件等基本要求，路面的抗開(kāi)裂性能、路面的抗滑性能、路面的高溫抗車(chē)轍性能、路面低溫抗裂性等都是終點(diǎn)需要考慮的路面指標(biāo)。

路面結(jié)構(gòu)層需要滿(mǎn)足行車(chē)的耐久性、穩(wěn)定性要求，路面層結(jié)構(gòu)的承載力主要是由路面下基層和路面結(jié)構(gòu)上基層來(lái)承擔(dān)，無(wú)論什么結(jié)構(gòu)形式的瀝青路面都要求有很高的力學(xué)性能，用于抵抗車(chē)輛產(chǎn)生變形，這種用于抵抗路面變形會(huì)引起疲勞破壞，不管路面承受的水平荷載還是垂直荷載作用，都需要對(duì)路面進(jìn)行精心的設(shè)計(jì)，嚴(yán)格控制施工質(zhì)量。

在路面結(jié)構(gòu)層和路基之間需要考慮凍融破壞因素，路基基層的拉應(yīng)力在軟土地區(qū)作用尤其重要，由于路基的變形明顯，考慮不均勻沉降因素的影響，需要對(duì)路基進(jìn)行防水處理，以確保路面結(jié)構(gòu)不產(chǎn)生結(jié)構(gòu)破壞。軟土地區(qū)路基需要進(jìn)行加固或換填處理，保證路基的密實(shí)、均勻、穩(wěn)定，一般土路基回彈模量應(yīng)大于40 MPa[4]。

4.2 混合料作用分析

4.2.1 表面層瀝青混合料

廣東地區(qū)路面結(jié)構(gòu)表面層的抗滑性能要求相對(duì)較高，尤其是長(zhǎng)大縱坡路段路面表面抗滑性能要求更高，由于夏季雨水較多、溫度較高，道路的抗車(chē)轍性能和密水性和瀝青材料溫度特性密切有關(guān)，瀝青混合料碎石需要有較大的硬度，要有較好耐磨性能，考慮廣東地區(qū)雨水天氣對(duì)路面長(zhǎng)期作用影響，一般不會(huì)采用開(kāi)級(jí)配類(lèi)型路面結(jié)構(gòu)層，最常采用改性瀝青SMA-13/16這種間斷級(jí)配路面結(jié)構(gòu)形式，這種級(jí)配結(jié)構(gòu)以粗骨料為主，對(duì)于路面抗滑性能改善作用明顯。

4.2.2 中面層瀝青混合料

中面層瀝青結(jié)構(gòu)混合料主要用來(lái)抵抗高溫車(chē)轍，南方地區(qū)路面的抗疲勞開(kāi)裂、抗剪切性能、抗車(chē)轍性能也主要由中面層結(jié)構(gòu)承擔(dān)，因此中面層相對(duì)于上面層瀝青用量相對(duì)較小，骨料的含量和粒徑相對(duì)表面層較大，在最常用于高等級(jí)路面中面層結(jié)構(gòu)有改性瀝青AC-20和AC-25，同時(shí)也需要保證中面層結(jié)構(gòu)有較好的水密性，防止路面結(jié)構(gòu)層產(chǎn)生泌水破壞。

4.2.3 下面層瀝青混合料

路面結(jié)構(gòu)下面層主要是用于預(yù)防路面上中面層產(chǎn)生破壞，保證上中面層路面結(jié)構(gòu)層抗車(chē)轍和抗疲勞性能，從功能性要求里面下面層承受較小的壓應(yīng)力、拉應(yīng)力和剪應(yīng)力，在路面下面層同樣有著抗凍性能要求，還需要保證在特殊天氣情況下不產(chǎn)生較大的變形，在最常用的路面下面層結(jié)構(gòu)混合料有AC-25、ATB-25、ATB-30，不宜采用透水性結(jié)構(gòu)材料。

4.3 長(zhǎng)大縱坡瀝青路面要求

在特殊地區(qū)路面設(shè)計(jì)根據(jù)不同受力特點(diǎn)需要專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)，對(duì)于南方地區(qū)長(zhǎng)大坡路段的荷載、氣候條件等都是路面設(shè)計(jì)過(guò)程中的難點(diǎn)，需要重點(diǎn)考慮單獨(dú)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

4.3.1 路面防開(kāi)裂設(shè)置

半剛性路面基層在廣東地區(qū)最易產(chǎn)生裂縫病害，這種裂縫會(huì)通過(guò)下面層、中面層最終反射至表面層，這是由于無(wú)機(jī)結(jié)合料層有明顯溫縮影響，經(jīng)研究半剛性基層材料的溫縮性能和干縮性能都較大，主要以干縮性能為主，一般情況下無(wú)機(jī)結(jié)合料的干縮變形系數(shù)是溫縮變形系數(shù)的10倍。在不斷的溫縮和干縮作用影響下，導(dǎo)致基層開(kāi)裂形成反射裂縫。目前國(guó)內(nèi)外采用以下幾種方法控制基層裂縫的產(chǎn)生[5]。

1）增加半剛性基層力學(xué)性能，增加強(qiáng)度和剛度，以減小收縮變形。

2）增加半剛性基層中粗級(jí)配含量減小粉塵含量，這樣有利于提高集料之間擠壓密實(shí)度，減少水的影響，增強(qiáng)基層的排水性能。

3）與瀝青面層接觸面增設(shè)封層和透層，隔絕上部水下滲至基層，必要時(shí)適當(dāng)增設(shè)切縫。

4）增設(shè)碎石墊層隔絕地下水對(duì)路面基層的影響，減小凍融作用對(duì)基層影響。

近些年來(lái)為減少基層反射裂縫采取了一定措施，比如設(shè)置土工格柵、玻璃纖維格柵、應(yīng)力層等效果顯著。

（1）設(shè)置應(yīng)力吸收層。應(yīng)力吸收層設(shè)置在路面底基層和路床頂面層，以提高路面結(jié)構(gòu)層的整體抗剪切性能和抗彎剛度，增加路面結(jié)構(gòu)受力的抗剪切和抗變形能力，可以吸收路面上部結(jié)構(gòu)傳遞來(lái)的荷載作用，應(yīng)力吸收層還能起到隔絕地下毛細(xì)水，排出層間水的作用，實(shí)踐證明，對(duì)于保證路面結(jié)構(gòu)使用壽命具有重要的作用，采用應(yīng)力吸收層有效的避免了路床開(kāi)裂帶來(lái)的反射裂縫。

（2）設(shè)置土工隔柵或玻纖隔柵。格柵結(jié)構(gòu)能抵抗路面結(jié)構(gòu)層產(chǎn)生的橫向裂縫，土工格柵和玻璃纖維格柵都是有較好的韌性，能提高路面結(jié)構(gòu)整體性，可以抵消部分路基結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的拉應(yīng)力，降低裂縫形成風(fēng)險(xiǎn)，最常用的格柵性能主要是用于抵抗路基路面的疲勞開(kāi)裂、抵抗高溫產(chǎn)生車(chē)轍變形、抵抗低溫狀態(tài)下收縮裂縫、延緩路面結(jié)構(gòu)層反射裂縫發(fā)展。

4.3.2 設(shè)置路面防水層

廣東地區(qū)對(duì)路面結(jié)構(gòu)耐久性影響較大的就是高溫雨季對(duì)路基土體形成水害，為防止路基結(jié)構(gòu)滲水產(chǎn)生破壞，減小路基變形，保證在夏季多雨潮濕地區(qū)路面結(jié)構(gòu)層能夠抵抗水壞的影響，需要在路面結(jié)構(gòu)層和路基之間設(shè)置防凍層，最常用的防水層就是碎石墊層、底基層，部分地區(qū)地下水較發(fā)育需要增設(shè)防水土工膜進(jìn)行隔絕地下水?？箖鰤|層通常采用透水性較好，強(qiáng)度較高，受冰凍影響較小的材料，比如粗砂、砂礫、碎石、煤渣、礦渣等都可以作為抗凍隔離層使用。

5 結(jié)語(yǔ)

該文通過(guò)廣東地區(qū)長(zhǎng)大縱坡瀝青路面設(shè)計(jì)、施工關(guān)鍵技術(shù)研究，分析總結(jié)得到以下結(jié)論：

（1）廣東地區(qū)多數(shù)地區(qū)存在較多的軟土地基，因此長(zhǎng)大縱坡的設(shè)置需要考慮軟土地基影響，該文根據(jù)路面結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，分析了長(zhǎng)大縱坡路面結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)，主要有車(chē)轍損壞和路面松散破壞。道路存在高溫和水壞破壞的不良?xì)夂驐l件，再加上長(zhǎng)大縱坡的路面不利受力狀況，結(jié)合廣東地區(qū)路面受力特點(diǎn)和力學(xué)相應(yīng)特點(diǎn)，長(zhǎng)大縱坡是路面結(jié)構(gòu)容易破壞的重要因素。

（2）長(zhǎng)大縱坡設(shè)置和施工關(guān)鍵控制技術(shù)都是針對(duì)路面結(jié)構(gòu)特點(diǎn)選用的，第4節(jié)從路面結(jié)構(gòu)層各個(gè)功能作用進(jìn)行分析，從而有針對(duì)性的就長(zhǎng)大縱坡路面病害特點(diǎn)進(jìn)行分析研究，并提出采用設(shè)置隔離層、防凍層、土工格柵等措施來(lái)改善路面結(jié)構(gòu)的耐久性，減小路面結(jié)構(gòu)病害的產(chǎn)生。