瀝青路面結(jié)構(gòu)層界面效應(yīng)研究

高穎

（浙江建設(shè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 杭州 311231）

0 前言

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，我國公路交通事業(yè)在國民經(jīng)濟(jì)中的地位、作用和效益，日益為各方面所認(rèn)識和接受，公路事業(yè)的發(fā)展已經(jīng)步入快車道，路網(wǎng)效應(yīng)的逐步顯現(xiàn)也使公路在客運(yùn)和貨運(yùn)中的優(yōu)勢地位日漸明朗。

瀝青路面是采用瀝青材料作結(jié)合料，粘結(jié)礦料修筑面層的路面結(jié)構(gòu)，具有彈性和韌性以及平整度好、噪聲低、行車舒適等特點，符合現(xiàn)代交通的要求，因此被廣泛應(yīng)用于各等級公路的新建路面和舊水泥路面的改造，以及鋼橋面上的鋪裝層建設(shè)。

1 瀝青路面主要破壞分析

近些年，我國瀝青路面的結(jié)構(gòu)層設(shè)計千篇一律地采用半剛性基層瀝青路面。為了使多層次的瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計與計算更符合實際情況,現(xiàn)行設(shè)計規(guī)范采用多指標(biāo)控制路面結(jié)構(gòu)設(shè)計,同時把路面的結(jié)構(gòu)組合、厚度計算統(tǒng)籌考慮,并采用多層彈性體系理論計算路面結(jié)構(gòu)層厚度,對底基層進(jìn)行拉應(yīng)力驗算。這個假定必然導(dǎo)致瀝青面層底部始終處于受壓狀態(tài)，從而使得路面的彎沉值成為唯一的承載能力設(shè)計指標(biāo)。在這種理論指導(dǎo)下，我國目前在對公路瀝青路面的設(shè)計和施工中，片面強(qiáng)調(diào)了基層的強(qiáng)度，允許為了降低彎沉值而不斷提高基層的強(qiáng)度，導(dǎo)致路面結(jié)構(gòu)整體強(qiáng)度很高，但路用性能依然不好的狀況。

在國際上，瀝青路面的力學(xué)模式都采用瀝青層的彎拉應(yīng)變和土基模量作為設(shè)計指標(biāo)。事實上，當(dāng)瀝青層和基層之間的界面條件從理想的連續(xù)狀態(tài)過渡為滑動狀態(tài)或半連續(xù)半滑動狀態(tài)時，瀝青層底部的彎拉應(yīng)力和應(yīng)變將可能成為控制性指標(biāo)，將有可能在荷載作用下早于基層首先發(fā)生彎拉開裂，并逐漸向上擴(kuò)展，成為破壞的根源。在結(jié)構(gòu)計算上根據(jù)以前的室內(nèi)疲勞方程和力學(xué)設(shè)計程序，無論瀝青結(jié)構(gòu)層多厚，結(jié)構(gòu)都會必然產(chǎn)生疲勞開裂、車轍?，F(xiàn)行的理論發(fā)現(xiàn)，當(dāng)瀝青層超過一定厚度時，良好施工的路面結(jié)構(gòu)不會產(chǎn)生源于層底的疲勞開裂和結(jié)構(gòu)性車轍。當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)軸次超過一定次數(shù)后，瀝青層厚度無須增加。也就是說，瀝青路面的下部將可以無限期地使用下去，表面層的損壞只需通過預(yù)防性養(yǎng)護(hù)、加鋪瀝青層得以補(bǔ)救，這種方式具有不封閉交通、大量節(jié)約費用、立即通車等特點。

隨著經(jīng)濟(jì)條件的改善，國內(nèi)瀝青生產(chǎn)技術(shù)水平的提高，高速公路路面面層必然會逐漸采用國外的情況，即面層厚度逐漸增厚，以便可以較好地克服路面基層引起的反射裂縫，同時也適應(yīng)了不斷加大的交通流量和輪壓的需要。在這種情況下，破壞的起源，更加不會發(fā)生在強(qiáng)度相對較大的面層和基層內(nèi)部，而是發(fā)生在兩者之間相對薄弱的結(jié)合界面上?？梢妼β访娼Y(jié)構(gòu)層的界面特性研究，也有發(fā)展趨勢上的需要。

2 影響瀝青路面結(jié)構(gòu)層破壞的因素

瀝青路面各種早期發(fā)生損壞的技術(shù)原因是復(fù)雜的，短期的損壞大都受施工影響大一些，較長時間的損壞則具有某種共性，這種影響相對來說要更大些。具體來說有以下幾點。

2.1 結(jié)構(gòu)層模量及厚度

結(jié)構(gòu)層模量及厚度是瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計中的重要參數(shù)，會對瀝青路面的使用性能產(chǎn)生很大的影響。其中影響較大的結(jié)構(gòu)層模量主要是面層和基層模量。應(yīng)盡量降低面層模量，延緩裂縫發(fā)展。同時應(yīng)降低面層、基層的溫縮系數(shù)，以減小溫縮應(yīng)力。之外，增加基層剛度能減小車轍破壞,但會加速產(chǎn)生裂縫，基層厚度增加雖能減小路表彎沉，但抗車轍能力提高效果不明顯。所以應(yīng)當(dāng)在路面設(shè)計中對這兩個因素加以認(rèn)真考慮。

2.2 氣候因素

公路是暴露在大自然下的帶狀工程結(jié)構(gòu)物，它長期經(jīng)受日曬、雨雪、酷熱、嚴(yán)寒、凍融的作用，因而產(chǎn)生低溫縮裂和高溫車轍及受水流侵害現(xiàn)象，破壞瀝青路面的使用性能。

2.3 路面基層的施工質(zhì)量

由于趕進(jìn)度，造成料源緊缺，原材料質(zhì)量不能保證；半剛性基層沒有合理的齡期；基層施工粗糙，影響基層質(zhì)量，使基層網(wǎng)狀開裂破壞，若反射到面層，即面層出現(xiàn)網(wǎng)狀開裂，水會從裂縫處下滲到路基中。

3 結(jié)構(gòu)層界面效應(yīng)分析

3.1 模型的建立

用性質(zhì)不同的各種材料層鋪筑在土基上形成的路面結(jié)構(gòu)在荷載作用下的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系并非線彈性，而是隨應(yīng)力大小和荷載作用時間而變化。水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)為層狀結(jié)構(gòu)，除碾壓式混凝土、高強(qiáng)的貧混凝土之外，基層縱向往往不設(shè)橫縫，橫向也一般不設(shè)縱縫，兩側(cè)視施工工藝，基層比面層均有不同程度的超寬。因此，水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)的力學(xué)分析模型可視為彈性地基上不等平面尺寸的雙層結(jié)構(gòu)?？紤]到路基及路面材料層工作應(yīng)力不大以及行車荷載具有的瞬時性并簡化力學(xué)分析模式，建立路面設(shè)計力學(xué)模型時仍視路基、路面處于彈性狀態(tài)。用彈性力學(xué)的原理分析路面各層產(chǎn)生的應(yīng)力、應(yīng)變和位移。由于路面各層具有不同的力學(xué)特性，因此建立的力學(xué)模型為彈性多層體系，即彈性半空間地基上有若干具有一定厚度的彈性材料層體系。實際的路面結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，通常將路面結(jié)構(gòu)視為彈性半空間地基上由若干個具有一定厚度材料組成的彈性層狀體系。

3.2 現(xiàn)場彎沉測試

路表的彎沉測試對于柔性路面結(jié)構(gòu)和剛性路面?zhèn)骱尚阅艿脑u價十分重要。因此，柔性路面的很多特性可以通過測試路面的荷載彎沉響應(yīng)來判斷。相比較解析法而言，利用彎沉的優(yōu)點在于比較的過程中沒有夾雜類似于性能預(yù)測這樣的需要通過經(jīng)驗轉(zhuǎn)換的東西。

3.3 彈性層狀體系分析

計算采用《公路瀝青路面設(shè)計規(guī)范》(JTJ 014 1997)推薦的雙圓均布荷載(見圖1)。荷載接地壓力分別采用 0.8 MPa、1.2 MPa、1.8 MPa，與之相對應(yīng)的 3種作用半徑分別為 108.8 mm、124.8 mm、158.9 mm。它們分別代表標(biāo)準(zhǔn)軸載、超載40%、超載80%時的情形。計算時采用網(wǎng)格法，計算不同深度時 r／s分別等于 0.2、0.4、0.6、0.8、1.0、1.2、1.4、1.6、1.8、2.0、2.2、2.4、2.6、2.8、3.0、3.2、3.4、3.6、3.8、4.0、4.2處各點的剪應(yīng)力的大小。

圖1 雙圓均布荷載圖

3.4 路表最大拉應(yīng)力

將上述路面結(jié)構(gòu)在15℃ 和40℃ 時路表面應(yīng)力匯總(見表1)。從表1可以看出：（1）路面結(jié)構(gòu)中路表最大拉應(yīng)力在20℃時都比15℃ 時的大，荷載壓力P為0.3 MPa時，相差最大的是路面狀態(tài)三，從0.091增大至0.313，隨著荷載壓力的增大，兩種溫度的路表最大拉應(yīng)力相差越大。（2）隨著荷載的增加，路表最大拉應(yīng)力基本上呈減小的趨勢。路面狀態(tài)一和路面狀態(tài)二為半剛性基層路面，路表最大拉應(yīng)力比屬柔性路面的路面狀態(tài)三和路面狀態(tài)四大得多，其值相差多在1倍左右，從這個角度看采用柔性基層對減少路表拉應(yīng)力，延緩或消除路面可能出現(xiàn)的自上而下的裂縫是有利的；對于同屬半剛性基層路面的路面狀態(tài)一和路面狀態(tài)二來說，瀝青層厚度的增加并不能減少路表最大拉應(yīng)力。

表1 不同路面結(jié)構(gòu)路表拉應(yīng)力隨溫度、荷載變化情況

3.5 半柔性路面耐磨性能試驗

按照《混凝土抗磨性試驗》（T0 527-94）進(jìn)行耐磨性能試驗，試驗結(jié)果為3.2 kg/m2，滿足了對水泥混凝土路面要求的磨耗量小于3.6 kg/m2的要求，表明半柔性復(fù)合路面混合料有著良好的耐磨性能，較適應(yīng)于收費廣場路面、長下坡路段等特殊路面。試驗表明：（1）瀝青混合料灌入水泥膠漿后穩(wěn)定度得到顯著，半柔性瀝青混合料灌入水泥膠漿后路面的抗高溫變形能力明顯增強(qiáng)；（2）半柔性路面的車轍深度很小，動穩(wěn)定度均在10 000次以上，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過規(guī)定值，半柔性路面抗車轍性能顯著提高；（3）半柔性路面材料具有較高的抗壓強(qiáng)度及劈裂抗拉強(qiáng)度，而且隨著水泥膠漿灌入量的增加，其強(qiáng)度越高。

4 預(yù)防措施

（1）設(shè)置級配碎石過渡層，防止反射裂縫，改善排水半剛性基層瀝青路面的最大問題是容易出現(xiàn)反射裂縫以及進(jìn)入瀝青路面的水不能及時排出。在瀝青下面層設(shè)置級配碎石過度層能夠彌補(bǔ)這兩個最主要的缺點，也就是積極推廣柔性及半剛性的組合式基層，將半剛性基層下放，其主要的目的是改善路基的承載能力。

（2）做好地基排水。地基的排水固結(jié)過程比較長，因此，對于軟土地基，即要根據(jù)軟基情況采用可行加固整治方案，又要留有較長的沉降時間，特別是對采用打塑料排水板、砂墊層等方法處理時，填土后要埋設(shè)沉降觀測設(shè)備定期觀測，等地基的沉降穩(wěn)定后施工。

（3）路基及路面基層施工預(yù)防措施。

路基壓實度要符合規(guī)范要求，對橋頭部分填土，可用整體性好的材料如石灰土、二灰（石灰與粉煤灰）混合料、無砂大孔混凝土填筑。半剛性基層要在足夠齡期后才進(jìn)行瀝青面層的施工。

（4）瀝青路面施工的預(yù)防措施。

a.嚴(yán)格控制瀝青混合料拌和質(zhì)量，加大馬歇爾試驗頻率，嚴(yán)格控制混合料的穩(wěn)定度、油石比、流值等指標(biāo)，瀝青混合料可灌入適量水泥膠漿，必要時對混合料進(jìn)行特殊配合比設(shè)計。

b.設(shè)置瀝青混合料成品料倉，控制料位，防止卸料離析。

（5）提高面層的攤鋪質(zhì)量。

在攤鋪混合料時運(yùn)距不能過遠(yuǎn)，攤鋪溫度應(yīng)控制在130℃～160℃為宜，攤鋪厚度均勻，保證瀝青面層的壓實度，壓實設(shè)備數(shù)量應(yīng)配套，保證碾壓遍數(shù)，以免混合料孔隙過大；尤其是下面層一般不能補(bǔ)料；基層雨后不得攤鋪，更不能冒雨攤鋪；縱、橫向接縫應(yīng)緊密平順，各幅之間重疊的混合料應(yīng)人工鏟走。

5 結(jié)語

（1）在瀝青路面設(shè)計規(guī)范中增加對瀝青路面功能性指標(biāo)的要求，提高瀝青路面的長期路用性能。

（2）建立瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計模型與破壞模型聯(lián)系，確定控制路面發(fā)生損壞和早期損壞的關(guān)鍵指標(biāo)作為設(shè)計指標(biāo)；

（3）加強(qiáng)半剛性基層與瀝青面層的連接狀況，在進(jìn)行應(yīng)力驗算時，應(yīng)根據(jù)使用條件選擇層間界面的接觸條件；

（4）開展包括柔性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)在內(nèi)多種路面結(jié)構(gòu)形式的研究，把瀝青路面結(jié)構(gòu)組合設(shè)計作為路面結(jié)構(gòu)設(shè)計的重點。

瀝青混合料基層用來抵抗交通荷載作用下路面結(jié)構(gòu)的彎曲疲勞。大量研究指出:高瀝青含量有助于防止瀝青混合料的疲勞裂縫，保證瀝青路面疲勞壽命的另一途徑是路面結(jié)構(gòu)有足夠的厚度,以降低路面底層拉應(yīng)變水平。

[1]JTG F40-2004，公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范[S].

[2]李福普，沈金安.公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范實施手冊[M].人民交通出版社，2004.

[3]蔣波.瀝青混凝土攤鋪機(jī)攤鋪質(zhì)量問題分析[J].公路與汽運(yùn)，2005(5)：.43-44.

[4]洪昀，卓建平，單文勝.蕪馬高速公路瀝青混凝土路面設(shè)計探討[J].交通標(biāo)準(zhǔn)化，2009（7）：207-210.