高寒低等级公路沥青面层结构影响分析

刘义高　吕松涛

(湖南省公路管理局1)　长沙　410011)　(山南地区交通运输局2)　山南　856000)

(长沙理工大学交通运输工程学院3)　长沙　410004)



高寒低等级公路沥青面层结构影响分析

刘义高1,2)吕松涛3)

(湖南省公路管理局1)长沙410011)(山南地区交通运输局2)山南856000)

(长沙理工大学交通运输工程学院3)长沙410004)

摘要：针对高寒地区低等级公路沥青路面结构，对已运营多年的高寒区域公路项目性能状况进行评价分析，通过建立数值计算模型，考虑温度场对路面结构的影响，分析了路面面层厚度变化与面-基层之间接触联结状态对路面结构产生的影响，并针对工程实践的改进提出了建议.研究分析结果表明，薄面层的沥青路面结构能较好地满足高寒地区低等级公路整体结构要求，但还需要采取措施进一步提高路面的使用性能.

关键词：道路工程；沥青路面；数值分析；低等级公路；高寒地区

刘义高(1980- )：男，硕士生，工程师，主要研究领域为公路工程管理与建设

*国家自科基金项目资助(批准号：51038002，51208066)

0引言

由于青藏高原特殊的地形地貌、地质结构和恶劣的气候环境，导致在此修建公路非常困难，高等级公路更少，至今西藏地区内仅有一条高速公路，已有的公路绝大部分是低等级公路，许多地方如山南地区甚至至今没有二级及以上的高等级公路.近年来，随着西藏跨越式发展战略的提出，公路建设将迎来大规模建设高潮.由于青藏高原的特殊地形地貌，加之综合考虑到公路的修建技术难度、交通流量、经济水平、后期养护等因素，在技术经济比较中，低等级沥青公路仍是重点考虑对象.

高寒地区路面结构设计方案的选择必须考虑到特殊的气候特点，并在材料和结构设计中采取针对性措施[1-5]，为了更加准确反映高寒地区的路面状态, 克服现有沥青路面设计规范的局限性，本文以低等级沥青路面结构为研究对象，依托高寒地区一条超设计寿命龄期服役的三级公路实体工程项目，调查分析了道路路面现状，进而建立数值计算模型，并对现行沥青路面结构设计体系进行了适当改进，通过融入温度场这一反映高寒地区特殊气候环境特征的关键因素，计算分析了路面面层厚度和面-基层层间接触联结状况对路面结构的影响，针对高寒地区低等级公路路面结构提出了建议与措施.

1高寒地区低等级公路沥青路面性能状况

西藏自治区的主骨架公路规划由“三纵、两横、六通道”组成，省道S307线便是其中线路之一，其中浪卡子县城至岗巴拉山垭口路段修建于2003年，全长45 km，公路技术等级为三级，平均海拔4 500 m，最高海拔5 030 m，路面结构为4 cm沥青混凝土(AC-16C)+20 cm水泥稳定碎石+25 cm级配碎石，路面结构总厚度为49 cm，设计使用年限为8 a，初始年标准轴载当量轴次为13.4万次.目前，该公路已通车运营12 a，通过对其路面状况开展的详细调查工作，有关情况如下.

1.1路面结构强度情况

采用贝克曼梁路面弯沉仪对路面弯沉进行检测，并根据《公路路基路面现场测试规程》对测得的弯沉值进行了温度修正，按照《公路技术状况评定标准》的评价模型，通过对本次路面开展的检测工作，计算得到了路面结构强度指数PSSI，统计分析各评定等次所占的比例见图1.

图1　路面PSSI等级评定分类

从路况检测结果来看，全段平均弯沉值为0.704 mm，原路面设计弯沉值为0.603 mm，全段路面结构强度指数PSSI平均值为84.15，处于“良”的水平，其中评定为“优”的等级路段占2%，评定为“良”的等级路段占84%，评定为“中”的等级路段占13%，该路段在超设计使用年限运营后，虽然实测弯沉值略大于原设计值，但路面结构强度整体状况较好，说明薄面层对半刚性沥青路面的整体强度影响不大.

1.2沥青路面病害情况

通过对调查记录的统计，全线存在的路面病害有龟裂、块状裂缝、横向裂缝、纵向裂缝、坑槽、松散、沉陷、车辙、波浪拥包等，其中，龟裂占病害数量比最多，为63%，全线破损率DR为4.1%，按照《公路技术状况评定标准》的评价模型，通过本次路面检测结果，计算得到了路面损坏状况指数PCI，统计分析各评定等次所占的比例见图2.

图2　路面PCI等级评定分类

全段路面损坏状况指数PCI平均值为64.7，路面损坏整体状况处于“次”的水平，其中评定为“良”等级路段占31%，评定为“中”等级路段占22%，评定为“次”等级路段占40%，评定为“差”等级路段占7%.造成路面破损的因素很多，原因也很复杂，具体到本项目而言，根据现场详细勘察及综合分析认为，一方面高原的紫外线强烈，加速了沥青路面的老化进程，另一方面本路段地处海拔高，四季昼夜温差大，冻融灾害发生频繁，部分路基填料由粉质粘土混碎石组成，碎石含量较低，不利于路基内水分扩散，容易在路基上形成聚冰层，引发路基冻胀，继而引发路面一系列病害的发生.

目前，许多公路路面在尚未到达设计年限时就发生了严重破损的现象较为普遍，规范中对三级公路的沥青路面设计使用年限为8 a，而本条公路已投入运营12 a，超期服役4 a，且当前的交通流量也远远超出了当初的设计标准，但路面整体强度仍然处于良的水平，足以说明该路面结构对高寒地区低等级公路有着较好的适应性.

2路面结构模型数值分析

在我国在众多路面结构型式中，半刚性基层沥青路面占据了相当大的比例，其相关的研究成果也非常成熟，并在工程实践中获得了普遍应用，成为我国主要路面结构形式.本文以西藏高寒地区低等级公路中普遍存在的半刚性基层沥青路面结构为研究目标，采用有限差分法进行数值建模，采用四边形单元把实际研究对象分割成有限差分化的网格，以多层弹性层状理论为基础，考虑各结构层的实际层间接触状态，路面结构层之间的接触联结状态采用界面单元进行模拟.路面结构及数值模型见图3.

图3　路面结构数值分析模型

模型的边界约束设定为：土基深处底层为固结状态，不发生位移，模型的两侧仅约束其法向位移.建立网格时，在不影响计算精度和效果的前提下，采用疏密有序方式来划分模型网格，其中沥青面层、基层、底基层区域进行加密，路基部分划分较粗，在轴载作用区域加密网格密度，向两边扩散渐疏.路面结构材料主要参数见表1.

表1　路面结构材料参数　MPa

2.1路面温度场影响

由于沥青材料在不同的温度会表现出显著不同的性能，沥青路面结构也表现出典型的温度敏感性，并最终反映在承载能力和使用性能的变化上.在各种发生在沥青路面上的破坏现象中，直接或间接的都与路面温度状况有关，因此，设计选用高寒地区路面结构型式，必须要引入温度这一重要因素.文中通过热传导建立起路面温度场.

在路面结构中，由直角坐标系来确定各质点的位置，进而可以得到公路路面结构层中各网格点的具体温度数值大小，表示为空间坐标和时间t的函数式：

(1)

温度梯度可以表示为

(2)

我国地域辽阔，气候差异较大，路面的设计温度选择应具有地域个性化[6-8].青藏高原空气稀薄，日照时温度上升迅速，温差大，考虑最不利季节最大温差工况.在路面各结构层中，沥青面层温度变化最明显，其材料性能也受温度影响最敏感，因此，本文计算建模时重点考虑沥青面层受温度场的关联变化，基层、底基层与路基暂不考虑其受温度变化影响.

根据对上述工程实例项目所在地进行温度观测，取不利影响时沥青路表温度为25.6 ℃，面层4 cm厚时底部温度为19.5 ℃，并假定其它不同的路面厚度温度场仿照本项目进行线性类推，即表层温度不变，面层底部温度是面层厚度的线性关联函数.在具体数值模型计算中，通过编制程序来实现沥青面层材料参数随温度的伺服变化控制，参考沥青路面设计规范，参数与温度之间的变化规律设定为线性函数.计算得到的沥青面层内弹性模量随面层深度的变化曲线见图4.

图4　沥青混凝土弹性模量随面层深度变化

2.2面层厚度对路面结构的影响

我国现行公路沥青路面设计规范中，采用路表面弯沉值、沥青混凝土层的层底拉应力及半刚性材料层的层底拉应力等指标来指导并控制高速、一级、二级等高等级公路的沥青路面结构设计，在三级公路、四级公路等低等级公路的沥青路面结构设计中，则仅选取了路表面弯沉值为控制指标.文中以低等级沥青公路为研究对象，重点关注路面结构对弯沉、面层底拉应力与基层底拉应力的变化影响，受力分析时荷载采用了标准车型BZZ-100,轴重100 kN,轮压为0.7 MPa,双轮当量直径分别为21.3 cm,两侧轮隙间距10.65 cm.根据在面-基层连续接触联结状态下的对不同面层厚度进行计算分析，得到的结果见图5～6.

图5　弯沉值随面层厚度变化

图6　结构层底拉应力随面层厚度变化

由图5可知，面层厚度的变化对路面弯沉值的影响不明显，当面层厚度增加1 cm时，路表最大弯沉值仅降低了约1.4%，且路面厚度的增加对弯沉值的变化之间有着比较好的线性相关规律.特别地，当面层厚度等于4 cm时，计算模型与前述实例工程结构一致，工程项目建成时的检测平均弯沉值为0.378 mm，模型计算弯沉值与工程检测平均值误差约为9.4%.模型计算结果比实际检测要偏于保守，综合考虑到理论与复杂实际工况因素以及检测过程误差，文中建立的数值模型用于此类型路面结构计算分析是可行的.

由图6可知，面层厚度对面层底与基层底的拉应力影响均不明显，当面层厚度增加1 cm时，面层底最大拉应力仅减小约4%，随着厚度的逐渐增加，当路面厚度达到9 cm以上时，曲线斜率变大，说明厚度增加带来的影响趋势逐渐增大，而基层层底拉应力受面层厚度的影响更弱.虽然厚面层在高等级公路中普遍采用，但受经济等因素制约，在低等级公路中往往比较优势不明显.

2.3层间接触状态对路面结构的影响

在通用的半刚性基层沥青路面设计中，道路各结构层之间的接触联结状况往往假定为完全连续，但在工程实际情况中，无论是沥青路面上、中、下面层之间还是在面层与基层之间的粘结状态都处于不是很牢固的状况.为了分析这一现象的影响，以上述实例工程项目路面结构为研究模型，设定基层与底基层,以及底基层与路基之间为完全连续状态，计算了面层与基层之间不同的接触行为对路面结构带来的影响.接触面模型见图7.

图7　接触面单元模型

用来模拟的接触单元具有的主要特性有：摩擦角、粘聚力、刚度及拉伸力，在赋予接触单元相应的材料特性同时，采用三角平面的接触单元和相应的接触节点共同组成接触面，通常,根据计算的需要在空间的任何位置都可以形成接触单元，为了更加灵活处理模型网格，一个四边形还可以选取两个三角形接触单元来拼接完成，在每一个接触单元的顶点，接触节点会自动产生，通过接触节点可以实现2个面之间力的传递.通过计算分析面基层间完全连续和完全不连续两种不同接触状态，计算结果见表2.

由表2可见，层间接触状态对弯沉影响很小，从面基层完全连续到不完全连续，路表弯沉仅增加了2.0%，说明路面整体结构强度受层间接触状态变化不大.但是面层拉应力与面层底拉应变受层间接触状态的影响较大，从面基层完全连续到不完全连续，面层最大拉应力增大了52.9%，面层底最大拉应变增加的幅度更大，达到了2.23倍.拉应力与拉应变的迅速扩大，会带来一系列不良影响，加速诱使材料开裂，引发层间位移及路面裂缝的产生，缩短路面结构的疲劳寿命.

表2　面基层间不同接触状态的影响

3结论与建议

1) 对于高寒地区低等级公路，薄面层的半刚性基层沥青路面结构有较好的适应性，面层厚度对结构整体强度控制并不起关键作用.通过对超龄期服役运营多年的公路项目性能状况调查和数值结构计算分析都验证了这一点，因而在进行低等级公路沥青路面结构选择时，综合考虑各项技术经济指标，沥青面层可适当取低值.

2) 高寒地区薄面层的低等级半刚性沥青路面在长期运营使用后，路面的结构强度整体性较好，但是破损情况较差，说明其结构承载性能较好，使用耐久性能不足.因此，在该类型路面结构设计内容中，应注重路面材料的耐久性与使用性能，采用高标准的沥青混合料材料，提升路面抵抗高寒气候的能力，提高路面使用性能.

3) 通过对藏区低等级沥青公路性能状况的调查研究与路面结构的计算分析，建议在工程实践中对该类型路面可采取以下措施以提升其综合性能：(1)加强层间粘结作用，改善层间接触状态与路面结构受力状态，提升路面结构整体性，减少受力裂缝的产生；(2)改善路基状态，防止路基冻融病害的发生以及向路面传导，也可在路面结构中应设置碎石底基层等类似构造，有效隔离路基与上面层之间水汽通道，减小冻融灾害对路面的影响；(3)选择使用耐高寒气候、抗紫外线损伤的改性沥青，增强沥青抗衰变能力.

青藏高原地域辽阔，公路网密度小，公路建设亟待加强，高寒地区的公路建设是我国今后一段时期公路建设的重点.受各种客观原因限制，以三、四级公路为代表的低等级沥青公路仍将是未来建设的主力战场.高寒地区气候地貌有其独特性，低等级沥青公路路面结构型式的研究与选择应符合高寒地区的实际情况.建议在我国现有公路路面通用研究的基础上，重点对高寒地区已投入服役运营的公路开展深入调查分析与后评价研究，不断总结经验与改良结构型式，往往能获得较好的效果.

参 考 文 献

[1]司伟,马骉,汪海年.基于路基顶面温度的多年冻土区沥青路面结构[J].长安大学学报：自然科学版，2012,32(6):16-22.

[2]汪双杰,李祝龙.中国多年冻土地区公路修筑技术研究[J].公路交通科技,2008,25(1):1-9.

[3]张久鹏,袁卓亚,汪双杰,等.冻土融沉对路面结构力学响应的影响[J].长安大学学报：自然科学版，2014,34(4):1-6.

[4]张有安,王玉金.青藏高原边缘山区公路路基、路面抗冻设计研究[J].冰川冻土，2012,34(3):645-649.

[5]朱东鹏,汪双杰,司伟,等.青藏高原多年冻土区高等级公路路面结构温度场研究[J].公路交通科技，2013,30(8):29-36.

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[7]刘荣辉,钱国平,郑健龙.周期性气候条件下沥青路面温度场计算方法研究[J].长沙交通学院学报,2002,18(2):71-75.

[8]杨军,潘友强,邓学钧.桥面铺装浇注式沥青混凝土性能[J].交通运输工程学报,2007,7(1):49-53.

Asphalt Surface Structure Analysis of

the Low-grade Highway in Plateau-cold Region

LIU Yigao1,2)LV Songtao3)

(HighwayAdministrationBureauofHunanProvince,Changsha410011，China)1)

(ShannanTransportBureau,Shannan856000,China)2)

(SchoolofTrafficandTransportationEngineering,

ChangshaUniversityofScience&Technology,Changsha410004,China)3)

Abstract：The paper focus on low-grade highway asphalt pavement structure in plateau-cold region. First the paper makes evaluation analysis of the highway pavement performance which has been put into use for many years in plateau-cold region, Then establishes a numerical model considering the effect on pavement structure temperature, the pavement structure influence of asphalt pavement surface layer thickness changing and the contact link station between base and surface courses is analyzed. At last some improvement suggestions and opinions in engineering practice are put forward. The research results show that: thin surface layer of asphalt pavement structure can meet the requirements of the low-grade highway overall structure function in plateau-cold region, but also need to take measures to improve the pavement performance.

Key words：road engineering; asphalt pavement; numerical analysis; low-grade highway; plateau-cold region

收稿日期：2015-11-05

doi:10.3963/j.issn.2095-3844.2016.01.026

中图法分类号：U416.2