高寒高海拔地区路面典型结构适应性研究

毛雪松，黄 喆，朱凤杰

(长安大学 公路学院，陕西 西安 710064)

高寒高海拔地区路面典型结构适应性研究

毛雪松，黄 喆，朱凤杰

(长安大学 公路学院，陕西 西安 710064)

路面结构直接影响道路的使用性能，高海拔和低温气候是影响路面结构的关键因素。通过调查分析，归纳总结了西藏地区现有的路面结构类型；选取K2876～K3595段为典型路段并对路面的病害类型进行了分析；以共玉高速为项目依托，采用四种新型路面结构进行试验路铺筑研究，并进行了温度场模拟。研究结果表明：柔性基层路面结构相对于半刚性基层路面结构在高寒地区具有更好的适应性，其中土工格室加固级配碎石基层路面结构表现最优。

道路工程；冻土地区；路面结构；适应性分析

青藏高寒地区其高寒高海拔的特殊环境对路面结构整体性能影响很大，沥青路面往往在通车初期就出现大量病害[1]，严重影响使用性能，采用单一半刚性基层路面结构[2]不能适应其复杂特殊的环境。

目前现行的公路设计理论也并未考虑到青藏地区的特殊环境，笔者通过在共玉高速上铺筑4种新型路面结构试验路并对其进行调查检测，通过弯沉测量、病害统计、钻芯取样等手段对各路面结构的适应性进行了对比分析，并模拟了两种典型路面结构下的温度场。

1 高寒地区路面结构与病害类型

1.1 高寒地区常见的路面结构

青藏公路、川藏南线、川藏北线、滇藏公路和新藏公路等5条国道为进出藏的主要通道，具有很好的代表性。笔者通过对这5条道路实地调查并结合已有资料分析，可知西藏地区的沥青路面路面结构可以大致分为两种：传统沥青路面结构和现有公路沥青路面结构，仍以半刚性基层路面结构为主，如表1。

表1 西藏典型沥青路面结构Table 1 Typical asphalt pavement structure in Tibet

1.2 G109青藏公路病害分析

青藏高原地区海拔高、辐射强、年平均气温低温差大，加之青藏公路沿线分布大量的冻土，是大量路面病害产生的主要因素。常年低温使得沥青面层变脆变硬，高太阳辐射加之反复冻融循环进一步加速了沥青材料老化，而且人为及自然因素导致多年冻土的退化加之重载交通的反复作用，路面产生了一系列的裂缝、变形、冻胀翻浆、车辙、拥抱、泛油、坑槽等病害[3]。其中冻土区多年冻土的退化是诱发沥青路面各类病害的主要因素，因此，根据G109沿线多年冻土分布的情况分析，选择K2876～K3595段为典型路段，对该路段的路面病害进行统计调查，调查结果如表2，总结各类病害所占百分比如图1。

表2 青藏公路K2876～K3595路面病害分布Table 2 Pavement disease distribution in K2876～K3595 section of Qinghai-Tibet Highway

图1 各类路面病害所占百分比Fig.1 Percentage of various pavement diseases

由图1分析可知：在公路沿线经过的多年冻土路段内，其路面病害类型众多，所占比例较大的路面病害有裂缝(纵向裂缝、横向裂缝、网裂、龟裂等)、波浪、沉陷、松散等，裂缝的存在会加剧路面结构破损，而波浪和沉陷则影响着行车安全性和舒适性。为了最大限度地减少路面病害，应从材料、结构及地区特殊的自然环境等方面综合考虑，选取结构合理的多年冻土区路面结构。为研究更适应于冻土地区尤其高温冻土区的路面结构，笔者选择在典型地区铺筑了4种新型路面结构[4]，并对这4种结构适应性进行对比评价。

2 新型路面结构试验路铺筑

2.1 试验路概况

试验段在共玉高速GYI-SGB3合同段内，合同段起于查龙穷村，止于清水河镇，试验路段桩号为K629+800～K634+200，靠近清水河镇如图2。合同段按“总体规划、分期实施”的原则新建一幅道路，单幅路基宽度10 m、行车道宽度3.75 m，分离式路基宽度为11.25 m，采用高速公路标准修筑。

该地区分布着不连续的多年冻土以及季节性冻土，如表3。多年冻土发育且为高温型冻土，平均冻土温度为-0.5 ℃～0 ℃，天然冻土上限在2.5 m左右；本段的季节性冻土由于所处地区海拔高、年平均气温低，季节性冻深大，再加上地势平坦地表积水严重、地下水埋深浅，因此季节性冻胀作用强烈，对道路破坏较大。

图2 工玉高速位置Fig.2 The position of Gong-Yu Highway

表3 试验路段冻土类型Table 3 Types of the frozen soil in test section

试验路段处于青藏高原腹地，属于典型的高原大陆性半干旱气候，冬季寒冷漫长；夏季气候凉爽短暂，雨水较充足，降水分布地区差异明显，且主要集中在5～9月份，昼夜温差大，空气稀薄，日照充足辐射量大，年平均日照率达50%～60%。该地区的气象条件如表4。综合以上分析，选择此处铺筑试验路具有典型性，因此选择此地区铺筑试验路进行研究。

表4 试验路段气象条件Table 4 Meteorological conditions of the test section

2.2 试验路路面结构

2014年8月份，笔者借助共玉高速公路一期工程，在K629+800～K634+200之间铺筑了长4.4 km的试验段。由研究可知：对多年冻土地区，路面产生的位移主要取决于冻土融化盘的深度[5]，但基层层底拉应力的大小受路面结构形式的影响较大，而柔性基层相较于半刚性基层在相同融沉下层底拉应力更小[6]。因此，试验路设计了4种以柔性基层为主的新型路面结构，在保证面层结构相同的情况下改变基层、垫层结构，其中这4种路面形式的厚度及结构均经过合理的设计与验算，符合现行规范的要求具有理论可行性，如表5。

表5 试验路路面结构类型Table 5 Pavement structure types of the test road

3 试验路检测及分析

为探究这4种新型路面结构在实际环境中的适应性，同时对比分析试验段各路面结构以及相邻生产段路面结构的性能，笔者选择K629+300～K635+200 共5.9 km路段作为研究对象(其中K629+800～K634+200共4.4 km为试验段、试验段前后各500、1 000 m共1.5 km为生产段)。采取弯沉测量、病害统计、钻芯取样等手段对各路面结构的性能进行对比。

3.1 病害检测分析

通过调查统计发现，路面病害主要以变形、横向裂缝、泛油、麻面、坑槽、机械刻痕、油污为主，其中横向裂缝为路面主要病害，历次调查所占病害数量比例均在60%以上。

3.1.1 裂缝统计调查

通过3次调查统计，收集各试验路段及相邻生产路段的横向裂缝调查数据如图3。

图3 裂缝统计Fig.3 Statistics of cracks

通过对3次裂缝调查进行对比分析发现：

1) 道路通车后虽然经过数次养护，但裂缝并未消失由此可以看出裂缝并非产生于同一时间，而是随着时间推移逐渐产生发展，虽然经过填补修复，裂缝的发展并没有得到阻止。其中以两侧生产路段裂缝最为发育且裂缝以贯穿裂缝居多甚至出现了几处横缝纵缝交叉的情况；

2) 柔性基层路面抵抗裂缝的能力明显优于半刚性基层[7]，其中土工格室加固级配碎石基层路面结构同期裂缝数量均明显低于其他路段，且裂缝明显较小(图4)。

图4 各路段裂缝Fig.4 Cracks of each section

3.1.2 钻芯取样分析

为进一步探寻不同结构路段裂缝存在的状态及产生的原因，笔者在调研中进行了钻芯取样。分别在4种不同结构试验路段进行钻芯取样，每段试验路取一个芯样，试验路两侧各取一个芯样，总取6个芯样(表6)。芯样的取点选择在路面横向裂缝相对较大处。

表6 取芯位置状况Table 6 Core position condition

分析芯样具体情况：

1) 芯样①：只能取出面层，基层(水稳碎石)没有成形，无法取出；

2) 芯样②：取出的面层芯样裂缝宽度越到表面越小，可推测为半刚性基层的反射裂缝；

3) 芯样③：芯样状况：面层和ATB-25上基层分离；从取出的芯样看，越到表面，裂缝的宽度越大，可推测为Top-Down裂缝；

4) 芯样④：芯样状况：面层和ATB-25上基层黏结较好，可将其整体取出。从取出的芯样看，越到表面，裂缝的宽度越大，可推测为top-down裂缝；

5) 芯样⑤：面层和ATB-25上基层黏结较好，可将其整体取出。从取出的芯样看，越到表面，裂缝的宽度越大，而且裂缝还未扩展到ATB-25上基层，可推测为top-down裂缝。

6) 芯样⑥：面层和ATB-25上基层分离。从取出的芯样看，越到表面，裂缝的宽度越大，裂缝已经扩展到ATB-25上基层，但相对面层的裂缝宽度明显较小。可推测为top-down裂缝。

7) 芯样⑦：取出的面层芯样裂缝宽度越到表面越小，可推测为半刚性水稳基层的反射裂缝。

通过以上钻芯取样的结果可以看出：采用柔性基层的试验路段横向裂缝均为top-down裂缝，而采用半刚性基层结构的生产路段横向裂缝均为反射裂缝；从芯样①看出：水稳半刚性基层由于环境恶劣，地区常年低温，风速大水分蒸发快，水稳半刚性材料在养生阶段强度增长缓慢，往往出现初期强度无法形成的现象。

结合多次裂缝观测数据，可知在该多年冻土区，因半刚性基层开裂而产生的横向裂缝是路面裂缝的主要类型，而复合式基层、柔性基层路面的横向裂缝均为top-down裂缝。分析其原因：主要由于地区气温较低，沥青面层中的平均温度低于其断裂温度，产生的拉应力超过了其抗拉强度，而导致沥青面层断裂。

3.2 弯沉检测及结果分析

通过采用贝克曼梁法对试验路段进行测试，在试验段K629+800～K634+200及试验段前后各1 km生产路段上每100 m布置一个测点，选择2015年3、7、9、12月份(对应多年冻土冻结、融化、饱雨、上冻状态)这4个时间点进行检测得到弯沉数据后经过处理得到代表弯沉Lr，如图5。

图5 弯沉检测结果对比Fig.5 Comparison of the deflection detection results

通过分析弯沉检测数据，可得出以下结论：

1) 在整个检测周期中，采用柔性基层路面结构路段的弯沉整体大于半刚性基层沥青路面，这是因为半刚性基层相对于柔性基层本身具就刚度大、承载力高的特点。4次检测中，3、12月路面弯沉与7、9月相比整体较小，这是因为7、9月处于当地高温多雨季节，路基处于解冻饱水状态，因此路基整体承载力降低；而3、12月路基处于低温冻结状态，道路整体结构的承载力因此较高；

2) 3、12月份道路处于初冻、冻结状态，各路面结构弯沉均处于较小值。通过各结构横向对比可知：土工格室对级配碎石具有束缚力，因此其弯沉比级配碎石段明显较小，说明土工格室有显著加固作用。2%水稳碎石试验段(K630+800～K632+000)和4%水稳碎石试验段(K629+800～K620+800)路面弯沉相差不大，由路面结构可知：4%水稳底基层厚度比2%水稳底基层大6 cm，然而实际施工时2%水稳底基层其施工效果明显好于后者，两者在刚度、承载力上无明显差异。生产路段由于其基层和底基层均为半刚性结构，因此其路面较其他结构承载大、弯沉小；

3) 7月份由于气温升高，地温升高，冻土路基出现融化，道路处于解冻状态，路面结构内含水率增高，路基承载力降低。分析数据看出水稳路段、生产路段和级配碎石路段的弯沉相差不大，其中水稳路段和生产路段由于路面结构排水性能差，导致结构内水分无法及时排出，使结构承载力下降，因此路面弯沉增大；而级配碎石路面结构由于其排水性能较好，因此路面弯沉变化不大。土工格室路面结构相比级配碎石段，由于格室在约束级配碎石的同时也阻碍了内部排水，导致出现积水使得结构承载力降低，弯沉最大；

4) 9月后，路基路面经过了该地区的雨季，雨水向路基路面结构的入渗进一步降低了各类路面结构的承载力。4%水稳底基层当雨水入渗时其承载力下降幅度大，路面弯沉显着增大；而土工格室加固级配碎石基层路面由于裂缝数量很少，路面结构整体性保持较好因此结构内入渗水较少承载力并没有明显减小，因此弯沉最小。

通过上述分析，结合路面病害调查综合对比，可以看出土工格室加固级配碎石基层结构保持了柔性基层良好的变形协调性，路面裂缝数量明显低于半刚性基层路面，且土工格室加固作用明显，一定程度上弥补了柔性基层路面结构承载力低的缺点，表现最优。

4 温度场模拟

通过使用FLAC3D建立路基路面整体模型[8]，模拟路基温度场，其边界条件和初始条件[9-10]如下：

4.1 上边界条件

(1)

4.2 模型右侧边界条件

模型中假设地基右侧边界热交换为0。

4.3 下边界条件

模型底部距天然地表以下20 m，地温变化幅度小，因此假设底部为恒温边界，取值-2.0 ℃。

4.4 模型初始条件

模型的温度初始条件选取为7月份温度值，由多年观测数据。路基填土的温度初始值设置为13 ℃。模型各层的材料参数参照实际工程来进行确定。

图6为两种路面结构下路面中心位置的温度分布。选择7月为代表月份，发现土工格室加固级配碎石基层结构路基的0 ℃冻结线在路基顶面以下5.2 m深处，而半刚性基层则在路基顶面以下5.33 m处，表明相对于半刚性基层，其结构更有利于多年冻土的稳定。

图6 两种结构的温度分布Fig.6 Temperature distribution of two structures

5 结 论

综合以上分析，笔者得出以下结论：

1) 调查青藏公路、川藏南线、川藏北线、滇藏公路和新藏公路，发现现有路面结构单一，以传统半刚性基层路面结构为主，而多年冻土退化是诱发路面病害的主要因素；

2) 调查发现虽然4种路面结构的设计均符合规范要求，但在实际环境中却表现各异。由此说明现行的路面设计理论并不能很好地适应于青藏高寒高海拔地区的特殊要求；

3) 柔性基层路面抵抗裂缝的能力明显优于半刚性基层路面，其中以土工格室加固级配碎石路面最优，半刚性基层生产路段裂缝主要以基层反射裂缝为主，柔性基层试验路段裂缝主要以top-down裂缝为主；

4) 柔性基层路面弯沉整体大于半刚性基层路面，采用土工格室加固级配碎石后弯沉明显减小，加固作用显著；

5) 通过模拟发现土工格室柔性基层结构更利于多年冻土的保护。综合调查及分析结果表明：这4种新型路面结构中土工格室加固级配碎石段表现最优对该地区具有更好的适应性。

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(责任编辑：刘 韬)

Adaptability of Pavement Typical Structure in High Altitude Cold Area

MAO Xuesong，HUANG Zhe，ZHU Fengjie

(College of Highway，Chang’an University，Xi’an 710064，Shaanxi，P.R.China)

The pavement structure directly affects the road performance，and the high altitude and the low temperature climate are the key factors to affect the pavement structure.The existing pavement structure types of Tibet area were summarized through the investigation and analysis.K2876～K3595 section was selected as a typical section and its pavement disease types were analyzed.Based on the “Gong-Yu Highway” project，the field research on the test road was carried out by adopting four new types of pavement structures；and the temperature field simulation was also carried out.The results of the study show that：compared with the semi-rigid base pavement structures，the flexible base pavement structures have better adaptability in high altitude cold area，among which the pavement structure with the reinforced and graded crushed stone base performs best.

road engineering；frozen soil area；pavement structure；adaptability analysis

10.3969/j.issn.1674-0696.2017.08.05

2016-04-25；

2016-09-12

毛雪松(1976—)，女，吉林延边人，教授，博士生导师，主要从事路基、路面工程方面的研究。E-mail：15094011530@qq.com。

黄 喆(1992—)，男，河南三门峡人，硕士研究生，主要从事路基、路面工程方面的研究。E-mail：inebula@foxmail.com。

U416.22

A

1674-0696(2017)08-023-07