山区重交通抗车辙路面结构优化研究

封喜波

（密涿高速公路廊坊建设管理处 廊坊 065000）

1 基于层位分工的材料与结构一体化设计方法

重交通给沥青路面带来了严峻考验，部分道路路面达不到设计使用年限，尤其是在山区长大纵坡路段，通车后不久就出现严重的车辙、泛油、拥包、波浪、推移等病害，使路面使用寿命大大缩短，路面使用性能衰减加快，给社会及运输部门造成较大的经济损失。

1.1 层位分工理论

所谓层位分工，是指根据沥青路面各结构层在结构性使用性能（抗车辙性能、抗疲劳、抗低温缩裂、抗水损害、抗老化性能）和功能性使用性能（平整舒适性、抗滑性能）2个方面的分工，研究沥青路面各层间受力特点和力学功能分工，更好地进行结构层计算，对材料和结构层的厚度要求进行总结［1］。

根据半刚性沥青路面层位分工功能，应用国内外最新的材料设计方法，开发新的适合于层位分工的半刚性路面材料，将抗车辙性能合适的材料放到合适的层位，使得材料各尽所能，建立适用于山区重交通道路的路面结构、材料一体化设计的方法，使得半刚性基层沥青路面能够更加适应重交通荷载，最终达到设计使用寿命。

1.2 结构层厚度的确定

（1）无坡路段根据我国现行沥青路面设计规范中所要求的半刚性基层最小施工厚度［2］，考虑到路面的经济性，确定无坡路段二级公路路面基层厚度宜为20～22cm，一级公路可取35～40cm。

（2）将半刚性基层下放，在其上铺筑沥青碎石下面层可大大改善路面的力学性能，对于延长半刚性基层沥青路面寿命具有重要作用。为确定半刚性基层路面中适宜的沥青碎石下面层厚度，分别取值为10，12，15，18，20cm进行力学指标计算，见表1。从受力角度而言，一级公路沥青碎石层下面层厚度宜为12～15cm，但对于二级公路，考虑到经济性可适当减薄至8～10cm。

表1 沥青碎石作为上基层的力学计算结果

（3）根据时温等效关系，使用公路路面设计程序系统（HPDS2003）进行路面基层厚度的设计。经过设计弯沉和容许拉应力验算得出在无坡路段基层取15cm最小设计厚度就能满足要求，但对有坡路段，随着坡度的增加半刚性基层层厚也增加，不过增大幅度不大，从计算结果看，有坡路段应适当增加半刚性基层的厚度至20cm，见表2。

表2 山区公路纵坡段推荐半刚性基层最小厚度

2 基于三维有限元的路面结构受力分析

为了更好地总结规律，应用Bisar程序进行路面力学分析。根据5种路面结构形式计算得到的大量数据，分析路面在不同坡度、不同层间接触状态、不同重载交通下的受力特点，5种路面结构形式见表3。

研究路面纵坡坡度对路面各结构层的受力影响，应该根据沥青混合料的粘弹性性质和载重货车车速下降而引起作用时间延长来进行，对以上5种典型路面结构分别计算在不同坡度条件（0，3%，6%，9%），不同轴重条件（100，140，180，220，260，300kN），不同层间条件（连续，光滑）以及有无掺车辙剂下的路表最大弯沉、各结构层内的最大剪应力和最大拉应力值。

表3 计算采用的路面结构形式

通过计算，5种路面结构的力学和抗车辙性能排序为：路面结构4、路面结构2、路面结构1、路面结构3，路面结构5最差。

3 半刚性沥青路面材料和结构技术要求

3.1 沥青混合料技术要求

根据路面层位分工要求，综合考虑各结构层的特性及功能，提出山区干线重交通沥青路面沥青混合料高温性能指标以及柔性基层沥青混合料材料选择要求，在此基础上提出山区重交通道路半刚性沥青路面推荐结构，见表4。

表4 山区重交通抗车辙路面结构和材料设计一体化推荐结构

3.2 层间粘结层技术要求

研究结果表明，粘结状态良好时，面层能够很好地将路面荷载传递给基层，连续状态不好的情况下，路面的内部应力开始复杂化，所以应重视沥青面层和基层的粘结状态［3］。在重载和超载车辆作用下山区公路不同程度地出现路面滑移现象，因此需加强层间粘结效果，具体措施如下：

（1）为了封闭基层表面，防止水分渗入基层，增强基层与面层之间的粘结，在基层顶面设置沥青粘结防水下封层。

（2）半刚性基层层间喷洒适量水泥稀浆，保证层间结合紧密。

（3）在沥青面层中上面层之间喷洒2.1～2.3 kg／m2SBS改性沥青粘结防水层。

（4）为加强中下面层之间粘结，喷洒0.3～0.6L／m2快裂型乳化沥青粘层。

3.3 半刚性基层性能改善措施

按照国内外半刚性材料的使用经验，可采取基层层间施工改善、基层预开裂、路基顶面的处理等措施。另外，为了使底基层与路基形成一个整体，在进行底基层施工之前，将路基顶面采用改进的带凸块的羊角辗碾压，使土基表面密布一个个凹坑，底基层与基层之间的接触面相互啮合，可增加层间粘结。

4 结语

提出了以路面结构层位分工为基础、以材料性能试验为依据的山区重交通抗车辙的路面结构设计及材料设计一体化方法，运用有限元软件对路面结构进行数值模拟，分析了路面结构在重载交通、层间接触状态、纵坡等不同道路环境条件下的沥青路面结构应力状态，通过实测材料参数对不同工况下路面结构的力学指标进行验算，提出了山区重交通沥青路面各功能层的性能控制指标及抗车辙路面的典型结构形式。

［1］杨 军，崔 娟，万 军，等.基于结构层贡献率的沥青路面抗车辙措施［J］.东南大学学报，2007，37（2）：350－354.

［2］JTG F40－2004公路沥青路面施工技术规范［S］.北京：人民交通出版社，2004.

［3］吴瑞麟，石立万，余海洋，等.影响沥青路面全厚度车辙关键因素的试验研究［J］.武汉理工大学学报，2008，30（1）：58－61.

［4］王 辉，李雪连，张起森.高温重载作用下沥青路面车辙研究［J］.土木工程学报，2009，42（5）：139－144.