广东省沥青路面不均匀沉降应力分析

卫小凯

（新疆交通建设（集团）有限责任公司，新疆 乌鲁木齐 830016）

0 引言

随着我国现代化建设的不断推进，高速公路的负荷也越来越大，并且超载现象频频发生，使得高等级沥青混凝土路面损害非常严重，对行车造成了安全隐患[1]。目前，国内外研究沥青路面不均匀沉降的现状主要为建立数学模型，采用有限元法进行分析。本文从我国现有部分高速公路的路面结构出发，讨论了沥青路面结构沉降现状，并分析得到了最优的路面结构和厚度，对沥青路面不均匀沉降进行了应力分析，提出了降低高速公路沥青路面不均匀沉降损害的措施。笔者建立了沥青路面沉降的有限元法计算模型并利用数值软件进行分析，为沥青路面结构的设计和施工提供了一定依据。

1 不均匀沉降的现状

随着我国现代化建设的不断推进，高速公路里程逐年增加，截止到2013年已达到9.6万km，居世界前列。其中，超过90%的高速公路采用半刚性沥青路面。表1为我国广东省部分干线高速公路的面层结构、基层结构、结构厚度、通车年份，路面状况等信息[2-3]。

表1 我国广东省部分高速路面结构概况

表1（续）

沥青路面的不均匀沉降主要出现在软土基结合处，严重的沉降还会使路面出现一个错台，如果不及时处理就会产生板块断裂和裂缝加剧。研究表明，沥青路面不均匀沉降的原因主要有[4]：（1）高速公路里程较长、施工单位的不同、新老路段的交替、路基地质条件差均能导致路面产生沉降性差异；（2）道路施工过程中没有将沥青路面压实到位，填筑速率过快，新修建的沥青路面具有可塑性，经载荷作用一段时间后会发生大规模的不均匀沉降；（3）高等级公路往往交通量大，路面受到较大的车辆载荷作用，强度和刚度一直下降，引起路面不均匀沉降，不均匀沉降导致路面出现错台，增大行车阻力。

2 不均匀沉降应力分析

沥青路面沉降由地基自身重力沉降和车辆载荷附加应力沉降两部分组成，路基在它们共同的作用下开始沉降，经历瞬时沉降、主固结沉降、固结沉降三个部分，分别用Si、Sc、Ss表示，如图1所示。

图1 沥青路面随时间沉降示意图

为了更好地对沥青路面不均匀沉降进行分析，依据我国设计规范的相关要求，结合广东省部分高速路面结构概况，确定了四种沥青路面结构进行数值实验分析。四种沥青路面的结构组成，如表2所示。

表2 四种试验路面结构概况

4种结构垫层均为15cm未筛分碎石，可以起到有效排除路基结构中的自由水，改善路面结构的湿度的作用。结构1、2、4的基层均为水稳碎石分层，起到了增加路面强度和抗疲劳的作用。经试验研究和计算，得到了四种结构路面不均匀沉降的情况（见图2）。

图2 4种结构不均匀沉降情况

由图2可知，结构1的不均匀沉降量最大，为4.8cm；结构3的不均匀沉降量最小为2.5cm，主要是由于结构3的柔性基层较厚。不均匀沉降会使路面出现一个错台，如不及时处理就会产生板块断裂和裂缝加大，致使路面损害加剧，因此，对沥青路面不均匀沉降进行有限元法应力分析具有重要的意义。以结构3为例进行应力分析，4cm细粒沥青混凝土的弹性模量为2 000MPa，5cm中粒沥青混凝土的弹性模量为1 800MPa，12cm沥青碎石的弹性模量为1 400MPa，22cm水稳碎石的弹性模量为1 300MPa，30cm级配碎石的弹性模量为250MPa，15cm未筛分碎石的弹性模量为180MPa。经ANSYS有限元法软件分析，该结构面层处于受压状态，下基层处于受压状态，不均匀沉降量取4cm、6cm、8cm、10cm下的应力情况见图3，施加位移载荷后的附加应力分析见图4。

图3 结构不均匀沉降应力分析

图4 施加位移载荷后的应力分析

3 不均匀沉降应对措施

在修建高速公路时，经常受工期紧张、施工单位不同、地质条件差异较大、施工条件复杂等因素影响。目前，从处理高速公路不均匀沉降的方法来看，主要有轻质材料法、排水固结法、复合地基法等[5]。对于沥青路面的不均匀沉降，主要应对措施包含以下方面[3-5]。

（1）在结合处开挖台阶，以便于为不同段的路基提供更多的接触面积，使沉降均匀化。

（2）提高沥青路面路基的填土压实度，采用大型机械进行反复压实，施工死角也要用小型机械填筑压实。

（3）选用4cm细粒沥青混凝土、5cm中粒沥青混凝土做面层，12cm沥青碎石、22cm水稳碎石、30cm级配碎石作基层，15cm未筛分碎石做垫层的路面结构，经有限元分析这种结构的沉降量最小。

（4）高速公路的交通量非常大，路面受到较大的车辆载荷作用，强度和刚度一直下降，引起路面不均匀沉降，因此，管理单位要严格控制超限超载车辆，以免对路面造成损害。

4 结语

以高速公路沥青路面不均匀沉降的为研究对象，笔者统计了广东省部分高速公路的路基结构和损害情况，分析了沥青路面产生不均匀沉降主要为地质差异、材料差异、压实度不同等原因。从我国部分现有高速的路面结构出发，讨论了沥青路面结构沉降现状，并分析得到了最优的路面结构和厚度，对沥青路面不均匀沉降进行了应力分析，提出了降低高速公路沥青路面不均匀沉降损害的措施。试验结果表明，选用4cm细粒沥青混凝土、5cm中粒沥青混凝土作面层，12cm沥青碎石、22cm水稳碎石、30cm级配碎石作基层，15cm未筛分碎石作垫层的路面结构，经有限元分析此结构的沉降量最小。希望为今后城市道路结合处的设计和损害处理提供参考。

[1]沙庆林.高速公路沥青路面早期破坏现象及预防（2版）[M].北京：人民交通出版社，2007.

[2]高文武.软土地区沥青路面结构设计方法研究[D].重庆：重庆交通大学，2010.

[3]陈冠雄，黄国宣.广东省高速公路软基处理实用技术[M].北京：人民交通出版社，2005.

[4]崔鹏，邵敏华，孙立军.长寿命沥青路面设计指标研究[J].交通工程运输学报，2008，8（3）：37-42.

[5]JTG D50—2006，公路沥青路面设计规范[S].