沙漠地区高速公路大温差环境下沥青路面设计方案研究

苏彤毅

（宁夏公路勘察设计院有限责任公司，宁夏 银川 750001）

0 引言

基于现阶段宁夏地区乃至全国地区缺乏沙漠腹地高速公路设计、施工等一系列技术研究和经验的现状，依托乌玛高速，在绿色生态理念的基础上，探索和研究影响沙漠高速公路沥青路面寿命的因素和指标，并进行沙漠高速公路沥青路面结构及材料研究，加快沙漠地区公路建设、优化路网结构、提高工程质量、确保运营安全、保护生态环境。

1 研究目标

相较普通地区，更加极端的自然环境和筑路条件是目前沙漠高速公路设计及后期施工存在的技术难点，需要首先考虑。沙漠地区日照时间相比普通地区更长，降水稀少，昼夜温差悬殊，不同季节的温差也有极大不同，夏季炎热干旱，冬季干燥严寒，再加上沙漠地区高强度紫外线，会加速沥青路面的老化，引发路面开裂等病害，而在温度应力的作用下产生裂缝则多发于寒冷的冬季，路面在重载作用下出现车辙、泛油等病害的频率增加。这些严峻的自然环境对沙漠高速公路设计提出了更高的要求，如何使沥青路面结构在经济的前提下满足沙漠地区的路用性能，是沙漠高速公路设计的重点任务。

2 研究方法及内容

2.1 宁夏沙漠地区气候环境特征及路面状况调查

首先，通过对宁夏沙漠地区的地形气候环境特点进行调查分析可知：

宁夏沙漠地区属于西北干旱带，地处中温带干旱气候区，降水量少蒸发强烈；冬冷夏热，昼夜温差较大；日照时间长，紫外线辐射强。

其次，通过对宁夏地区的交通状况和轴载的调查研究可知：

区域内高速公路干线，国道和省道的交通量大；局部煤炭丰富地区重载车辆多；许多主要高速累计交通量标准轴载、累计当量轴次均达到了重交通的设计等级；在设计路面结构时要合理制订路面各层厚度，以满足重载交通的需求。

最后，通过对宁夏地区的沥青路面病害调查研究分析得出：

宁夏北部地区和中部地区的沥青路面的主要病害类型为裂缝，以横向裂缝为主，纵向裂缝次之，部分路面有凹陷和局部网裂；宁夏南部山区沥青路面主要病害类型为裂缝和水损害。

2.2 初拟宁夏沙漠地区沥青路面结构及模拟计算分析

2.2.1 现场调查

该项目依托工程为乌玛高速中卫段。乌玛高速地处腾格里沙漠腹地，自然环境极其恶劣，年降雨量不到300mm，蒸发量却高达1500mm，气候温差大，日温差最高可达40℃，风沙频繁，年起风沙次数超过300 次。

2.2.2 路面结构设计思路

沙漠段大温差环境下，无机结合料稳定类结构层的开裂难以根治。通过优化路面结构组合设计，采用粒料类、沥青结合料类柔性基层，一方面可以利用粒料类达到消散应力、消解应变的作用，另一方面可以通过设置大碎石沥青混合料，依靠大粒径、多空隙结构较大的塑性变形能力，充分吸收接缝释放的应变能，以防止反射裂缝向上延伸，保证沥青路面良好的长期使用性能。

2.2.3 路面结构组合设计方案

综合乌玛高速沿线所处腾格里沙漠的地理位置、气候特征和自然气象环境特点，并结合乌玛高速现场裂缝的调查情况、宁夏地区常用路面结构类型、宁夏地区沥青路面常见病害类型和大温差环境下沥青路面的理论及研究成果，提出三种新型沥青路面结构组合设计方案：级配碎石（柔性）基层路面、基层顶面设置应力吸收层、大碎石沥青混合料柔性基层路面（见表1）。

表1 路面结构组合设计方案

综上所述，根据对三种初拟路面结构的交通组成及设计指标验算和路面结构层厚度验算，结果证明初拟的三种路面结构均满足《公路沥青路面设计规范》（JTG D50—2017）中相关设计指标的要求，初拟路面结构是可行的。

2.3 室内主要试验方案

室内试验主要包括：级配碎石（柔性）基层路面室内试验、大碎石沥青混合料柔性基层路面室内试验。

2.3.1 级配碎石（柔性）基层路面室内试验

国内关于级配碎石（柔性）基层路面级配碎石的厚度已经有了推荐值，碎石层回弹模量的需求通过常规施工技术也可以实现。但采用连续型级配却忽视了间断级配可以提供更好的骨架。

碎石的级配直接影响结构层的性能是否优良。室内试验设计了不同级配类型级配碎石，试验得到级配碎石抗剪强度、回弹模量、CBR 值等，分析不同级配类型的级配碎石力学性能优势。同时，此次室内试验通过优化碎石级配，在保证级配碎石抗剪强度、CBR等力学性能的前提下，增加级配碎石层的模量，进而提高沥青层疲劳开裂对应的累计当量轴次，以提升级配碎石（柔性）基层路面的耐久性。

2.3.2 大碎石沥青混合料柔性基层路面室内试验

大碎石沥青混合料在受到剪切荷载时，剪切变形小，强度高。室内试验中按照最大公称粒径31.5mm，采用不同空隙率的混合料级配，分析力学性能和耐久性。在保证沥青层耐久性的前提下，且具有良好的抗反射裂缝能力，以适用于沙漠公路沥青路面的柔性基层。

2.4 试验段路面铺筑方案

选取乌海至玛沁公路青铜峡至中卫段工程A9 标段K160+700～K161+700 作为试验段。试验段上行K160+700～K161+200 铺筑方案二（基层顶面设置2cm 应力吸收层），试验段下行K160+700～K161+200铺筑方案一（级配碎石（柔性）基层路面），试验段下行K161+200～K161+700 铺筑方案三（大碎石沥青混合料柔性基层路面），与上行K161+200～K161+700 原设计方案形成对比（见图1）。

图1 试验段铺筑方案图

2.5 长期性能观测方案

路面长期性能涉及功能性、结构承载力和耐久性等多个方面，主要体现在交通荷载、自然环境耦合作用下的路面性能变化规律，如路表磨耗、结构损伤与材料损伤等，具有复杂性与漫长性。

2.5.1 观测目标

近期：监测不同路面结构类型在车辆荷载作用下的力学响应，验证不同路面结构抵抗反射裂缝的应力分布状况。

远期：针对不同路面结构开展长期性能观测，分析和实时掌握路面结构和材料的长期响应，预估路面结构和材料的长期性能演变机理和发展规律，以期建立沙漠公路长期性能预测模型。

2.5.2 观测方案

利用自动弯沉车检测不同路面结构的弯沉变化，并在试验段埋设横、纵向应变传感器、温度传感器、土压力计、竖向应变传感器。重点观测路表弯沉、沥青层底拉应变、沥青层底拉应力、半刚性底基层层底拉应变、半刚性底基层层底拉应力、路基顶面竖向变形、沥青层最大剪应力、级配碎石层最大剪应力。

2.6 各方案路面结构特点、作用及注意事项

2.6.1 原设计方案属于半刚性基层沥青路面结构，可通过适当加厚沥青层的办法延缓半刚性沥青路面早期病害问题。半刚性路面结构应该将半刚性基层、底基层设置为一层和二层，厚度取值范围分别在18～20cm 和34～36cm 这个区间。施工时要求精确控制粉煤灰、水泥掺量和水泥稳定碎石级配，严格控制基层强度（模量），尤其是高温状态下，当基层强度（模量）有可能远大于面层时，须提高面层材料的抗剪和抗压强度，如改用双层改性沥青、优质路面集料或增加面层厚度等。

2.6.2 比选方案一：通过采用级配碎石过渡层来加强路面结构内部排水和减缓半刚性基层反射裂缝的发生，而半刚性底基层作为承载平台，起到保护路基稳定性的作用。但倒装式结构可能使其过渡层结构整体承载力下降，同时考虑到级配碎石强度较低，因此可适当加厚顶面沥青层的厚度，以便减小传递给它的应力，该方案在工程经济上有一定优势。

2.6.3 比选方案二：在面层和基层之间设置了应力吸收层，它的存在使得改性沥青层有更强的吸收应力的能力，能够吸收裂缝部位的应力集中，防止沥青路面形成反射裂缝。该方案性价比较高，经试验观测后，在工程预算允许的条件下优先采用该方案。

2.6.4 比选方案三：一方面多空隙结构可有效地阻断裂缝尖端的扩展路径，削弱拉应力、拉应变的传递能力，消散、吸收交通荷载及温度变化所产生的荷载应力和温度应力；另一方面，大粒径、多空隙结构具有较大的塑性变形能力，可充分吸收接缝释放的应变能，减小接缝处应力集中现象，缓解反射裂缝向上扩展的速度。该方案造价偏高，但对于有效解决半刚性基层沥青路面的反射裂缝问题效果最好，从而可大大提高沥青路面的使用寿命，可应用于重载和极重载交通且工程预算充足的项目上。

3 结语

综上所述，结合宁夏沙漠地区属于西北干旱带，地处中温带干旱气候区，降水量少蒸发强烈；冬冷夏热，昼夜温差较大；日照时间长，紫外线辐射的特点，在大温差环境下研究结果表明：三种沥青路面结构性能均符合相关规范要求，同时进一步验证了路面结构的合理性，在保证经济节约的前提下，为沥青路面结构在沙漠高速公路中的应用提供了技术依据和支撑。