長壽命瀝青混凝土路面的設(shè)計

長壽命瀝青混凝土路面的設(shè)計

隨著經(jīng)濟的發(fā)展，對道路和道路的要求越來越高。大交通量、重載使得許多路面達不到設(shè)計年限就出現(xiàn)了較為嚴重的損壞,而不得不進行大修。這不僅增加了道路修建成本,路面大修造成的道路擁擠及堵塞也大大增加了用戶的使用費用。為提高路面在壽命周期內(nèi)的費用效益比,從20世紀末開始,歐美國家的道路工作者提出了長壽命瀝青混凝土路面(Long-LifeAsphaltPavement),也被稱為永久性瀝青混凝土路面,目前已成為世界各國瀝青混凝土路面較為關(guān)注的研究內(nèi)容。長壽命瀝青混凝土路面具有以下特點:(1)在總費用上,其初期修建費用很高,日常養(yǎng)護費用較少,總費用效益比較大;(2)在設(shè)計年限上,要遠長于一般路面,至少為40年;(3)在損壞模式上,其路面的損壞只發(fā)生在表面層,如表面開裂,不存在結(jié)構(gòu)性破壞;(4)在養(yǎng)護維修上,其只需要日常養(yǎng)護,通過對表面層的銑刨、加鋪等來保持路面的平整度、抗滑等使用功能,不需要進行結(jié)構(gòu)性大修。從國外的研究及使用情況來看,長壽命瀝青混凝土路面均采用瀝青混凝土層厚度較大的柔性路面,包括瀝青混凝土面層和瀝青穩(wěn)定料的聯(lián)接層在內(nèi),瀝青混凝土層總厚度一般在18～23cm以上。較厚的瀝青混凝土層減少了傳統(tǒng)瀝青混凝土路面層底開裂和結(jié)構(gòu)性車轍,使得路面的損壞僅限于路面頂部2.5～10cm范圍以內(nèi),在較長的使用時期內(nèi),只需要定期進行表面的銑刨和罩面修復(fù),而不需要進行結(jié)構(gòu)性的大修。長壽命瀝青混凝土路面的設(shè)計方法認為,由于瀝青混合料疲勞極限的存在,當瀝青混凝土層厚度較大時,瀝青混凝土層底彎拉應(yīng)變就低于對應(yīng)的疲勞極限應(yīng)變值,可以避免層底出現(xiàn)彎拉疲勞破壞。同時,較厚的瀝青混凝土結(jié)構(gòu)層使得土基頂面的壓應(yīng)變也會足夠小,從而避免結(jié)構(gòu)性車轍的出現(xiàn)。從實際使用情況來看,英、美等國的一些重交通路段,已經(jīng)成功使用了40甚至50年而沒有出現(xiàn)結(jié)構(gòu)性破壞,證明了這一設(shè)計方法的正確性。我國目前廣泛采用半剛性基層瀝青混凝土路面,一般設(shè)計壽命為10～15年。當?shù)竭_設(shè)計壽命時,半剛性基層由于疲勞破壞而碎裂并導(dǎo)致瀝青混凝土面層破壞,需要進行結(jié)構(gòu)性大修。由于大修時需要基層和面層一起進行重建,不僅投資大,而且周期長,對通行車輛影響大。從壽命周期費用分析的角度來看,這顯然是非常不經(jīng)濟的。能否克服半剛性基層瀝青混凝土路面的缺點,修建長壽命的半剛性基層瀝青混凝土路面,在我國進行大規(guī)模公路建設(shè)的今天,成為我們需要十分重視的一個研究內(nèi)容。1瀝青混凝土路面使用情況我國目前已建成高速公路達到4.2萬km,其中絕大部分采用了半剛性基層瀝青混凝土路面。從使用情況來看,有不少路段在未達到設(shè)計使用壽命之前就出現(xiàn)了較為嚴重的破壞。通過對已建成的若干高等級公路路面狀況的調(diào)查,半剛性基層瀝青混凝土路面的主要病害有以下幾個主要方面。1.1荷載型裂縫半剛性基層裂縫是瀝青混凝土類路面的一大主要病害,可以大致分為荷載型和非荷載型兩大類。荷載型裂縫主要由行車荷載作用產(chǎn)生,常發(fā)展為較寬的網(wǎng)狀裂縫或龜裂,并伴隨車轍或沉陷,是路面結(jié)構(gòu)強度不能滿足交通狀況的表現(xiàn)。如果瀝青混凝土路面運營早期出現(xiàn)較多的荷載型裂縫,則反映出結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理或施工質(zhì)量較差。對于半剛性基層瀝青混凝土路面來說,基層的反射裂縫是造成路面開裂的一個重要原因。特別是在車輛荷載的反復(fù)作用下,半剛性基層往往會首先出現(xiàn)疲勞開裂,嚴重的甚至?xí)榱殉尚K,從而導(dǎo)致上面的瀝青混凝土面層開裂。1.2瀝青混凝土透水材料組成設(shè)計隨著高速公路建設(shè)的發(fā)展,以往在我國并不被重視的車轍問題日益突出。目前,已有一些通車僅2～3年的高速公路,出現(xiàn)了較嚴重的車轍。一般認為,柔性路面的車轍與路面各結(jié)構(gòu)層及路基的抗變形能力有關(guān),而半剛性基層瀝青混凝土路面的車轍,主要取決于瀝青混凝土面層的高溫穩(wěn)定性,需要在瀝青混合料的材料組成設(shè)計上深入研究。同時,力學(xué)計算表明,由于半剛性基層模量較大,使得其上的瀝青混凝土面層受到的剪應(yīng)力增大,也是導(dǎo)致路面車轍的一個原因。1.3軟土地基、路基壓實度不足,發(fā)生不均勻沉陷路面出現(xiàn)不均勻沉陷的現(xiàn)象,是我國高速公路建設(shè)開始以來逐漸突出的一個病害。由于在平原區(qū)路基填土高度較高,在山嶺區(qū)又多大挖大填,所以容易在軟土地基或路基壓實度不足的路段出現(xiàn)不均勻沉陷。前者由于堆載預(yù)壓時間不足或處理效果不理想,在鋪筑路面和開放交通以后,軟土地基繼續(xù)沉陷,導(dǎo)致路面出現(xiàn)較大起伏或結(jié)構(gòu)性破壞;后者由于路基壓實度不足,產(chǎn)生不均勻沉陷,導(dǎo)致路面在較大面積上出現(xiàn)縱、橫向不平整和大量開裂。1.4路基沉降、鋪設(shè)無砂透膜引起高等級公路瀝青混凝土路面平整度較快變差的原因是多方面的,如路基不均勻沉降、面層熱穩(wěn)定性不足產(chǎn)生推擠和擁包、面層或基層施工水平較低導(dǎo)致材料或厚度存在較大變異性等。對于通車時間較長的路面來說,較為嚴重的路面開裂則是影響平整度的主要原因。2試驗路和工程管理費用及相關(guān)問題對瀝青混凝土基在我國已建成的許多高速公路中,雖然有不少因為早期破壞而達不到設(shè)計壽命就進行了大修,但也有一些半剛性基層瀝青混凝土路面使用了較長時間而仍然保持較好的結(jié)構(gòu)性能。如京津塘高速公路、西安～三原(西三)一級公路等,都在其設(shè)計使用壽命周期內(nèi)保持了良好的路用性能。這里以“七五”攻關(guān)項目修建的西三試驗路進行分析。西三試驗路建成于1989年,位于西三一級公路(后改為高速公路)K23+640～K25+755左半幅。西三線設(shè)計交通量為16273輛/d,換算成設(shè)計年限內(nèi)一個車道上累計軸載為5.422×106次,容許彎沉為0.50mm(按當時設(shè)計規(guī)范,按現(xiàn)行設(shè)計彎沉值計算應(yīng)為0.27mm)。試驗路共20小段,路基模量用承載板法測定在65～130MPa之間。結(jié)合我國目前高等級公路瀝青混凝土路面的普遍結(jié)構(gòu)形式,選取其中第2、8、9、16號4個小段以及一段實際生產(chǎn)路段(K26+750～K27+750左半幅)進行研究。路面結(jié)構(gòu)如圖1所示。試驗路段中瀝青混凝土表面層采用LH-20I型級配,粗粒式下(中)面層為LH-30,瀝青碎石采用AM-30。生產(chǎn)路段面層采用新加坡殼牌瀝青,基層采用二灰穩(wěn)定砂礫,底基層采用二灰土。各觀測路段半剛性基層材料厚度為40～64cm(包括二灰土墊層在內(nèi));瀝青混凝土面層的厚度為9～15cm;路基設(shè)計模量值為31.5MPa。各觀測路段的路面彎沉、裂縫率以及車轍如圖2～圖4所示。對K23+600～K25+800的歷年(1991年～2000年)平整度檢測,連續(xù)式平整度儀的均方差均在2以下。由以上檢測資料可以看出,這些路段都具有較好的使用性能。到2004年,西三高速公路已經(jīng)達到了15年的設(shè)計使用壽命。根據(jù)收費站的統(tǒng)計值,計算出累計作用當量軸次已接近設(shè)計值,如果考慮到車輛的超載,則應(yīng)當超過了設(shè)計值。在2004年的檢測中,平整度除了設(shè)置級配碎石層的試驗路段(圖5)外,其余路段仍保持了較好的平整度。路面開裂情況同樣是除了設(shè)置級配碎石層的試驗路段和生產(chǎn)路段外,其余路段開裂率均未超過2%。設(shè)置級配碎石的路段開裂嚴重的原因,經(jīng)分析一是與其級配較差有關(guān),使其不但未能達到減緩反射裂縫的目的,反而因為級配碎石的松散導(dǎo)致瀝青混凝土面層開裂嚴重;二是由于級配碎石上的瀝青混凝土面層較薄,在行車荷載作用下容易出現(xiàn)疲勞破壞。生產(chǎn)路段路面在使用期末路面開裂較為嚴重,其中觀測路段(K26+750～K27+750左幅)的路面開裂率達到了4.97%。其原因主要是由于基層開裂(碎裂)所致,局部甚至出現(xiàn)了坑槽,使路面的平整度下降。3半剛性基層瀝青混凝土路面使用壽命原因半剛性基層具有較大的強度與剛度、較好的水穩(wěn)性與抗凍性以及對材料的質(zhì)量要求較低等優(yōu)點,但同時也存在材料收縮系數(shù)較大、抗變形能力較低、透水性差、細料易被沖刷、開裂后不能愈合以及在使用中強度與模量會不斷衰減等缺點。由此導(dǎo)致半剛性基層瀝青混凝土路面裂縫難以解決、路面內(nèi)排水困難、對重載交通敏感性大、路面破壞后無愈合能力且維修困難?？梢哉f,半剛性基層的強度衰減和疲勞破壞,決定了這類瀝青混凝土路面的使用壽命。從西三線觀測路段及全國的公路建設(shè)和使用情況來看,要延長半剛性基層瀝青混凝土路面的使用壽命,須從設(shè)計、施工和養(yǎng)護3個方面采取措施。3.1路面結(jié)構(gòu)設(shè)計半剛性基層瀝青混凝土路面的損壞可以分為兩個階段:半剛性基層的疲勞損壞階段和瀝青混凝土面層的疲勞損壞階段。并且當基層出現(xiàn)疲勞損壞后,瀝青混凝土面層的疲勞壽命是十分短暫的。當基層開裂后,裂縫反射至瀝青混凝土面層形成所謂的反射裂縫。在裂縫處,路面結(jié)構(gòu)受力惡化,并且由于水分從裂縫的進入,使基層材料碎裂甚至松散,最終導(dǎo)致路面結(jié)構(gòu)整體破壞。因此,在半剛性基層瀝青混凝土路面設(shè)計時,首先應(yīng)考慮到基層的開裂對路面使用壽命的影響。由于半剛性材料的特點,單純從材料角度是無法有效地解決其開裂問題的。所以,要實現(xiàn)長壽命半剛性基層瀝青混凝土路面的長效功能,主要應(yīng)從路面結(jié)構(gòu)設(shè)計上采取措施。首先,要合理確定路面的臨界破壞狀態(tài)。我國目前的瀝青混凝土路面設(shè)計方法中對于路面的臨界破壞狀態(tài)定義為:路面無明顯變形,有較多縱橫向裂紋或局部網(wǎng)裂。而此時作為路面主要承重層的半剛性基層,實際上已經(jīng)完全開裂了,這樣即使路面達到了設(shè)計使用壽命,由于路面已經(jīng)出現(xiàn)了結(jié)構(gòu)性破壞,其使用壽命也很難再延長,這與國外的長壽命瀝青混凝土路面的設(shè)計理念剛好相反。所以西三線盡管在其設(shè)計壽命周期內(nèi)保持了較好的路面使用性能,但當達到使用壽命時也出現(xiàn)了結(jié)構(gòu)的破壞,其路面大修也不得不是“開膛破肚”式的。因此,要得到長壽命的半剛性基層瀝青混凝土路面,必須改變這種路面設(shè)計的臨界破壞狀態(tài)。一是可以考慮半剛性基層在其使用過程中完全不出現(xiàn)破壞,其強度、模量等不會發(fā)生衰減。這樣就需要加大瀝青混凝土面層厚度,以使基層所受到的彎拉疲勞應(yīng)力大大降低,以致不會出現(xiàn)疲勞破壞,同時還要解決半剛性基層材料的收縮開裂、基層的防水等一系列問題,所以這種方法實現(xiàn)起來有一定困難。另一種方法就是在設(shè)計時就將半剛性基層視為已經(jīng)完全開裂,其強度、模量值等參數(shù)也取為開裂后的數(shù)值進行設(shè)計。這樣做雖然不能充分利用半剛性基層的強度,但當半剛性基層破壞后,路面的設(shè)計承載能力不會降低,其結(jié)構(gòu)性能仍能滿足較長時間的使用要求,可以實現(xiàn)較長的使用壽命。其次,在路面結(jié)構(gòu)組合設(shè)計上也可以采取一些措施,來避免或減緩反射裂縫的發(fā)生?？梢栽O(shè)置應(yīng)力消減層,如橡膠瀝青封層、土工格柵等,在半剛性基層頂面鋪設(shè)級配碎石過渡層,采用混合式基層(半剛性基層上面加鋪瀝青碎石層)以及加厚瀝青混凝土面層,以減緩基層開裂對瀝青混凝土面層的影響,使路面在較長時期內(nèi)保持良好的路用性能。3.2路面施工質(zhì)量質(zhì)量是工程建設(shè)永恒的主題,路面的施工質(zhì)量對其使用壽命的影響更是顯而易見。沒有施工質(zhì)量的保證,再好的設(shè)計也無法實現(xiàn)。西三高速公路之所以能夠以優(yōu)良的使用性能達到15年的設(shè)計使用壽命,與其獲得國家工程質(zhì)量銀獎的優(yōu)良工程質(zhì)量密不可分。同期甚至后期建成的西臨、西寶等高速公路,則未達到使用年限而進行大修,很大一部分原因就是在于當初的施工質(zhì)量問題。從對這些高速公路路面使用性能的檢測數(shù)據(jù)中,也可以看出施工質(zhì)量存在一些問題。國內(nèi)其他使用壽命較長、使用性能保持較好的高速公路,如京津塘、濟青高速公路等,都有著良好的施工質(zhì)量。半剛性基層瀝青混凝土路面的施工涉及的方面很多,包括原材料的選擇、控制以及混合料的配合比、拌和、攤鋪和碾壓,還包括半剛性基層材料的養(yǎng)生以及基層和面層之間的結(jié)合等。所以要保證路面的施工質(zhì)量,就必須要精心于施工組織與質(zhì)量管理。西三線在施工過程時,既沒有現(xiàn)在如此先進的施工機械,也缺乏高等級公路施工的經(jīng)驗,但在施工過程中真正做到了精心,使得30多km的一級公路能夠獲得當時的國家工程質(zhì)量銀質(zhì)獎,保證了15年的良好使用性能。從國外的長壽命瀝青混凝土路面來看,精心施工也是他們普遍強調(diào)的。3.3預(yù)防養(yǎng)護對半剛性基層瀝青混凝土路面采后的防損措施加強養(yǎng)護對于保持半剛性基層瀝青混凝土路面的使用性能是十分重要的。半剛性基層瀝青混凝土路面的結(jié)構(gòu)性破壞主要來源于基層,而瀝青混凝土路面開裂后水的進入又是基層破壞的主要原因。因此,對于瀝青混凝土面層的開裂,要及時采取灌縫、加鋪封層、罩面等措施,以便有效地避免路面開裂的進一步發(fā)展,保持半剛性基層的完整性和承載力。一些20多年前修筑的瀝青混凝土路面,有的基層用的是二灰土甚至是石灰土,在使用過程中,由于對面層的裂縫進行了及時認真的灌縫,并通過幾次加鋪瀝青表處,一直維持了較好的使用性能而未進行大修。這說明預(yù)防性養(yǎng)護對于半剛性基層瀝青混凝土路面尤為重要。但是目前對于高速公路,能否突破以彎沉為設(shè)計指標的路面改建設(shè)計方法,在路面標高允許的情況下,在適當?shù)臅r機采用合理的加鋪層方案,以便有效地延長路面使用壽命,是一個值得我們進一步研究的問題。4全壽命成本與社會效益相結(jié)