长寿命沥青路面结构在冰冻重载区的应用分析

　　本文结合内蒙古地区交通量、轴载分布以及路面使用现状和交通状况,对重冰冻区路面设计轴载参数进行深入研究,得出了重冰冻区季节轴载换算参数。通过长寿命沥青路面设计理念,按照长寿命沥青路面结构层位功能要求,路面结构特殊功能层设置及合理基层类型,提出了该地区长寿命沥青路面结构组合设计及层间处置方法。

 

　　重冰冻区长寿命沥青路面的结构组合设计，需要结合本地区气候及交通条件，遵从一定的设计原则。首先，结构组合与路面结构类型要相匹配。根据基层类型的不同，重冰冻区长寿命沥青路面在基层面层之间设置应力吸收层或采用复合式基层结构较为合理。其次，层间结合保证连续。在设计中必须考虑封层、粘层、透层等设计的粘结层，要满足重冰冻区长寿命沥青路面结构要求。沥青结构的薄弱环节是沥青结构层间结合处，必须加强长寿命沥青路面层间结合，避免产生层间滑移。最后，长寿命路面需满足设计指标及要求。设计中疲劳极限的弯拉应变低于弯拉应变的临界点疲劳极限，沥青混合料层底就不会产生疲劳损伤，从而得出重冰冻区长寿命沥青路面结构设计指标。

 

　　为提高路面的抗裂性能、抗低温性能、抗剪切及抗车辙性能，降低裂缝的发生等技术问题，应改进路面设计。在保证路基稳定的前提下，提高路面结构整体强度，半刚性基层应具有一定抗开裂性能和强度；复合基层应考虑柔性和半刚性结构层的合理组合；在半刚性基层与沥青面层之间设置应力吸收层，防止半刚性路面的反射裂缝。下面层主要考虑抗疲劳开裂和抗车辙性能；中面层要有良好的抗剪切性能和抗车辙性能；上面层要有良好的抗低温性能和抗裂性能。根据室内试验和原施工图设计，确定路面各结构层的轴载参数分析、材料参数以及本地区交通量的调查，确定重冰冻区长寿命沥青路面轴载参数。并通过超载情况、轴载换算指数取值、交通量增长率、设计年限以及土质的季节修正系数，计算综合季节修正系数，之后再计算重冰冻区长寿命沥青路面设计的标准轴载累计作用次数。

 

　　借鉴长寿命路面设计理念，针对绥满高速阿荣旗至博克图段地质条件，结合重冰冻区的自然环境和交通特点，拟定了以下路面结构形式做为试验路段进行验证。

 

　　原路面结构：基层厚度52 c m（水泥稳定碎石2 0 c m和水泥稳定砂砾3 2 c m），强度高，有足够的承载力；面层总厚度16 c m，采用三层A C结构（4+5+7cm）的厚基薄面型式。

 

　　试验设计结构1：基层采用原设计结构；面层和半刚性基层之间加入了一层A C-13（4 c m）应力吸收层，来降低半刚性基层的裂缝反射到面层，S U P结构能提高路面的抗车辙和耐久性，提高路面的承载力，因此，在中面层（7c m）和下面层（9c m）采用此结构；上面层采用S M A-13（5c m）,能够提供好的抗滑性、强度和低温性能，有效地降低上面层的低温破坏，因此各方案中均选用SMA-13作为上面层。

 

　　试验设计结构2：属于倒装结构，在面层和基层之间设置级配碎石应力吸收层（2 0 c m），系松散结构，能够吸收半刚性基层反射裂缝产生的能量，从而减缓裂缝反射到面层，提高路面的使用品质和使用年限。同时，中下面层采用（7+9c m）AC结构，基层采用原设计结构，降低裂缝的产生。

 

　　路面结构力学分析

　　通过分析沥青面层底部拉应变、半刚性基层底部拉应力、面层最大剪应力的力学试验为设计控制指标，并根据国内外设计指标控制的情况，以及长寿命沥青路面结构是结合半刚性基层特点，得出层间拉应变数量变化值作为设计依据。

 

　　由表1可以看出路面不同的结构设计有以下规律：1、当系数小于10 0 r时，随着层间接触系数的增大，沥青层底最大拉应变同时增大；当系数大于10 0r时，拉应变没有太大变化。所以研究层间不完全连续状态时，取层间系数为10 0 r。2、各结构在轴载增大时，沥青层底最大拉应变同时增大，接近线性关系，说明超载越严重对路面的破坏越严重。3、当层间接触为完全连续状态时，相同轴载作用下，沥青层底的拉应变的顺序由大到小为：结构2＞原结构＞结构1；当层间状态为不完全连续时（层间系数为10 0 r时）：原结构＞结构2＞结构1。

 

　　半刚性基层层底拉应力

　　路基和基层的接触状态对基层层底拉应力也是有影响的，而且路基和基层的接触状态不会是绝对的完全连续。对各结构取完全连续和不完全连续（层间系数为10 0r）两种状态下的不同轴载，研究分析半刚性基层层底弯拉应力。各结构的基层层底最大拉应力呈线性增加，层底最大拉应力随着轴载的增加，不完全连续状态下的基层层底拉应力比完全连续状态下大，且各结构在两种不同状态下的大小规律一样。在不同轴载作用下各结构基层层底最大拉应力的大小顺序为：原结构＞结构1＞结构2。而结构2基层层底最大拉应力较小的原因，是采用了柔性复合基层，柔性基层能够吸收荷载的能量，模量较低，减小了层底拉应力。

 

　　在温度较高或重载时，沥青路面都很容易引起拥包、推移或者车辙等病害，这是由于沥青面层的抗剪能力不足造成的。对不同轴载下各结构的面层最大剪应力计算，如表2所示。

 

　　从表2可以看出，在完全连续状态下，剪应力也是随着轴载增加呈线性增长。各结构的面层最大剪应力的变化情况，在标准轴载、不同的轴载和不同层间接触条件下，力学响应有不同的规律，通过综合分析，结构1、结构2比原结构的力学指标要好。

 

　　通过永久变形设计法、疲劳寿命预估方法和沥青层疲劳设计法，对重冰冻区长寿命沥青路面结构数据分别代入公式计算分析，可以看出结构1、2在永久变形模型和半刚性基层疲劳模型下的疲劳寿命较长，在沥青层疲劳模型下却极小。因此，结构1、结构2的疲劳寿命要明显优于原结构。

 

　　根据呼伦贝尔地区近年高等公路建设中的人工、材料、机械费用情况，通过对路面结构初期造价、设计年限、残值等进行经济分析，普通路面结构在单位年限内，造价要高于长寿命路面结构。如在考虑维修交通中断、运营成本随时间增加而提高等成本，普通路面结构所发挥的效益远远不如长寿命路面。