山区公路大纵坡特殊路面结构研究

第５期　北　方　交　通　・７・　山区公路大纵坡特殊路面结构研究　杨旭　１１０００５）　（辽宁省交通厅公路管理局，沈阳摘要：对大纵坡路段路面破损的主要原因进行了分析，提出了路面破损的解决措施。通过对试验路路面结　构方案技术指标、施工难度、路面耐久性及经济性的对比，推荐了两种路面结构组合形式，能够较好地解决山区公　路在纵坡坡度及长度较大（简称“大纵坡”）路段的路面损害问题。　关键词：山区公路；大纵坡；路面破损；路面结构　中图分类号：Ｕ４１６．０１　文献标识码：Ｂ　文章编号：１６７３—６０５２（２０１２）０５—０００７—０３　山区地质地貌环境复杂，对公路工程建设的影　响因素很多。同平原地区的公路相比，山区公路不　但设计和施工的难度大，而且在公路竣工通车后往　往比平原地区公路破损早，病害发展快。以我省丹　东市为例，每年公路养护费用７０％以上都用于山区　公路的保养和维修上。为较好地解决山区公路在纵　坡坡度及长度较大（简称“大纵坡”）路段的路面损　害问题，丹东市公路管理处在设计和施工上，做了较　有成效的尝试。　１　大纵坡路段产生路面破损的主要原因分析　行中，随着路面水损害的产生，水侵入路面结构层　内，使粒料层上表面材料强度降低，从而破坏层问的　粘结。　２试验路的基本情况　项目研究选择丹东市２０１国道宽甸境内坎川岭　至老道排段五道岭（里程桩号Ｋ１３１４＋５２０～Ｋ１３１５　＋３２０）作为依托工程。该工程位于丹东宽甸县北　部山区，地势起伏大，属典型大纵坡路段。该路段由　于纵坡大、车辆多，导致路面连年出现破损、拥包、车　辙等病害，严重影响路用性能及行车安全。　３大纵坡道路路面破损的解决措施　我们知道，路面在垂直荷载作用下，面层内任一　水平面上的最大剪应力一般出现在通过荷载作用面　边缘的垂直线上，最大剪应力出现在面层中部，随着　层问滑动系数的增大，剪应力显著增大。因此，面层　基层相对滑动将导致面层内产生更大的剪切力，从　路面结构设计中，路面结构厚度与层间模量比　有密切关系，故对半刚性基层提出适当控制层间模　量比的要求。从理论上分析，若沥青层与半刚性基　层材料之间是连续体系时，沥青层多数处于受压状　态或出现较小拉应力，半刚性材料层主要承受拉应　力。上下层间模量比越小，随着沥青层剪应力增大，　下层拉应力越大，故半刚性基层刚度不易太大。若　而使面层容易发生剪切破坏。　面层的厚度不同时，面层内剪应力在深度方向　的分布，通常随着面层厚度的减小，面层内的剪应力　逐渐增大，这说明对于薄面层路面，面层基层问相对　滑动将导致面层内更大的剪应力。我省山区普通公　层间接触面处于浸水状态可能导致界面产生滑移　时，上层底面可能出现比连续状态大１—２倍的拉应　路沥青混凝土面层厚度多为５—７ｃｍ，因而层间滑动　力。因此，如何合理地确定路面结构组合是设计的　重点和难点。　将对面层的受力更加不利，致使其更易产生早期破　损。　丹东地区北临山、南沿海，气候条件差别较大。　路面结构的选择是根据试验路段当地的气候、材料、　通过对丹东市的大纵坡路线路面破损状况调查　发现，经常有面层推移破坏现象，主要是因为面层与　基层间的联接不好，导致面层内剪应力增大而发生　水文条件及经济发展程度、交通量等情况确定的。　（１）改善基层与面层之间的粘结力　破坏。面层基层间相对滑动对路面受力有较大影　响，在设计中应予以考虑；而基层与土基问相对滑动　对路面的影响不明显。层间滑动使面层内剪应力增　大，是导致普通公路早期破损的原因之一。道路运　从设计上应采取层间结合的可靠技术，防止层　间滑移。为此，在进行面层施工之前，要求对水泥稳　定基层进行凿毛处理，增加粗糙度。除此之外，应用　丹东市近年透层沥青洒布工艺的成功经验，透层油　・８・　北　方　交　通　２０１２　采用沥青含量为５０％的乳化沥青，在水泥初凝至终　凝之间洒布，透层油洒布用量为１．１ｋ　，最大渗　透深度达３ｍｍ以上。透层油能透人基层表面孔隙，　增强了基层和沥青面层间的粘结；有助于结合基层　表面集料中的细料。经过透层油渗透成型以后的基　层表面的开口空隙被填充，从而得到一个渗透深度　上的防水层，减少路面渗入的水份对基层的侵害。　透层油的施工质量直接影响着路面的使用寿命。　（２）确定路面结构组合　设计还应注意各结构层的强度和稳定性。面层　结构根据以往使用经验，主要采用密级配粗型沥青　混合料。该级配具有表面粗糙、构造深度较大、抗车　辙、抗变形性能较好等特点。另外还采用了空隙率　在６％一１０％之间、具有一定透水性的半开级配沥　青碎石（ＡＭ）作为上下面层。同时，设计中认真研　究了ＳＢＳ和高模量沥青混凝土的特点，确定４种路　面结构组合方案。　方案一：２．５ｅｒａ　ＡＣ一１０　ＳＢＳ改性沥青混凝土上　面层，４．５ｃｍ　ＡＭ一２０半开级配沥青碎石下面层。　ＳＢＳ改性沥青混凝土在丹东地区经过多年推广使　用，积累了大量的经验。考虑到试验路段当地的冬　季气温较低，而ＳＢＳ改性沥青具有明显的高温稳定　性和低温抗裂性，和普通沥青混凝土相比，ＳＢＳ上面　层对抗推移、抗变形能力有一定的改善，而ＳＢＳ和　ＡＭ的组合有利于防止面层之间的相对滑动。　方案二：３ｃｍ　ＡＣ一１０普通沥青混凝土土面层，　４ｃｍ　ＡＣ一１６高模量沥青混凝土下面层，近年来我省　的普通公路干线设计中，比较普遍地采用了“３＋４”　的路面结构。根据理论分析，路面荷载的应力集中　在距面层表面３～７ｃｍ的深度，高模量沥青混凝土　层承受应力，可以有效减少路面结构的变形。　方案三：２ｃｍ　ＡＭ一１０半开级配沥青碎石上面　层，５ｃｍ　ＡＣ一２０高模量沥青混凝土下面层。ＡＭ层　的设置有利于排除潜在表面层的自由水，而且高模　量沥青混凝土外掺剂是从提高沥青　昆凝土模量的角　度出发研制的一种解决路面病害的新材料。它具有　明显增加沥青混凝土弹性模量、提高路面抗变形能　力，并改善沥青混合料抗水损坏能力的特点。　方案四：６ｃｍ　ＡＣ一２０高模量沥青混凝土上面　层，下设１　ｃｍ单层表处下封层。此种组合的设计理　念是把造价较低的表处层作为应力吸收层，而且根　据以上分析，高模量沥青混凝土具有较强的抗变形　能力的特点，试图利用较低的投入解决问题。　上述方案实施过程中，路面结构配合比设计、材　料的使用要求及施工控制应符合沥青路面设计及施　工规范，本文不作赘述。经对比分析，最终确定方案　二、三为最佳方案。试验段施工结束后第二天开始　进行各项指标检测，弯沉、压实度以及摩擦系数和构　造深度检测见表１、表２：　表１　试验段弯沉、压实度检测结果　表２　试验段摩擦系数和构造深度、平整度检测结果　４项目试验的成果分析　针对试验路沥青混凝土和沥青贯入式路面，就　技术指标、施工难度、路面耐久性及经济性对比分析　如下：　（１）技术指标　评价沥青混合料路面的技术指标主要有弯沉　值、压实度、路面平整度、构造深度等。本项目实施　方案各技术指标完全符合现行的国标要求。　（２）施工难度　本课题提出的两种新型路面结构组合，从施工　工艺和施工流程上看，都是经过配合比设计、原材料　检测、基层准备、拌和站拌和、混合料运输、摊铺、碾　压等过程组成，所投入的机械设备、检测工具、技术　人员和力量、施工的工期等都与通用的沥青混合料　路面相同，从施工的难易程度来看，二者是相同的。　（３）路面的耐久性评价　试验段通车后，通过一年多的观察，发现方案　二、三，即普通沥青混凝土或半开级配沥青碎石和高　模量沥青混凝土的组合未见任何病害。而同期施工　的其他山区公路的沥青混凝土路面，已出现不同程　度的变形、推移等病害，因此，和同期施工的普通沥　青混合料面层相比，高模量沥青混凝土作为下面层，　第５期　杨旭：山区公路大纵坡特殊路面结构研究　・９・　对提高混凝土模量、减少混凝土变形、恢复弹性形　明针对大纵坡路面的试验结构是可行的，尤其是方　变、抵抗推移和车辙有比较明显的效果。而且随着　案二、三，即：３ｃｍ　ＡＣ一１０普通沥青混凝土上面层＋　观测时间的不断延长，这种对比的效果越明显。　４ｃｍ　ＡＣ一１６高模量沥青混凝土下面层和２ｃｍ　ＡＭ　（４）经济性　一１０半开级配沥青碎石上面层＋５ｃｍ　ＡＣ一２０高模　本项目试验成果的应用，能够提高工程质量，延　量沥青混凝土下面层，这两种路面结构组合形式，在　长道路的设计使用周期，不仅大幅度减少设备购置、　山区长大纵坡公路上效果是相当明显的，可以应用　能源损耗、施工占用土地、劳动用工等重建费用，而　在岭区道路中。主要优势如下：　且每年减少了养护维修工作及２００～３００万元的养　（１）节省养护经费　护费用，显现出良好的社会经济及环境效益。下面　就丹东地区而言，岭区公路有１０００多公里，养　就这两种新型路面结构及传统“３＋４”路面结构进　护面积大概占全市公路面积的５０％，其中大纵坡路　行工程造价分析。　段占一定的比例。岭区公路病害主要是推移、车辙、　表３　２０１国道长大纵坡试验路路面造价分析表　坑槽等，养护部门每年都要花大量的人力物力进行　岭区公路的维修和养护。本项目的试验研究，有效　避免了岭区公路尤其大纵坡路段的病害，此路面结　构对原材料的要求不高，施工难度也不大，有利于广　泛应用，节省道路后期的养护经费。　（２）增强行车安全　岭区道路由于纵坡大、路面窄、转弯半径小等原　因，常常出现交通事故，尤其出现坑槽、车辙等病害　的路段，交通事故频发，严重影响了公路使用功能。　本项研究解决了大纵坡路面破损问题，改善了面层　分析试验路的路面结构工程造价基本与传统路　与车胎间的摩擦，提高了岭区公路行车安全。另外，　面结构造价相当或稍低于传统路面结构，经济可行。　这两种路面结构还能提高路面的服务功能，如提高　综上，试验项目提出的路面结构在技术指标、施工难　行车速度、增加行车舒适性和安全性、节省营运成本　度、造价上与国内外常用的沥青混合料路面基本相　等等，延长公路营运期带来的效益更难以估量。由　同，但是在提高路用性能、增强抗病害能力、减少全　于使用年限的延长，并且同时减少了养护维修带来　寿命周期费用上是有效的。　的交通中断，提高了运输效率，更主要的是有利于重　５项目推广意义　载交通运输发展的需要，因而也具有良好的社会效　项目经过一年多的运行，试验段路面在纵坡大、　益。　车辆多，尤其重载车辆多的情况下基本完好无损，证　Ｓｐｅｃｉａｌ　Ｐａｖｅｍｅｎｔ　Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｎ　Ｌａｒｇｅ　Ｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌ　Ｓｌｏｐｅ　ｏｆ　Ｈｉｇｈｗａｙ　ａｔ　Ｍｏｕｎｔａｉｎ　Ａｒｅａ　Ａｂｓｔｒａｃｔ　Ｔｈｅ　ｍａｊｏｒ　ｒｅａｓｏｎ　ｆｏｒ　ｐａｖｅｍｅｎｔ　ｄａｍａｇｅ　ａｔ　ｔｈｅ　ｓｅｃｔｉｏｎ　ｗｉｔｈ　ｌａｒｇｅ　ｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌ　ｓｌｏｐｅ　ｉｓ　ａｎａｌｙｚｅｄ，ａｎｄ　ｍｅａｓｕｒｅｓ　ｆｏｒ　ｓｏｌｖｉｎｇ　ｐａｖｅｍｅｎｔ　ｄａｍａｇｅ　ａｒｅ　ｐｒｏｐｏｓｅｄ．Ｔｈｒｏｕｇｈ　ｔｈｅ　ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ　ｏｆ　ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ　ｄａｔａ，ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ｄｉｆｆｉ—　ｃｕｈｙ，ｐａｖｅｍｅｎｔ　ｄｕｒａｂｉｌｉｔｙ　ａｎｄ　ｅｃｏｎｏｍｉｃａｌ　ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ　ｏｆ　ｐａｖｅｍｅｎｔ　ｓｔｕｒｃｔｕｒｅ　ｓｃｈｅｍｅ　ｏｆ　ｔｅｓｔ　ｒｏａｄ，ｔｗｏ　ｋｉｎｄｓ　ｏｆ　ｃｏｍｂｉ．　ｎａｔｉｏｎ　ｌａｙｏｕｔｓ　ｏｆ　ｐａｖｅｍｅｎｔ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ａｒｅ　ｒｅｃｏｍｍｅｎｄｅｄ，ｔｈｕｓ　ｓｏｌｖｉｎｇ　ｐａｖｅｍｅｎｔ　ｄａｍａｇｅ　ｐｒｏｂｌｅｍｓ　ａｔ　ｔｈｅ　ｓｅｃｔｉｏｎ　ｗｉｔｈ　ｌａｒｇｅｒ　ｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌ　ｓｌｏｐｅ　ａｎｄ　ｌｅｎｇｔｈ（ｆｏｒ　ｓｈｏｒｔ”ｌａｒｇｅ　ｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌ　ｓｌｏｐｅ”）ｗｅｌ１．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ　Ｈｉｇｈｗａｙ　ａｔ　ｍｏｕｎｔａｉｎｏｕｓ　ａｒｅａ；Ｌａｒｇｅ　ｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌ　ｓｌｏｐｅ；Ｐａｖｅｍｅｎｔ　ｄａｍａｇｅ；Ｐａｖｅｍｅｎｔ　ｓｔｕｒｃｔｕｒｅ