高速公路改擴(kuò)建瀝青路面設(shè)計問題探討

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摘要：從高速公路改擴(kuò)建路面典型病害及損壞特點出發(fā)，分析了拼接路面的典型破壞模式，結(jié)合改擴(kuò)建后的運(yùn)營特性，探討了現(xiàn)行路面設(shè)計規(guī)范在改擴(kuò)建工程設(shè)計中存在的不足，提出高速公路改擴(kuò)建路面設(shè)計方法。

關(guān)鍵詞：高速公路；改擴(kuò)建；路面拼接

1概述

中國瀝青路面設(shè)計方法是以理論分析為基礎(chǔ)，主要基于半剛性基層提出，采用彈性層狀體系理論計算結(jié)構(gòu)層厚度。考慮到“強(qiáng)基薄面”理念在高等級公路中常見的問題以及重載作用下新出現(xiàn)的破壞模式等，現(xiàn)行設(shè)計規(guī)范不僅增加了交通量等級劃分，而且將設(shè)計指標(biāo)從原單一的路表彎沉修正為路表彎沉、瀝青面層層底拉應(yīng)力與半剛性基層層底拉應(yīng)力，同時鼓勵有條件時對剪切強(qiáng)度進(jìn)行驗算等。在具體實踐中，面層也有適當(dāng)加厚的趨勢，并且進(jìn)行了柔性基層、長壽命路面、超重車軸載換算方法等研究，取得了一定的積極成果。這些均是從實際病害發(fā)生機(jī)理出發(fā)，強(qiáng)調(diào)基于性能設(shè)計、改善結(jié)構(gòu)層內(nèi)部應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)的理念。但由于這些研究還未成熟到足以納入規(guī)范的程度，故目前設(shè)計理論和實踐存在一定的脫節(jié)現(xiàn)象，一定程度上需要依賴地區(qū)經(jīng)驗或設(shè)計人員經(jīng)驗，便可能出現(xiàn)設(shè)計不夠合理或針對性不強(qiáng)的現(xiàn)象。高速公路改擴(kuò)建工程具有鮮明的工程特點，改擴(kuò)建后一般實行渠化交通管理又是其運(yùn)營特點，與新建工程相比，需考慮的因素更多。目前中國改擴(kuò)建實踐雖已較多，但仍處于起步發(fā)展階段，對改擴(kuò)建路面的損壞模式、機(jī)理等還沒有系統(tǒng)的研究，設(shè)計時往往針對性不足。改擴(kuò)建路面設(shè)計包含拼寬新建路面、舊路面利用與處治、路面拼接3個主要部分。該文基于浙江省高速公路改擴(kuò)建實踐，經(jīng)長期跟蹤，總結(jié)改擴(kuò)建路面常見病害的類型與特點，分析其破壞機(jī)理，提出若干針對性措施以及設(shè)計解決思路。

2瀝青路面拼寬典型病害分析

2．1典型路面結(jié)構(gòu)

改擴(kuò)建工程拼寬是其工程特點，一般情況下原路面保留利用，外側(cè)拼寬新建路面，為改善路表功能或補(bǔ)強(qiáng)原路面進(jìn)行單一罩面或補(bǔ)強(qiáng)罩面，典型的構(gòu)造如圖1所示。

2．2典型病害類型

滬杭甬高速公路是浙江省第一條，也是中國較早實行改擴(kuò)建的高速公路之一，分三期建設(shè)并于2003、2005、2007年陸續(xù)建成。由于該高速公路處于軟土地區(qū)，舊路沉降較大且穩(wěn)定期長，為避免一次投入加鋪量過大及引起加速沉降，路面設(shè)計采用先拼寬，后期結(jié)合養(yǎng)護(hù)加鋪逐漸改善線形的方法。在后期養(yǎng)護(hù)的縱坡調(diào)整過程中，對路面性能、病害進(jìn)行了較為全面的檢測與評價。對病害進(jìn)行總結(jié)區(qū)分后，剔除與新建工程共性的類型，總結(jié)改擴(kuò)建工程的6種典型病害，分析其發(fā)生頻率、現(xiàn)象特點、發(fā)生原因及損壞機(jī)理，具體見表1。表1中，除第1種屬于路基解決的問題，第2種需通過施工解決外，其余均主要與路面自身有關(guān)，這些病害發(fā)生的頻率多少與調(diào)查項目路段的實際有一定關(guān)聯(lián)，但同時也是改擴(kuò)建項目共性的易發(fā)病害，改擴(kuò)建工程路面設(shè)計的主要關(guān)鍵就是要針對這些病害進(jìn)行預(yù)防性設(shè)計。

2．3拼接縱向裂縫的破壞機(jī)理

表1中拼接縱向裂縫這一類型是改擴(kuò)建拼寬路面特有的一種病害，目前對該類病害形成機(jī)理已有了一定的研究，但實踐中的認(rèn)識還比較模糊。以往對于路面拼接主要從差異沉降引起路面開裂的角度作為切入點進(jìn)行研究，提出控制差異沉降的技術(shù)指標(biāo)和工程措施，較少從新老路基層拼接的天然缺陷（即極小的傳荷能力）、拼接細(xì)部構(gòu)造等對路面內(nèi)部應(yīng)力狀態(tài)影響的角度進(jìn)行研究。筆者在工程實踐中發(fā)現(xiàn)：①該類裂縫與基層拼接面位置具有對應(yīng)現(xiàn)象；②即使路表目測很細(xì)的裂縫，同時也未見沉陷現(xiàn)象，但取芯顯示實際裂縫均貫穿整個面層。據(jù)此推斷：裂縫是自下而上反射的，類似傳統(tǒng)半剛性基層或水泥板上加鋪層反射裂縫的機(jī)理，由于基層傳荷能力小，在偏載作用下，彎沉差使得面層內(nèi)部剪應(yīng)力水平過高，重復(fù)荷載作用下發(fā)生剪切疲勞開裂?，F(xiàn)場調(diào)查、取芯的照片如圖2所示。文獻(xiàn)［2］采用有限元方法從理論上分析了不同荷載位置、基層連續(xù)或不連續(xù)、是否設(shè)置臺階等不同條件下拼接路面的力學(xué)響應(yīng)，得出如下主要結(jié)論：（1）偏載是最不利荷載位置。（2）新老基層模量差異越大，面層內(nèi)部剪應(yīng)力越大。（3）基層拼接面不連續(xù)時，面層內(nèi)最大剪應(yīng)力及層底剪應(yīng)力增大明顯。（4）設(shè)置臺階、增強(qiáng)界面黏結(jié)有利于改善面層剪應(yīng)力水平。這些理論分析結(jié)論，與筆者通過實踐得出的推斷有著非常好的契合性，表明剪切疲勞破壞是拼接縱向裂縫的根本原因。由于拼接縫與行車方向相同，疲勞作用的時間遠(yuǎn)大于半剛性基層的橫向反射裂縫，拼接開裂擴(kuò)展速度會非?？?，尤其當(dāng)位于輪跡帶位置且重車較多時。實踐也表明，即使面層厚度在16cm以上，部分位置兩年之內(nèi)即反射至了路表，這種速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于半剛性基層傳統(tǒng)的反射裂縫，危害也更大。

2．4車轍

車轍主要由于高溫及重載作用下，混合料內(nèi)部剪切變形引起，對此的研究目前已很多，結(jié)論也比較明確，也是與混合料模量、強(qiáng)度有關(guān)，在此不再贅述，改擴(kuò)建后的運(yùn)營特點決定了比一般新建工程更需關(guān)注。

2．5老路硬路肩沉陷與開裂

改擴(kuò)建后運(yùn)營往往采用分車型分道行駛管理，內(nèi)側(cè)一、二車道以客車為主，外側(cè)三、四車道以貨車為主。在原路正常養(yǎng)護(hù)的前提下，對一、二車道的使用需求，一般簡單維修、罩面后都能滿足。但原硬路肩，拼寬后作為第三車道使用，卻往往帶來一些問題：（1）原路若存在施工缺陷，之前未經(jīng)車輛行駛反映不出，但改擴(kuò)建后將會反映出來。（2）缺乏初始壓密以及路基壓縮、干濕循環(huán)等作用，使得路基路面間可能存在微小的脫空，未經(jīng)車輛行駛，路基路面材料自身的協(xié)調(diào)適應(yīng)能力之前難以發(fā)揮，累計后突遇行車荷載作用，對路面結(jié)構(gòu)受力不利。（3）瀝青老化，長期雨水等作用，使混合料水穩(wěn)定性、抗裂性等降低。（4）與部分拼寬新建路面共同組成三車道，二者協(xié)調(diào)變形性差。這些問題在使用中可能反映出一定的病害，實踐中也得到了證明（表1）。但目前看其發(fā)生機(jī)理與傳統(tǒng)病害無本質(zhì)區(qū)別。

3現(xiàn)有設(shè)計方法適宜性分析及對策

從前述可知，對改擴(kuò)建工程無論是拼寬新建、舊路利用還是路面拼接，均有與新建不同的特點，典型病害及其發(fā)生特點決定了設(shè)計理念需要更進(jìn)一步更新，改變常規(guī)設(shè)計習(xí)慣，更多從預(yù)防典型病害的角度，從結(jié)構(gòu)內(nèi)部應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)的角度去進(jìn)行綜合設(shè)計。

3．1分車道設(shè)計

現(xiàn)行規(guī)范采用累計軸次將路面設(shè)計與交通量建立關(guān)聯(lián)，對不同軸載采用軸載換算系數(shù)折算成標(biāo)準(zhǔn)軸載，對不同車道采用橫向分布系數(shù)考慮實際行駛特性差異。一個橫斷面上不同車道的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)是相同的，控制指標(biāo)也是相同的。筆者認(rèn)為對改擴(kuò)建工程，仍然延續(xù)這一方法值得商榷。（1）目前主要的設(shè)計指標(biāo)仍是彎沉，設(shè)計彎沉對應(yīng)一定的軸次，而實際上改擴(kuò)建后車道間的作用次數(shù)差異非常大，用單一彎沉控制要么造成外側(cè)車道不足，要么造成內(nèi)側(cè)車道富余過大，前者勢必引起外側(cè)車道實際壽命縮短，后者引起改擴(kuò)建時原路利用率降低、處治難度及投資增加。（2）分車道設(shè)計可能帶來分車道施工，冷接縫施工質(zhì)量主要取決于現(xiàn)場控制，工藝并非不成熟；渠化交通特點也使冷接縫可能帶來的隱患大大減小，事實上上面層往往統(tǒng)一罩面，其下分車道施工并不帶來表觀形象的缺憾。事實上在實際設(shè)計中，各地已經(jīng)或多或少、或有意或無意地運(yùn)用了分車道理念，比如對拼寬新建部分適當(dāng)加厚結(jié)構(gòu)層厚度、使用模量高的瀝青混合料等。文獻(xiàn)［3］介紹了滬杭高速公路嘉興段分車道設(shè)計的實際案例，至今將近10年的使用實踐證明了其效果的顯著性。

3．2設(shè)計指標(biāo)完善

車轍和拼接縱向裂縫二者均與混合料內(nèi)部所受的剪應(yīng)力水平過高有關(guān)，從病害發(fā)生機(jī)理看，路表彎沉、層底拉應(yīng)力往往并非主要控制指標(biāo)。文獻(xiàn)［4］、［5］提出了基于抗剪強(qiáng)度的設(shè)計方法，實踐中應(yīng)積極探索應(yīng)用，尤其是對應(yīng)的試驗、檢測方法?，F(xiàn)有的理論分析表明，新老路基層模量差異越大，對拼接部上方面層的受力越不利，但受舊路狀況及路段差異、運(yùn)營特點、邊通車邊施工等限制，現(xiàn)實中難以互相有效匹配，這就從另一個方面對面層瀝青混合料模量與強(qiáng)度提出了更高的要求。

3．3加強(qiáng)對應(yīng)拼接構(gòu)造的力學(xué)響應(yīng)分析計算

不同項目受結(jié)構(gòu)組合、厚度以及老路狀況等因素的影響，合適的細(xì)部拼接構(gòu)造不完全相同，構(gòu)造設(shè)計中要綜合考慮受力與施工兩個方面。以往設(shè)計時更多從利于施工控制、利于拼接壓實與黏結(jié)的角度，較缺乏力學(xué)計算。從拼接縱向裂縫的破壞機(jī)理看，今后有必要加強(qiáng)對具體拼接構(gòu)造的力學(xué)分析，針對不同的臺階設(shè)置位置、寬度等進(jìn)行計算，避免或減少拼接部不利的受力模式，重點減小面層的剪應(yīng)力。

3．4加強(qiáng)老路硬路肩結(jié)構(gòu)狀況的分析評價

改擴(kuò)建工程舊路面的利用標(biāo)準(zhǔn)較復(fù)雜，目前大多通過一定的檢測，根據(jù)經(jīng)驗判定是否利用或如何利用，有一定的人為因素和主觀隨意性。滬寧高速公路改擴(kuò)建時曾對此作了一定研究嘗試，從宏觀（技術(shù)狀況）、中觀（混合料級配、松散程度等）、微觀（瀝青指標(biāo)等）3個層面逐級評價，探索定量的利用標(biāo)準(zhǔn)，但受舊路養(yǎng)護(hù)、運(yùn)營、檢測方法等影響，實踐中操作可能仍較困難，最終仍以綜合破損狀況、強(qiáng)度狀況進(jìn)行評價，現(xiàn)場按一定的標(biāo)準(zhǔn)經(jīng)驗判別的方式進(jìn)行。檢測評價時，由于原路硬路肩未經(jīng)車輛作用，基本保留著原始的結(jié)構(gòu)狀態(tài)，往往會被忽略。如前述的一些原因，其實對硬路肩的評價有時反而更加關(guān)鍵。早期高速公路的早期損壞現(xiàn)象比較普遍，與路面結(jié)構(gòu)性能考慮不足、施工質(zhì)量不好等多因素有關(guān)。一、二車道歷經(jīng)多年養(yǎng)護(hù)其缺陷可能逐漸得到修復(fù)，加上運(yùn)營特性以客車為主，一般問題不大。硬路肩則反而易在改擴(kuò)建后再步后塵，重復(fù)之前的病害過程。故評價時對該路的病害特點、養(yǎng)護(hù)歷史等需要更加詳細(xì)了解。另拼接前側(cè)面的目測評價也是重要的依據(jù)，施工過程中，需要一個再評價程序，以對設(shè)計過程中的結(jié)論作進(jìn)一步修正。當(dāng)然目測評價主要依賴主觀經(jīng)驗，目前并沒有一個固定的判定標(biāo)準(zhǔn)，不同道路情況存在差別，需要參建各方認(rèn)真對待，統(tǒng)籌分析。

3．5拼接縫位置

輪跡帶是個相對的范圍或?qū)挾?，其在車道中的位置與車道數(shù)量、渠化管理、車型特點等有關(guān)，左右側(cè)輪跡也非完全在車道上對稱分布。文獻(xiàn)［6］給出了上海外環(huán)線輪跡在車道的橫向分布，顯示八車道高速公路，外側(cè)車道主要供大型車行駛時，輪跡帶寬度約為1．0m，分布在距左邊緣0．5～1．5m、距右邊緣0．2～1．2m，留給拼接縫布設(shè)的相對理想的位置并不多。雖如此，但卻非常重要，從上述提及的病害機(jī)理及擴(kuò)展速度來看，應(yīng)盡可能將基層拼接縫設(shè)置于車道中心或二、三標(biāo)線位置，設(shè)計時應(yīng)予以特別重視，若做不到須有其他的解決措施。

3．6綜合設(shè)計

綜上可見，拼寬新建、路面拼接、舊路利用處治幾大方面互相影響，如舊路硬路肩狀況影響拼接位置及構(gòu)造，拼接構(gòu)造影響面層受力狀態(tài)，進(jìn)而影響面層厚度及類型設(shè)計等。改擴(kuò)建路面需要綜合設(shè)計，不能互相割裂按常規(guī)的習(xí)慣“單獨(dú)設(shè)計”。

4結(jié)論

（1）對改擴(kuò)建工程路面典型病害、現(xiàn)象特點、發(fā)生原因與機(jī)理等進(jìn)行了總結(jié)；提出拼接縱向裂縫這一改擴(kuò)建工程特有病害的發(fā)生機(jī)理，即剪切疲勞破壞。（2）鑒于工程特點及運(yùn)營特點，有必要進(jìn)一步更新改擴(kuò)建工程路面設(shè)計理念，從典型病害預(yù)防、改善路面內(nèi)部應(yīng)力狀態(tài)等方面著手，探索有效的設(shè)計方法；提出分車道設(shè)計、以抗剪強(qiáng)度為主要設(shè)計指標(biāo)等來進(jìn)行。（3）需重視改擴(kuò)建路面的綜合設(shè)計，重視力學(xué)計算、拼接縫位置選擇、舊路硬路肩狀況評價等，綜合考慮選擇面層厚度及混合料類型以及拼接構(gòu)造。

參考文獻(xiàn)：

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作者：姜正暉 單位：浙江省交通規(guī)劃設(shè)計研究院有限公司