浅谈我国道路路面结构的形式分析

发表时间:2016/3/8   来源:《工程建设标准化》2015年10月供稿   作者:刘磊
[导读] 新疆兵团勘测设计院(集团)有限责任公司 建院(石)市政所 我国自上世纪80年代末开始,高速公路事业快速发展,我国的公路事业进入了高速公路建设的新时代。

(新疆兵团勘测设计院(集团)有限责任公司 建院(石)市政所,新疆,832000)

【摘  要】随着中国经济的快速发展,国民经济水平的不断提高,交通运输事业随之大幅度发展,我国高速公路里程也在不断攀升。2013年我国新建高速公路8260公里,改建339公里;新改建国省干线2.86万公里;新改建农村公路21万公里。我国自上世纪80年代末开始,高速公路事业快速发展,我国的公路事业进入了高速公路建设的新时代。纵观我国高速公路的发展中,唯一美中不足的是有一些路面的使用寿命不长,发生了早期破坏现象。造成早期破坏的原因很多,主要有设计、施工、材料及管理方面的原因。
【关键词】柔性路面;市政道路;天然砂砾;沥青路面

        市政道路也出现类似破坏现象,以新疆为例截至2012年年底,新疆机动车和驾驶人保有量已分别突破350万辆和380万人,近3年年均增长分别达到17%和15%,公路总里程已突破16万公里,完成城乡道路运输客运量30.37亿人次,经营性道路运输完成货运量达4.65亿吨,并以每年6.7%的速度增长。至2013年10月底,机动车保有量已达387万辆,驾驶人总数已达407万人,预计到2015年,机动车和驾驶人保有量都将超过600万。从近几年的数据和对未来的预测可以看出交通出行活动日益频繁,可以预见未来市政道路巨大的运载压力。
        虽然市政道路的发展迅速,但市政道路路面结构等与日益增长的交通量之间存在着以下问题:1、近年来我国的机动车数量不断增多,重载现象普遍存在,对路面的承载力要求也呈上升状态;2、我国北方城市受地理位置的影响市政道路在使用过程中,受冬季极端气温的影响以及汽车荷载的疲劳作用,市政道路出现不同程度的破损。
        在北方市政道路中,多数采用半刚性基层,半刚性基层凭借其板体性能好、整体强度高的优势,占据全国沥青路面95%以上。在这些优点背后也潜藏着危机:半刚性收缩性大、易开裂,容易引起面层出现反射裂缝,反射裂缝也是导致沥青路面发生早期破坏的原因之一。
        解决市政道路早期出现路面破坏现象可以从沥青路面结构方面进行调整。国外较多采用了级配碎石、密级配沥青碎石等柔性材料作为基层沥青路面结构。作为柔性材料的级配碎石与密级配沥青碎石,其应力、应变协调过度比较顺利,同时它们均为颗粒状级配成型材料,故排水畅通,路面结构不易受到水的损害。从另一方面讲,柔性基层的应用对延缓反射裂缝发生起到重大作用。
        柔性路面相对于刚性路面而言,柔性路面的总体结构刚度较小,路面结构本身的抗弯拉强度较低。


在车辆荷载作用下,水泥混凝土结构层处于板体工作状态,竖向弯沉较小,路面结构主要靠水泥混凝土板的抗弯拉强度承受车辆荷载。通过板体的扩散分布作用,传递到基础上的单位压力较柔性路面小的多。
        在国外,级配碎石作为一种结合料处治粒料,被广泛应用于柔性路面基层中,美国是世界上最早采用沥青路面的国家,早在上世纪四十年代时,英、美等国通过采用足尺试验路等有效手段,研究了不同类型基层的沥青路面性能特点,其研究成果对我国基层形式发展有一定借鉴意义。
        近年来国外研究主要表现在两个方面:一是对于级配碎石的力学特性进行了研究,二是明确了级配碎石的设备、实验条件、试件成型方法、材料类型、尺寸、级配等规范。设计时路面的使用寿命不能只单单考虑沥青层及路基应变,应先考虑基层、底基层及路基的永久变形,尤其是针对薄层沥青路面及低质量基层、底基层材料。而如何通过室内试验得出级配碎石材料的反应特性,如何控制级配碎石的施工工艺、压实度的检验方法标准,如何通过实践后,其具体用于我国的设计体系中,还需深入探讨并进一步完善的问题。
        由于改革开放前我国交通量小,加之沥青价格比较昂贵,沥青中含蜡量比较高,高温稳定性能差,出于节省投资和避免车辙方面的考虑,一直采用强基薄面的路面结构组合设计思想。但是,近几年来随着经济飞速的发展,私家车的增多,道路里程不断地增长,交通轴载也在不断增加,超载现象也较为普遍,路面各种早期损坏现象普遍存在。我国目前的大部分路面仍采用的是半刚性基层,但是半刚性基层沥青路面的反射裂缝不可避免,加之耐久性差和使用寿命短等一系列的问题日益凸现。
        我国也有一些采用柔性基层的路面结构形式。起初的形式是铺筑试验路,调查分析使用效果。1990年广西玉林——山口修了长4.8Km试验路,路面结构形式为:沥青表面处治(3cm)+级配碎石层过渡层(10~15cm)+掺5%的水泥稳定砂砾(17~24cm)。经实践检验得知,这种倒装式半刚性基层沥青路面在使用期间无横缝,处于良好状态,至此倒装式结构在玉林地区得到普遍推广。1998年广西公路局对沥青路面早期损坏进行调查,并对全区柔性基层和倒装式沥青路面结构的使用情况进行汇总,(1)采用4cm沥青碎石+35cm级配碎石的基层结构,损坏主要表现为坑槽、龟裂及车辙。(2)3cm沥青表面处治+10~15cm级配碎石基层+16cm石灰土(或17~24cm水泥山砂)结构,这种结构路面基本完好,没出现横缝,局部产生了坑槽、龟裂、网裂等病害。
        在20世纪80年代以前,全国不少地方铺筑天然砂砾和碎石基层的沥青路面,以北京建筑的级配砂砾基层沥青路面结构为典型。当时的路面大部分为上拌下贯式或贯入式路面,面层厚度比较薄(还不到10cm),中间进行几次罩面。在一些交通量比较大且超载也很多的路面,加铺罩面之后,进过多年通车使用,很少见横向裂缝与车辙,路面却发生了龟裂,尤其是龟裂后的沥青层仍可以再使用,而不容易产生坑槽,究其原因为,路面进入的水可以从基层排出。
        通过以上柔性基层及极配碎石过渡层基层的使用情况调查研究认为:采用级配碎石作为过渡层,可以消减或缓解半刚性基层沥青路面的反射性裂缝问题。同时采用柔性基层不会增加路面的车辙。一般采用柔性基层的沥青都较薄,沥青层层底的弯拉应变较大,容易在交通荷载反复作用下产生疲劳破坏。
        级配碎石在国内的应用较早,但相关研究较晚。因近年来半刚性基层沥青路面反射裂缝问题日益突出,故修筑了一些级配碎石抗裂层试验工程,并开展了CBR、动弹性模量试验研究。西安试验路级配碎石基层防裂对比研究,沪宁高速公路无锡试验路级配碎石基层防裂对比研究,宁连一级公路淮阴试验路级配碎石基层及土工格栅夹层防裂对比研究,观测表明级配碎石能有效防止反射裂缝。
        近几年沥青稳定碎石在路面结构设计中,也逐渐成为研究重点,主要是柔性基层可以缓解半刚性沥青路面中出现的反射裂缝。而在柔性基层材料中,沥青稳定碎石的回弹模量较级配碎石要大,对于路面的抗弯拉强度和刚度而言,模量和刚度相应的增加,那么沥青层层底的拉应力也会相应的减小。
        综上所述,国内的沥青路面结构形式比较单一,半刚性路面在沥青路面中占有绝大部分的比例,一方面半刚性路面的承载力比较大,另一方面半刚性路面的指标比较齐全,应用起来比较方便,再加上半刚性的路面的路表弯沉较小等等,使得它成为大家公认的较好路面结构。但是不可否认的是,半刚性路面的反射裂缝是不可避免的,而有反射裂缝引起的路面早期破坏,是当今路面中主要的原因之一。沥青路面结构形式的单一性,促使我们不断地去尝试新的路面结构形式。比如说采用组合是基层柔性基层沥青路面结构,这一方面可以缓解因柔性与半刚性之间的间断衔接,另一方面也可以缓解或推迟反射裂缝的出现时间。而在现阶段路面结构的研究中,结构形式的多样化更能促进公路事业的不断发展,也能使得以后的路面拓展的更宽。柔性基层路面结构也是以后的一个发展方向。

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