对沥青公路路面设计的探讨
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摘要: 本文笔者根据从事路面设计工作的体会, 从以下几个方面对沥青混凝土路面结构设计中存在的一些问题进行探讨, 并请同行给予指正。
前言
随着我国经济快速的发展，道路交通迅速增长，大型客车和重型货车逐年增加。沥青混凝土路面设计、研究工作随着设计理论逐步完善，设计方法逐步合理，施工工艺不断改进。沥青混凝土路面因其有着行驶舒适、噪音小、施工周期短、养护方便等优点, 在公路建设中受到越来越多的亲睐。随着废旧沥青混合料再生技术的逐步推广, 更符合当前节约资源、环保的要求和走可持续发展道路的基本国策, 因此, 沥青路面已成为东部沿海地区新建公路项目路面类型的选择趋势。从已建沥青路面的使用情况上来看, 沥青路面普遍达不到设计寿命, 有些公路甚至使用不到两三年就不得不进行大面积翻修。这其中的原因是多方面的, 但也有不少是由于设计过程中不够深入细致, 设计的路面结构不合理, 造成了使用性能上缺陷。公路路面结构层出现的坑槽、开裂、车辙等路面结构破坏现象，其防治的关键还在于针对路基路面排水设施和路面沥青混凝土结构层进行合理的设计和布置，同时通过选用合理的路面结构类型，控制沥青混合集料采用的原材料类型和质量，尽量采用先进的施工技术和现场管理措施，严格控制路面结构的施工质量，是完全可以杜绝沥青混凝土早期病害，有效提高沥青混凝土路面结构的耐久性。
1路面设计弯沉值的确定
柔性路面结构体系比较复杂, 首先它是以层状结构支撑在无限深的路基上, 各层材料性质多变, 实际具有弹―粘―塑和各向异性, 特别还受到周围环境的气候、水文、地质的影响。其次, 作用在路面上汽车荷载的轻、重、多、寡以及分布不均匀等。所有这些因素都造成了试图建立一个精确的、通用的路面结构设计数学模型几乎是不可能的, 因此我们现在采用的路面设计理论是经过某些假定、简化过程的半理论、半经验的设计方法。此外, 虽然路面计算公式中没有明确给出安全系数, 但数学公式在推导过程中的假定、简化以及经验资料的分析取值都是偏安全考虑的。也就是说;在通常情况下采用现行的路面设计方法是可靠和安全的。
但是从设计角度来说是可靠和安全的计算方法( 包括采用的设计参数) 若照搬来计算施工检验弯沉却是不可靠。例如确定筑路材料回弹模量的大小: 对于设计而言取小一些计算出的路面结构偏厚, 偏安全, 这是合理的。但较小的回弹模量计算出的弯沉值偏大,若以此弯沉作为施工检验指标无疑是在人为降低路基、路面的强度指标, 与真实情况不符。但如果适当加大路基、路面的回弹模量值再重新计算检验弯沉, 则显然当计算至路表顶面弯沉时必然与原设计容许弯沉值不符, 这与设计又产生了矛盾。
《公路沥青路面设计规范》( JTG D50―2006) 中规定: “高速公路、一级公路、二级公路的路面结构, 以路表面回弹弯沉值、沥青混凝土层的层底拉应力及半刚性材料层的层底拉应力为设计指标。三级公路、四级公路的路面结构以路表面回弹弯沉值为设计指标。”其中路表面回弹弯沉值反映的是路面结构整体刚度, 路面各层层底拉应力是作为控制结构层疲劳开裂的设计指标。
目前, 由于对沥青层底拉应力的检测手段和方法还都不完善, 设计单位基本上都还是以设计弯沉值作为沥青路面的设计指标。在设计弯沉值的计算上, 一般是根据项目可行性研究报告中预测的年平均日交通量和车型比例组成, 来计算设计年限内一个车道上的累计当量轴次, 再结合公路等级、车道数, 路面结构类型, 计算得出路面的设计弯沉值。由于可行性研究报告中预测交通量是确定公路建设标准的理论依据,交通量的大小直接影响着公路等级、路基宽度, 为了迎合某些领导的主观意志, 实际交通量预测中往往存在着人为因素, 不能反映出真实的交通需求。另外,从当前社会汽车保有量的发展速度来看, 特别是在沿海经济发达地区, 运营公路的实际交通量增长率比当初理论上预测交通量要大很多, 这就使得路面设计弯沉的计算缺乏可靠的理论数据支持。在车型比例组成上, 各种车型的轴重分布以及车辆的空载, 满载和超载等因素很难在轴载计算中定量的得以体现, 综合考虑这些因素, 路面设计弯沉的确定不能仅仅建立在理论计算的基础上, 应该实事求是地根据工程实际经验来确定。
2路面结构类型的选择
沥青路面结构层次的合理选择和安排, 是整个路面结构是否能在设计使用年限里承受行车荷载和自然因素的共同作用, 同时又能发挥各结构层的最大效能, 使整个路面结构经济合理的关键。路面面层因直接承受行车和自然因素的反复作用, 要求强度高(抗拉和抗剪切) 、耐磨耗、抗滑、热稳性好和不透水, 因而通常选用粘结力较强的结合料和强度高的集料作为面层材料。沥青面层可以分为单层、双层或是三层。双层结构分为表面层、下面层, 三层结构分为表面层、中面层、下面层, 其中表面层应具有平整密实、抗滑耐磨、抗裂耐久的性能; 中面层、下面层应具有高温抗车辙、抗剪切、密实、基本不透水的性能, 下面层应具有耐疲劳开裂的性能。面层的类型应与公路等级、使用要求、交通等级相适应。基层主要承受由面层传递的车辆竖向荷载, 并把它扩散到垫层或土基中, 具有足够强度和刚度的基层是高水平行驶质量的必要保证。基层应根据当地材料的调查, 根据交通量及其组成、气候条件、筑路材料以及路基水文状况等因素, 选择技术可靠、经济合理的结构层。路面结构组合设计是一项经验性比较强的工作, 实际工作中存在着以下问题:
沥青面层的组合设计中随意性比较大。一般是结合交通量根据经验而定, 如三、四级公路可采用单层式, 二级以上公路一般采用双层式, 交通量特别大的一级公路和高速公路可采用三层式。因此不同的设计人员可能会设计出完全不同的路面结构, 特别是一级公路, 在交通量相近的情况下, 有的采用两层式, 有的采用三层式, 两者的厚度差别一般在3 cm 以上,这样设计出来的路面结构要么偏薄, 容易造成早期损坏; 要么偏厚, 造成工程投资上的浪费。
在沥青层厚度的拟定上对于最小压实厚度重视不够。为保证沥青混合料形成均匀而压实稳定的结构层次, 各结构层必须具有一定的厚度, 规范要求各层的厚度不宜小于3倍的混合料公称最大粒径。例如当沥青层为12 cm时, 习惯上设计成上面层5 cm中粒式AC-16 +下面层7cm粗粒式AC-25, 这样下面层的厚度与混合料的公称粒径就不满足3倍比例关系。
气候条件的影响在设计过程中容易忽视。如某地区属亚热带季风气候, 全年雨量充沛, 夏季气候炎热,沥青面层的选择应密级配沥青混合料(AC) , 密级配沥青混合料又分为粗型(AC-C) 和细型(AC-F) , 分别适应不同的气候和交通量条件, 设计中容易混淆这两种材料的适用性。
路面基层设计不够合理。沥青路面基本上都是采用半刚性基层, 基层材料一般就地取材, 有水泥稳定类、石灰及工业废渣稳定类等。沿海地区多山,石料来源丰富, 路面基层一般采用水泥稳定碎石基层。基层的厚度和水泥含量的控制也是设计中较难把握的, 水泥剂量太小, 不能保证基层的强度; 水泥剂量过大, 不仅不经济, 而且还容易引起基层裂缝的发展。基层的厚度不仅要满足路面结构整体强度的要求, 还要考虑施工中分层压实效果。设计中经常出现25 cm厚的基层厚度, 这样分一层施工则太厚, 难以压实; 分两层为12cm + 13cm则太薄, 导致基层产生过大的拉应力而开裂。
3路面材料设计参数的取值
《公路沥青路面设计规范》( JTG D50―2006) 中规定: 路面设计中各结构层的材料设计参数应根据公路等级和设计阶段的要求确定, 高速公路、一级公路施工图设计阶段应选取工程用路面材料实测设计参数, 各级公路采用新材料时, 也必须实测设计参数。高速公路、一级公路初步设计阶段或二级及二级以下公路设计时可借鉴本地区已有的试验资料或工程经验确定。可行性研究阶段可参考规范中附录设计参数。
路面设计过程中需要的材料设计参数主要是沥青混合料和基层材料抗压模量、劈裂强度以及土基的回弹模量。实际工作中, 设计单位一般没有力量去进行路面材料的测试, 比较理想的是在路面实施阶段获取第一手的设计材料参数, 但是建设程序上, 工程的实施必须是施工图设计文件经交通行政主管部门批准后才能进行, 也就是路面结构设计完成后才能实施, 而所以造成从可行性研究到施工图设计, 路面设计中材料参数大多都只是根据规范中附录的材料设计参数参考资料取值。而规范由于是面向全国的, 考虑了不同地区、不同气候条件等因素的影响, 给出的设计参数范围比较宽泛, 如中粒式沥青混凝土在20℃时的抗压模量, 规范给出的参考值是1000MPa～1400MPa, 高值和低值之间相差的幅度有40%之大。设计人员取值的随意性比较大, 有的就保守的取参考值中的低值, 这样事实上就给施工单位预留了很大的“偷工减料”的空间, 造成施工质量不高, 出不了精品工程。
4建议
(1) 设计弯沉值应该在理论计算的基础上, 根据同类工程经验对其合理性加以分析判断, 使之符合工程实际情况。
(2) 公路建设管理部门根据当地路面建设经验和使用效果, 拟定出适合各级公路的典型路面结构,以指导路面设计工作。
(3) 根据施工期间现场材料试验参数, 允许设计单位对路面设计进行合理调整。
参考文献
[1] JTG D50―2006公路沥青路面设计规范[S] .北京:人民交通出版社.
[2] 邓学钧.路基路面工程[M ] .北京:人民交通出版社.
[3] 吴国雄, 冯光乐,李拔.高速公路沥青路面设计若干问题综述[J].重庆交通学院学报.