高速公路改擴(kuò)建瀝青路面設(shè)計(jì)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(diǎn)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(jì)規(guī)范在改擴(kuò)建工程設(shè)計(jì)中存在的不足，提出高速公路改擴(kuò)建路面設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)算結(jié)構(gòu)層厚度?？紤]到“強(qiáng)基薄面”理念在高等級(jí)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(jì)規(guī)范不僅增加了交通量等級(jí)劃分，而且將設(shè)計(jì)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(shí)鼓勵(lì)有條件時(shí)對(duì)剪切強(qiáng)度進(jìn)行驗(yàn)算等。在具體實(shí)踐中，面層也有適當(dāng)加厚的趨勢(shì)，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(shí)際病害發(fā)生機(jī)理出發(fā)，強(qiáng)調(diào)基于性能設(shè)計(jì)、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(jì)理論和實(shí)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(yàn)或設(shè)計(jì)人員經(jīng)驗(yàn)，便可能出現(xiàn)設(shè)計(jì)不夠合理或針對(duì)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(diǎn)，改擴(kuò)建后一般實(shí)行渠化交通管理又是其運(yùn)營特點(diǎn)，與新建工程相比，需考慮的因素更多。目前中國改擴(kuò)建實(shí)踐雖已較多，但仍處于起步發(fā)展階段，對(duì)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(jì)時(shí)往往針對(duì)性不足。改擴(kuò)建路面設(shè)計(jì)包含拼寬新建路面、舊路面利用與處治、路面拼接3個(gè)主要部分。該文基于浙江省高速公路改擴(kuò)建實(shí)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(diǎn)，分析其破壞機(jī)理，提出若干針對(duì)性措施以及設(shè)計(jì)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(diǎn)，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(shí)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(jì)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(duì)路面性能、病害進(jìn)行了較為全面的檢測(cè)與評(píng)價(jià)。對(duì)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(diǎn)、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(xiàng)目路段的實(shí)際有一定關(guān)聯(lián)，但同時(shí)也是改擴(kuò)建項(xiàng)目共性的易發(fā)病害，改擴(kuò)建工程路面設(shè)計(jì)的主要關(guān)鍵就是要針對(duì)這些病害進(jìn)行預(yù)防性設(shè)計(jì)。

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(duì)該類病害形成機(jī)理已有了一定的研究，但實(shí)踐中的認(rèn)識(shí)還比較模糊。以往對(duì)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(diǎn)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(duì)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(shí)踐中發(fā)現(xiàn)：①該類裂縫與基層拼接面位置具有對(duì)應(yīng)現(xiàn)象；②即使路表目測(cè)很細(xì)的裂縫，同時(shí)也未見沉陷現(xiàn)象，但取芯顯示實(shí)際裂縫均貫穿整個(gè)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(tái)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(shí)，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(tái)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(shí)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(shí)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(huì)非常快，尤其當(dāng)位于輪跡帶位置且重車較多時(shí)。實(shí)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(duì)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(diǎn)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(duì)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(huì)反映出來。（2）缺乏初始?jí)好芤约奥坊鶋嚎s、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(jì)后突遇行車荷載作用，對(duì)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(shí)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(jì)方法適宜性分析及對(duì)策

從前述可知，對(duì)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(diǎn)，典型病害及其發(fā)生特點(diǎn)決定了設(shè)計(jì)理念需要更進(jìn)一步更新，改變常規(guī)設(shè)計(jì)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(jì)。

3．1分車道設(shè)計(jì)

現(xiàn)行規(guī)范采用累計(jì)軸次將路面設(shè)計(jì)與交通量建立關(guān)聯(lián)，對(duì)不同軸載采用軸載換算系數(shù)折算成標(biāo)準(zhǔn)軸載，對(duì)不同車道采用橫向分布系數(shù)考慮實(shí)際行駛特性差異。一個(gè)橫斷面上不同車道的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)是相同的，控制指標(biāo)也是相同的。筆者認(rèn)為對(duì)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(jì)指標(biāo)仍是彎沉，設(shè)計(jì)彎沉對(duì)應(yīng)一定的軸次，而實(shí)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(shì)必引起外側(cè)車道實(shí)際壽命縮短，后者引起改擴(kuò)建時(shí)原路利用率降低、處治難度及投資增加。（2）分車道設(shè)計(jì)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(diǎn)也使冷接縫可能帶來的隱患大大減小，事實(shí)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(shí)上在實(shí)際設(shè)計(jì)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(duì)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(jì)的實(shí)際案例，至今將近10年的使用實(shí)踐證明了其效果的顯著性。

3．2設(shè)計(jì)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(jì)方法，實(shí)踐中應(yīng)積極探索應(yīng)用，尤其是對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)、檢測(cè)方法。現(xiàn)有的理論分析表明，新老路基層模量差異越大，對(duì)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(diǎn)、邊通車邊施工等限制，現(xiàn)實(shí)中難以互相有效匹配，這就從另一個(gè)方面對(duì)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(duì)應(yīng)拼接構(gòu)造的力學(xué)響應(yīng)分析計(jì)算

不同項(xiàng)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(jì)中要綜合考慮受力與施工兩個(gè)方面。以往設(shè)計(jì)時(shí)更多從利于施工控制、利于拼接壓實(shí)與黏結(jié)的角度，較缺乏力學(xué)計(jì)算。從拼接縱向裂縫的破壞機(jī)理看，今后有必要加強(qiáng)對(duì)具體拼接構(gòu)造的力學(xué)分析，針對(duì)不同的臺(tái)階設(shè)置位置、寬度等進(jìn)行計(jì)算，避免或減少拼接部不利的受力模式，重點(diǎn)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(píng)價(jià)

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(cè)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)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(shí)曾對(duì)此作了一定研究嘗試，從宏觀（技術(shù)狀況）、中觀（混合料級(jí)配、松散程度等）、微觀（瀝青指標(biāo)等）3個(gè)層面逐級(jí)評(píng)價(jià)，探索定量的利用標(biāo)準(zhǔn)，但受舊路養(yǎng)護(hù)、運(yùn)營、檢測(cè)方法等影響，實(shí)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(píng)價(jià)，現(xiàn)場按一定的標(biāo)準(zhǔn)經(jīng)驗(yàn)判別的方式進(jìn)行。檢測(cè)評(píng)價(jià)時(shí)，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(huì)被忽略。如前述的一些原因，其實(shí)對(duì)硬路肩的評(píng)價(jià)有時(shí)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(píng)價(jià)時(shí)對(duì)該路的病害特點(diǎn)、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(cè)評(píng)價(jià)也是重要的依據(jù)，施工過程中，需要一個(gè)再評(píng)價(jià)程序，以對(duì)設(shè)計(jì)過程中的結(jié)論作進(jìn)一步修正。當(dāng)然目測(cè)評(píng)價(jià)主要依賴主觀經(jīng)驗(yàn)，目前并沒有一個(gè)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(duì)待，統(tǒng)籌分析。

3．5拼接縫位置

輪跡帶是個(gè)相對(duì)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(diǎn)等有關(guān)，左右側(cè)輪跡也非完全在車道上對(duì)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(shí)，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(duì)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(jì)時(shí)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(jì)

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(jì)等。改擴(kuò)建路面需要綜合設(shè)計(jì)，不能互相割裂按常規(guī)的習(xí)慣“單獨(dú)設(shè)計(jì)”。

4結(jié)論

（1）對(duì)改擴(kuò)建工程路面典型病害、現(xiàn)象特點(diǎn)、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(diǎn)及運(yùn)營特點(diǎn)，有必要進(jìn)一步更新改擴(kuò)建工程路面設(shè)計(jì)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(jì)方法；提出分車道設(shè)計(jì)、以抗剪強(qiáng)度為主要設(shè)計(jì)指標(biāo)等來進(jìn)行。（3）需重視改擴(kuò)建路面的綜合設(shè)計(jì)，重視力學(xué)計(jì)算、拼接縫位置選擇、舊路硬路肩狀況評(píng)價(jià)等，綜合考慮選擇面層厚度及混合料類型以及拼接構(gòu)造。

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作者：姜正暉 單位：浙江省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司