衛(wèi)小凱

（新疆交通建設(shè)（集團）有限責(zé)任公司，新疆 烏魯木齊 830016）

0 引言

隨著我國現(xiàn)代化建設(shè)的不斷推進，高速公路的負(fù)荷也越來越大，并且超載現(xiàn)象頻頻發(fā)生，使得高等級瀝青混凝土路面損害非常嚴(yán)重，對行車造成了安全隱患[1]。目前，國內(nèi)外研究瀝青路面不均勻沉降的現(xiàn)狀主要為建立數(shù)學(xué)模型，采用有限元法進行分析。本文從我國現(xiàn)有部分高速公路的路面結(jié)構(gòu)出發(fā)，討論了瀝青路面結(jié)構(gòu)沉降現(xiàn)狀，并分析得到了最優(yōu)的路面結(jié)構(gòu)和厚度，對瀝青路面不均勻沉降進行了應(yīng)力分析，提出了降低高速公路瀝青路面不均勻沉降損害的措施。筆者建立了瀝青路面沉降的有限元法計算模型并利用數(shù)值軟件進行分析，為瀝青路面結(jié)構(gòu)的設(shè)計和施工提供了一定依據(jù)。

1 不均勻沉降的現(xiàn)狀

隨著我國現(xiàn)代化建設(shè)的不斷推進，高速公路里程逐年增加，截止到2013年已達到9.6萬km，居世界前列。其中，超過90%的高速公路采用半剛性瀝青路面。表1為我國廣東省部分干線高速公路的面層結(jié)構(gòu)、基層結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)厚度、通車年份，路面狀況等信息[2-3]。

表1 我國廣東省部分高速路面結(jié)構(gòu)概況

表1（續(xù)）

瀝青路面的不均勻沉降主要出現(xiàn)在軟土基結(jié)合處，嚴(yán)重的沉降還會使路面出現(xiàn)一個錯臺，如果不及時處理就會產(chǎn)生板塊斷裂和裂縫加劇。研究表明，瀝青路面不均勻沉降的原因主要有[4]：（1）高速公路里程較長、施工單位的不同、新老路段的交替、路基地質(zhì)條件差均能導(dǎo)致路面產(chǎn)生沉降性差異；（2）道路施工過程中沒有將瀝青路面壓實到位，填筑速率過快，新修建的瀝青路面具有可塑性，經(jīng)載荷作用一段時間后會發(fā)生大規(guī)模的不均勻沉降；（3）高等級公路往往交通量大，路面受到較大的車輛載荷作用，強度和剛度一直下降，引起路面不均勻沉降，不均勻沉降導(dǎo)致路面出現(xiàn)錯臺，增大行車阻力。

2 不均勻沉降應(yīng)力分析

瀝青路面沉降由地基自身重力沉降和車輛載荷附加應(yīng)力沉降兩部分組成，路基在它們共同的作用下開始沉降，經(jīng)歷瞬時沉降、主固結(jié)沉降、固結(jié)沉降三個部分，分別用Si、Sc、Ss表示，如圖1所示。

圖1 瀝青路面隨時間沉降示意圖

為了更好地對瀝青路面不均勻沉降進行分析，依據(jù)我國設(shè)計規(guī)范的相關(guān)要求，結(jié)合廣東省部分高速路面結(jié)構(gòu)概況，確定了四種瀝青路面結(jié)構(gòu)進行數(shù)值實驗分析。四種瀝青路面的結(jié)構(gòu)組成，如表2所示。

表2 四種試驗路面結(jié)構(gòu)概況

4種結(jié)構(gòu)墊層均為15cm未篩分碎石，可以起到有效排除路基結(jié)構(gòu)中的自由水，改善路面結(jié)構(gòu)的濕度的作用。結(jié)構(gòu)1、2、4的基層均為水穩(wěn)碎石分層，起到了增加路面強度和抗疲勞的作用。經(jīng)試驗研究和計算，得到了四種結(jié)構(gòu)路面不均勻沉降的情況（見圖2）。

圖2 4種結(jié)構(gòu)不均勻沉降情況

由圖2可知，結(jié)構(gòu)1的不均勻沉降量最大，為4.8cm；結(jié)構(gòu)3的不均勻沉降量最小為2.5cm，主要是由于結(jié)構(gòu)3的柔性基層較厚。不均勻沉降會使路面出現(xiàn)一個錯臺，如不及時處理就會產(chǎn)生板塊斷裂和裂縫加大，致使路面損害加劇，因此，對瀝青路面不均勻沉降進行有限元法應(yīng)力分析具有重要的意義。以結(jié)構(gòu)3為例進行應(yīng)力分析，4cm細(xì)粒瀝青混凝土的彈性模量為2 000MPa，5cm中粒瀝青混凝土的彈性模量為1 800MPa，12cm瀝青碎石的彈性模量為1 400MPa，22cm水穩(wěn)碎石的彈性模量為1 300MPa，30cm級配碎石的彈性模量為250MPa，15cm未篩分碎石的彈性模量為180MPa。經(jīng)ANSYS有限元法軟件分析，該結(jié)構(gòu)面層處于受壓狀態(tài)，下基層處于受壓狀態(tài)，不均勻沉降量取4cm、6cm、8cm、10cm下的應(yīng)力情況見圖3，施加位移載荷后的附加應(yīng)力分析見圖4。

圖3 結(jié)構(gòu)不均勻沉降應(yīng)力分析

圖4 施加位移載荷后的應(yīng)力分析

3 不均勻沉降應(yīng)對措施

在修建高速公路時，經(jīng)常受工期緊張、施工單位不同、地質(zhì)條件差異較大、施工條件復(fù)雜等因素影響。目前，從處理高速公路不均勻沉降的方法來看，主要有輕質(zhì)材料法、排水固結(jié)法、復(fù)合地基法等[5]。對于瀝青路面的不均勻沉降，主要應(yīng)對措施包含以下方面[3-5]。

（1）在結(jié)合處開挖臺階，以便于為不同段的路基提供更多的接觸面積，使沉降均勻化。

（2）提高瀝青路面路基的填土壓實度，采用大型機械進行反復(fù)壓實，施工死角也要用小型機械填筑壓實。

（3）選用4cm細(xì)粒瀝青混凝土、5cm中粒瀝青混凝土做面層，12cm瀝青碎石、22cm水穩(wěn)碎石、30cm級配碎石作基層，15cm未篩分碎石做墊層的路面結(jié)構(gòu)，經(jīng)有限元分析這種結(jié)構(gòu)的沉降量最小。

（4）高速公路的交通量非常大，路面受到較大的車輛載荷作用，強度和剛度一直下降，引起路面不均勻沉降，因此，管理單位要嚴(yán)格控制超限超載車輛，以免對路面造成損害。

4 結(jié)語

以高速公路瀝青路面不均勻沉降的為研究對象，筆者統(tǒng)計了廣東省部分高速公路的路基結(jié)構(gòu)和損害情況，分析了瀝青路面產(chǎn)生不均勻沉降主要為地質(zhì)差異、材料差異、壓實度不同等原因。從我國部分現(xiàn)有高速的路面結(jié)構(gòu)出發(fā)，討論了瀝青路面結(jié)構(gòu)沉降現(xiàn)狀，并分析得到了最優(yōu)的路面結(jié)構(gòu)和厚度，對瀝青路面不均勻沉降進行了應(yīng)力分析，提出了降低高速公路瀝青路面不均勻沉降損害的措施。試驗結(jié)果表明，選用4cm細(xì)粒瀝青混凝土、5cm中粒瀝青混凝土作面層，12cm瀝青碎石、22cm水穩(wěn)碎石、30cm級配碎石作基層，15cm未篩分碎石作墊層的路面結(jié)構(gòu)，經(jīng)有限元分析此結(jié)構(gòu)的沉降量最小。希望為今后城市道路結(jié)合處的設(shè)計和損害處理提供參考。

[1]沙慶林.高速公路瀝青路面早期破壞現(xiàn)象及預(yù)防（2版）[M].北京：人民交通出版社，2007.

[2]高文武.軟土地區(qū)瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計方法研究[D].重慶：重慶交通大學(xué)，2010.

[3]陳冠雄，黃國宣.廣東省高速公路軟基處理實用技術(shù)[M].北京：人民交通出版社，2005.

[4]崔鵬，邵敏華，孫立軍.長壽命瀝青路面設(shè)計指標(biāo)研究[J].交通工程運輸學(xué)報，2008，8（3）：37-42.

[5]JTG D50—2006，公路瀝青路面設(shè)計規(guī)范[S].