高速公路改擴建瀝青路面設計關鍵問題探析

姜正暉

(浙江省交通規劃設計研究院有限公司， 浙江 杭州 310006)

1 概述

中國瀝青路面設計方法是以理論分析為基礎，主要基于半剛性基層提出，采用彈性層狀體系理論計算結構層厚度?？紤]到“強基薄面”理念在高等級公路中常見的問題以及重載作用下新出現的破壞模式等，現行設計規范不僅增加了交通量等級劃分，而且將設計指標從原單一的路表彎沉修正為路表彎沉、瀝青面層層底拉應力與半剛性基層層底拉應力，同時鼓勵有條件時對剪切強度進行驗算等。在具體實踐中，面層也有適當加厚的趨勢，并且進行了柔性基層、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生機理出發，強調基于性能設計、改善結構層內部應力應變狀態的理念。但由于這些研究還未成熟到足以納入規范的程度，故目前設計理論和實踐存在一定的脫節現象，一定程度上需要依賴地區經驗或設計人員經驗，便可能出現設計不夠合理或針對性不強的現象。

高速公路改擴建工程具有鮮明的工程特點，改擴建后一般實行渠化交通管理又是其運營特點，與新建工程相比，需考慮的因素更多。目前中國改擴建實踐雖已較多，但仍處于起步發展階段，對改擴建路面的損壞模式、機理等還沒有系統的研究，設計時往往針對性不足。改擴建路面設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建實踐，經長期跟蹤，總結改擴建路面常見病害的類型與特點，分析其破壞機理，提出若干針對性措施以及設計解決思路。

2 瀝青路面拼寬典型病害分析

2.1 典型路面結構

改擴建工程拼寬是其工程特點，一般情況下原路面保留利用，外側拼寬新建路面，為改善路表功能或補強原路面進行單一罩面或補強罩面，典型的構造如圖1所示。

圖1 拼寬路面典型構造

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建的高速公路之一，分三期建設并于2003、2005、2007年陸續建成。由于該高速公路處于軟土地區，舊路沉降較大且穩定期長，為避免一次投入加鋪量過大及引起加速沉降，路面設計采用先拼寬，后期結合養護加鋪逐漸改善線形的方法。在后期養護的縱坡調整過程中，對路面性能、病害進行了較為全面的檢測與評價。對病害進行總結區分后，剔除與新建工程共性的類型，總結改擴建工程的6種典型病害，分析其發生頻率、現象特點、發生原因及損壞機理，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，這些病害發生的頻率多少與調查項目路段的實際有一定關聯，但同時也是改擴建項目共性的易發病害，改擴建工程路面設計的主要關鍵就是要針對這些病害進行預防性設計。

表1 改擴建工程典型路面病害及分析

2.3 拼接縱向裂縫的破壞機理

表1中拼接縱向裂縫這一類型是改擴建拼寬路面特有的一種病害，目前對該類病害形成機理已有了一定的研究，但實踐中的認識還比較模糊。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行研究，提出控制差異沉降的技術指標和工程措施，較少從新老路基層拼接的天然缺陷(即極小的傳荷能力)、拼接細部構造等對路面內部應力狀態影響的角度進行研究。

筆者在工程實踐中發現：① 該類裂縫與基層拼接面位置具有對應現象；② 即使路表目測很細的裂縫，同時也未見沉陷現象，但取芯顯示實際裂縫均貫穿整個面層。據此推斷：裂縫是自下而上反射的，類似傳統半剛性基層或水泥板上加鋪層反射裂縫的機理，由于基層傳荷能力小，在偏載作用下，彎沉差使得面層內部剪應力水平過高，重復荷載作用下發生剪切疲勞開裂?，F場調查、取芯的照片如圖2所示。

圖2 拼接位置及對應面層芯樣

文獻[2]采用有限元方法從理論上分析了不同荷載位置、基層連續或不連續、是否設置臺階等不同條件下拼接路面的力學響應，得出如下主要結論：

(1) 偏載是最不利荷載位置。

(2) 新老基層模量差異越大，面層內部剪應力越大。

(3) 基層拼接面不連續時，面層內最大剪應力及層底剪應力增大明顯。

(4) 設置臺階、增強界面黏結有利于改善面層剪應力水平。

這些理論分析結論，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，疲勞作用的時間遠大于半剛性基層的橫向反射裂縫，拼接開裂擴展速度會非?？?，尤其當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16 cm以上，部分位置兩年之內即反射至了路表，這種速度遠遠大于半剛性基層傳統的反射裂縫，危害也更大。

2.4 車轍

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

2.5 老路硬路肩沉陷與開裂

改擴建后運營往往采用分車型分道行駛管理，內側一、二車道以客車為主，外側三、四車道以貨車為主。在原路正常養護的前提下，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，之前未經車輛行駛反映不出，但改擴建后將會反映出來。

(2) 缺乏初始壓密以及路基壓縮、干濕循環等作用，使得路基路面間可能存在微小的脫空，未經車輛行駛，路基路面材料自身的協調適應能力之前難以發揮，累計后突遇行車荷載作用，對路面結構受力不利。

(3) 瀝青老化，長期雨水等作用，使混合料水穩定性、抗裂性等降低。

(4) 與部分拼寬新建路面共同組成三車道，二者協調變形性差。

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)。但目前看其發生機理與傳統病害無本質區別。

3 現有設計方法適宜性分析及對策

從前述可知，對改擴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，典型病害及其發生特點決定了設計理念需要更進一步更新，改變常規設計習慣，更多從預防典型病害的角度，從結構內部應力應變狀態的角度去進行綜合設計。

3.1 分車道設計

現行規范采用累計軸次將路面設計與交通量建立關聯，對不同軸載采用軸載換算系數折算成標準軸載，對不同車道采用橫向分布系數考慮實際行駛特性差異。一個橫斷面上不同車道的設計標準是相同的，控制指標也是相同的。筆者認為對改擴建工程，仍然延續這一方法值得商榷。

(1) 目前主要的設計指標仍是彎沉，設計彎沉對應一定的軸次，而實際上改擴建后車道間的作用次數差異非常大，用單一彎沉控制要么造成外側車道不足，要么造成內側車道富余過大，前者勢必引起外側車道實際壽命縮短，后者引起改擴建時原路利用率降低、處治難度及投資增加。

(2) 分車道設計可能帶來分車道施工，冷接縫施工質量主要取決于現場控制，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。

事實上在實際設計中，各地已經或多或少、或有意或無意地運用了分車道理念，比如對拼寬新建部分適當加厚結構層厚度、使用模量高的瀝青混合料等。文獻[3]介紹了滬杭高速公路嘉興段分車道設計的實際案例，至今將近10年的使用實踐證明了其效果的顯著性。

3.2 設計指標完善

車轍和拼接縱向裂縫二者均與混合料內部所受的剪應力水平過高有關，從病害發生機理看，路表彎沉、層底拉應力往往并非主要控制指標。文獻[4]、[5]提出了基于抗剪強度的設計方法，實踐中應積極探索應用，尤其是對應的試驗、檢測方法。

現有的理論分析表明，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、運營特點、邊通車邊施工等限制，現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度提出了更高的要求。

3.3 加強對應拼接構造的力學響應分析計算

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

3.4 加強老路硬路肩結構狀況的分析評價

改擴建工程舊路面的利用標準較復雜，目前大多通過一定的檢測，根據經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。滬寧高速公路改擴建時曾對此作了一定研究嘗試，從宏觀(技術狀況)、中觀(混合料級配、松散程度等)、微觀(瀝青指標等)3個層面逐級評價，探索定量的利用標準，但受舊路養護、運營、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、強度狀況進行評價，現場按一定的標準經驗判別的方式進行。

檢測評價時，由于原路硬路肩未經車輛作用，基本保留著原始的結構狀態，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鍵。早期高速公路的早期損壞現象比較普遍，與路面結構性能考慮不足、施工質量不好等多因素有關。一、二車道歷經多年養護其缺陷可能逐漸得到修復，加上運營特性以客車為主，一般問題不大。硬路肩則反而易在改擴建后再步后塵，重復之前的病害過程。故評價時對該路的病害特點、養護歷史等需要更加詳細了解。另拼接前側面的目測評價也是重要的依據，施工過程中，需要一個再評價程序，以對設計過程中的結論作進一步修正。當然目測評價主要依賴主觀經驗，目前并沒有一個固定的判定標準，不同道路情況存在差別，需要參建各方認真對待，統籌分析。

3.5 拼接縫位置

輪跡帶是個相對的范圍或寬度，其在車道中的位置與車道數量、渠化管理、車型特點等有關，左右側輪跡也非完全在車道上對稱分布。文獻[6]給出了上海外環線輪跡在車道的橫向分布，顯示八車道高速公路，外側車道主要供大型車行駛時，輪跡帶寬度約為1.0 m，分布在距左邊緣0.5～1.5 m、距右邊緣0.2～1.2 m，留給拼接縫布設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理及擴展速度來看，應盡可能將基層拼接縫設置于車道中心或二、三標線位置，設計時應予以特別重視，若做不到須有其他的解決措施。

3.6 綜合設計

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造，拼接構造影響面層受力狀態，進而影響面層厚度及類型設計等。改擴建路面需要綜合設計，不能互相割裂按常規的習慣“單獨設計”。

4 結論

(1) 對改擴建工程路面典型病害、現象特點、發生原因與機理等進行了總結；提出拼接縱向裂縫這一改擴建工程特有病害的發生機理，即剪切疲勞破壞。

(2) 鑒于工程特點及運營特點，有必要進一步更新改擴建工程路面設計理念，從典型病害預防、改善路面內部應力狀態等方面著手，探索有效的設計方法；提出分車道設計、以抗剪強度為主要設計指標等來進行。

(3) 需重視改擴建路面的綜合設計，重視力學計算、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造。