张小辉
（广东冠粤路桥有限公司,广东 广州 511450）
随着我国道路建设地区不同气候特点，经多年国内广东地区路面出现的病害类型和特点，主要路面病害是由于冻胀因素，导致沥青面层结构力学性能下降，同时在车辆荷载作用下导致路面产生裂缝、车辙等不同程度的病害，根据我国现行沥青路面规范和标准都是针对季冬地区普遍存在病害形式对路面建设提出的相关要求，但是由于广东地区气候特点和行车环境的不同采用合适的路面结构层对于沥青路面使用寿命至关重要，理论计算和实际环境、行车荷载存在实质性偏差，也是导致路面结构破坏因素之一[1]。
公路建设过程中遇到高差较大山区路段，需要设置较长路线纵坡，这种长大纵坡对于路面层结构安全是非常不利的，与平坡路面结构层受力不同，根据纵坡坡度大小不同，水平荷载系数差异也不一样，根据不同应力分布、路面结构内部受力导致路面结构在纵坡路段更容易发生破坏。
分布于我国广东、广西、海南等炎热潮湿南方地区，在不同地区气候分布时间和特点也不相同，包括行车荷载、气候环境条件、土壤结构状态、车流量、降水分布特点等，长大纵坡路段在车辆行驶条件、荷载应力结构分布都很容易造成路面车辙损坏、裂缝破坏、拥包等，根据现有广东软土地区道路病害调查情况车辙破坏是主要的破坏形式，其次是路面裂缝破坏。因此，长大坡路面结构寿命延长重点考虑车辙损坏和裂缝破坏。
1.1 路面车辙损坏
在南方降水较多地区路面车辙严重是普遍存在的路面损坏特点，就广东地区来说车辙深度在3 cm以上，这种车辙对于行车安全性是非常不利的。由于车辙导致车辆的事故也较为常见，及时对车辙病害进行修复非常有必要，在设计阶段如果能加强避免车辙结构设计，可以很大程度节约后期沥青路面的维修成本[2]。
1.1.1 沥青路面结构性车辙
结构性车辙是由于沥青路面结构层发生永久变形破坏形成的破坏，在长大坡地段对于车辙产生会更加严重，在坡道受力特点影响和重车作用下增加了道路受力破坏程度。在长大坡路段车辆行驶过程中水平剪应力一般要比平坡路段大3～5倍，更容易出现车辙破坏。这种车辙破坏会形成两侧的拥包，也会产生拉裂破坏。这种拥包多数是由于软土地基沉降造成的。
1.1.2 路面磨耗车辙
（1）路面磨耗车辙是南方最常见的道路破坏形式，在南方地区由于软土路基、降水量大、温度较高等都会导致路面出现磨耗型破坏，严重影响路面耐久性。
（2）沥青路面计算分析是建立在力学基础上，根据路面结构的应变、应力、位移对路面安全性和耐久性进行分析，随着时代进步，对于沥青路面设计和验算也在不断地进行优化，更加适合路面结构设计的地区特点。
1.2 路面面层松散损坏
在季节性长大坡路段路面出现结构松散脱落也是较为普遍情况，碎石从沥青表面脱落形成松散面层，同时影响车辆的安全性，导致路面剥落形成坑洞等，沥青面层产生剥落，在水和冰冻作用下使沥青结合层黏性变差，沥青混合料力学性能变差，在水的作用下加剧路面结构层的破坏。
和水平路面行车相比较，长大坡行车需要克服车辆自重引起的下滑力和摩擦力，地面和轮胎之间产生的滚动阻力，汽车爬坡需要克服重力坡道阻力和下滑力。根据我国现阶段研究成果，纵坡不大于3%路段行车水平荷载系数小于0.17，增加安全系数后通常取值0.2进行计算，当纵坡大于3%或处在高温等不利季节，水平力系数计算通常采用0.5进行计算。上坡汽车受力影响分析如图1 所示。
图1 汽车行驶在上坡路段受力分解图
路面结构破坏的主要原因是车辆行驶荷载造成的，也是影响路面安全性的最重要因素之一。平坡路段与长大纵坡路面的受力有所不同，长大坡在车辆行驶过程中需要克服水平荷载和垂直荷载共同作用产生力，沥青路面层在行车过程中受到的应变和结构内部应力呈现不同的分布状态，这种力学基础也是季冬区长大纵坡受力分析的基础。
3.1 路面结构材料参数
路面结构材料最常用的是沥青混合料面层、无机结合料基层共同组成，材料性能受环境的影响直接关系到路面结构的耐久性，路面结构材料影响路面耐久性。因此优化路面结构材料和结构厚度是至关重要的，材料力学性能是非常重要因素，该文通过泊松比和弹性模量来研究路面材料的力学性能[3]。
3.2 路面结构层的计算
路面结构层的计算主要是研究路面应力分布特点，应变作用特点，在路面受力时，这时计算与道路实际完成状态存在差异，此时假设路面为完全连续。在我国路面结构力学响应计算通常采用标准混合料稳定15 ℃计算模量，弯沉计算采用混合料20 ℃时计算模量。
该次采用广东省乐昌至广州高速公路樟市至花东段路面工程路面结构形式进行分析研究，高等级公路路面结构设计通常采用三层结构形式，沥青混凝土面层、中面层和下面层，沥青面层主要是用于保障道路行车舒适性和安全性的重要保证，因此在道路完成后运营通车，要求面层具有好的平整性、抗滑性能、较小车辙深度、较小裂缝等，路面不同混合料要求是保证路面施工质量的重要保证。
（1）根据地理环境区域特点路面结构的计算应力和结构层应变特性是路面设计重要原则，使路面设计既符合沥青路面设计规范，也要符合区域特点，在季冬长大坡路段地区需要满足季节性冰冻环境和长大坡路面受力特点，对于路面耐久性具有重要的作用和意义。
（2）沥青路面计算分析是建立在力学基础上，根据路面结构的应变、应力、位移对路面安全性和耐久性进行分析，随着时代进步，对于沥青路面设计和验算也在不断地进行优化，更加适合路面结构设计的地区特点。
4.1 沥青路面结构层要求
在长大坡路段由于车辆荷载反复作用，受到自然环境影响和力学性能影响，将路面荷载传递至路面基层，路面磨耗层是车辆行驶安全的重要保证，在道路建设方面地区环境和建设经验也是重要的设计依据，需要满足路面所处的环境条件、经济条件、交通条件等基本要求，路面的抗开裂性能、路面的抗滑性能、路面的高温抗车辙性能、路面低温抗裂性等都是终点需要考虑的路面指标。
路面结构层需要满足行车的耐久性、稳定性要求，路面层结构的承载力主要是由路面下基层和路面结构上基层来承担，无论什么结构形式的沥青路面都要求有很高的力学性能，用于抵抗车辆产生变形，这种用于抵抗路面变形会引起疲劳破坏，不管路面承受的水平荷载还是垂直荷载作用，都需要对路面进行精心的设计，严格控制施工质量。
在路面结构层和路基之间需要考虑冻融破坏因素，路基基层的拉应力在软土地区作用尤其重要，由于路基的变形明显，考虑不均匀沉降因素的影响，需要对路基进行防水处理，以确保路面结构不产生结构破坏。软土地区路基需要进行加固或换填处理，保证路基的密实、均匀、稳定，一般土路基回弹模量应大于40 MPa[4]。
4.2 混合料作用分析
4.2.1 表面层沥青混合料
广东地区路面结构表面层的抗滑性能要求相对较高，尤其是长大纵坡路段路面表面抗滑性能要求更高，由于夏季雨水较多、温度较高，道路的抗车辙性能和密水性和沥青材料温度特性密切有关，沥青混合料碎石需要有较大的硬度，要有较好耐磨性能，考虑广东地区雨水天气对路面长期作用影响，一般不会采用开级配类型路面结构层，最常采用改性沥青SMA-13/16这种间断级配路面结构形式，这种级配结构以粗骨料为主，对于路面抗滑性能改善作用明显。
4.2.2 中面层沥青混合料
中面层沥青结构混合料主要用来抵抗高温车辙，南方地区路面的抗疲劳开裂、抗剪切性能、抗车辙性能也主要由中面层结构承担，因此中面层相对于上面层沥青用量相对较小，骨料的含量和粒径相对表面层较大，在最常用于高等级路面中面层结构有改性沥青AC-20和AC-25，同时也需要保证中面层结构有较好的水密性，防止路面结构层产生泌水破坏。
4.2.3 下面层沥青混合料
路面结构下面层主要是用于预防路面上中面层产生破坏，保证上中面层路面结构层抗车辙和抗疲劳性能，从功能性要求里面下面层承受较小的压应力、拉应力和剪应力，在路面下面层同样有着抗冻性能要求，还需要保证在特殊天气情况下不产生较大的变形，在最常用的路面下面层结构混合料有AC-25、ATB-25、ATB-30，不宜采用透水性结构材料。
4.3 长大纵坡沥青路面要求
在特殊地区路面设计根据不同受力特点需要专门设计，对于南方地区长大坡路段的荷载、气候条件等都是路面设计过程中的难点，需要重点考虑单独进行设计。
4.3.1 路面防开裂设置
半刚性路面基层在广东地区最易产生裂缝病害，这种裂缝会通过下面层、中面层最终反射至表面层，这是由于无机结合料层有明显温缩影响，经研究半刚性基层材料的温缩性能和干缩性能都较大，主要以干缩性能为主，一般情况下无机结合料的干缩变形系数是温缩变形系数的10倍。在不断的温缩和干缩作用影响下，导致基层开裂形成反射裂缝。目前国内外采用以下几种方法控制基层裂缝的产生[5]。
1）增加半刚性基层力学性能，增加强度和刚度，以减小收缩变形。
2）增加半刚性基层中粗级配含量减小粉尘含量，这样有利于提高集料之间挤压密实度，减少水的影响，增强基层的排水性能。
3）与沥青面层接触面增设封层和透层，隔绝上部水下渗至基层，必要时适当增设切缝。
4）增设碎石垫层隔绝地下水对路面基层的影响，减小冻融作用对基层影响。
近些年来为减少基层反射裂缝采取了一定措施，比如设置土工格栅、玻璃纤维格栅、应力层等效果显著。
（1）设置应力吸收层。应力吸收层设置在路面底基层和路床顶面层，以提高路面结构层的整体抗剪切性能和抗弯刚度，增加路面结构受力的抗剪切和抗变形能力，可以吸收路面上部结构传递来的荷载作用，应力吸收层还能起到隔绝地下毛细水，排出层间水的作用，实践证明，对于保证路面结构使用寿命具有重要的作用，采用应力吸收层有效的避免了路床开裂带来的反射裂缝。
（2）设置土工隔栅或玻纤隔栅。格栅结构能抵抗路面结构层产生的横向裂缝，土工格栅和玻璃纤维格栅都是有较好的韧性，能提高路面结构整体性，可以抵消部分路基结构产生的拉应力，降低裂缝形成风险，最常用的格栅性能主要是用于抵抗路基路面的疲劳开裂、抵抗高温产生车辙变形、抵抗低温状态下收缩裂缝、延缓路面结构层反射裂缝发展。
4.3.2 设置路面防水层
广东地区对路面结构耐久性影响较大的就是高温雨季对路基土体形成水害，为防止路基结构渗水产生破坏，减小路基变形，保证在夏季多雨潮湿地区路面结构层能够抵抗水坏的影响，需要在路面结构层和路基之间设置防冻层，最常用的防水层就是碎石垫层、底基层，部分地区地下水较发育需要增设防水土工膜进行隔绝地下水。抗冻垫层通常采用透水性较好，强度较高，受冰冻影响较小的材料，比如粗砂、砂砾、碎石、煤渣、矿渣等都可以作为抗冻隔离层使用。
该文通过广东地区长大纵坡沥青路面设计、施工关键技术研究，分析总结得到以下结论：
（1）广东地区多数地区存在较多的软土地基，因此长大纵坡的设置需要考虑软土地基影响，该文根据路面结构特点，分析了长大纵坡路面结构受力特点，主要有车辙损坏和路面松散破坏。道路存在高温和水坏破坏的不良气候条件，再加上长大纵坡的路面不利受力状况，结合广东地区路面受力特点和力学相应特点，长大纵坡是路面结构容易破坏的重要因素。
（2）长大纵坡设置和施工关键控制技术都是针对路面结构特点选用的，第4节从路面结构层各个功能作用进行分析，从而有针对性的就长大纵坡路面病害特点进行分析研究，并提出采用设置隔离层、防冻层、土工格栅等措施来改善路面结构的耐久性，减小路面结构病害的产生。
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