本文結(jié)合內(nèi)蒙古地區(qū)交通量、軸載分布以及路面使用現(xiàn)狀和交通狀況,對重冰凍區(qū)路面設(shè)計(jì)軸載參數(shù)進(jìn)行深入研究,得出了重冰凍區(qū)季節(jié)軸載換算參數(shù)。通過長壽命瀝青路面設(shè)計(jì)理念,按照長壽命瀝青路面結(jié)構(gòu)層位功能要求,路面結(jié)構(gòu)特殊功能層設(shè)置及合理基層類型,提出了該地區(qū)長壽命瀝青路面結(jié)構(gòu)組合設(shè)計(jì)及層間處置方法。
設(shè)計(jì)原則
重冰凍區(qū)長壽命瀝青路面的結(jié)構(gòu)組合設(shè)計(jì)，需要結(jié)合本地區(qū)氣候及交通條件，遵從一定的設(shè)計(jì)原則。首先，結(jié)構(gòu)組合與路面結(jié)構(gòu)類型要相匹配。根據(jù)基層類型的不同，重冰凍區(qū)長壽命瀝青路面在基層面層之間設(shè)置應(yīng)力吸收層或采用復(fù)合式基層結(jié)構(gòu)較為合理。其次，層間結(jié)合保證連續(xù)。在設(shè)計(jì)中必須考慮封層、粘層、透層等設(shè)計(jì)的粘結(jié)層，要滿足重冰凍區(qū)長壽命瀝青路面結(jié)構(gòu)要求。瀝青結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)是瀝青結(jié)構(gòu)層間結(jié)合處，必須加強(qiáng)長壽命瀝青路面層間結(jié)合，避免產(chǎn)生層間滑移。最后，長壽命路面需滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)及要求。設(shè)計(jì)中疲勞極限的彎拉應(yīng)變低于彎拉應(yīng)變的臨界點(diǎn)疲勞極限，瀝青混合料層底就不會產(chǎn)生疲勞損傷，從而得出重冰凍區(qū)長壽命瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)指標(biāo)。
確定計(jì)算參數(shù)
為提高路面的抗裂性能、抗低溫性能、抗剪切及抗車轍性能，降低裂縫的發(fā)生等技術(shù)問題，應(yīng)改進(jìn)路面設(shè)計(jì)。在保證路基穩(wěn)定的前提下，提高路面結(jié)構(gòu)整體強(qiáng)度，半剛性基層應(yīng)具有一定抗開裂性能和強(qiáng)度；復(fù)合基層應(yīng)考慮柔性和半剛性結(jié)構(gòu)層的合理組合；在半剛性基層與瀝青面層之間設(shè)置應(yīng)力吸收層，防止半剛性路面的反射裂縫。下面層主要考慮抗疲勞開裂和抗車轍性能；中面層要有良好的抗剪切性能和抗車轍性能；上面層要有良好的抗低溫性能和抗裂性能。根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)和原施工圖設(shè)計(jì)，確定路面各結(jié)構(gòu)層的軸載參數(shù)分析、材料參數(shù)以及本地區(qū)交通量的調(diào)查，確定重冰凍區(qū)長壽命瀝青路面軸載參數(shù)。并通過超載情況、軸載換算指數(shù)取值、交通量增長率、設(shè)計(jì)年限以及土質(zhì)的季節(jié)修正系數(shù)，計(jì)算綜合季節(jié)修正系數(shù)，之后再計(jì)算重冰凍區(qū)長壽命瀝青路面設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)軸載累計(jì)作用次數(shù)。
重冰凍區(qū)瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化
路面結(jié)構(gòu)初步擬定
借鑒長壽命路面設(shè)計(jì)理念，針對綏滿高速阿榮旗至博克圖段地質(zhì)條件，結(jié)合重冰凍區(qū)的自然環(huán)境和交通特點(diǎn)，擬定了以下路面結(jié)構(gòu)形式做為試驗(yàn)路段進(jìn)行驗(yàn)證。
原路面結(jié)構(gòu)：基層厚度52 c m（水泥穩(wěn)定碎石2 0 c m和水泥穩(wěn)定砂礫3 2 c m），強(qiáng)度高，有足夠的承載力；面層總厚度16 c m，采用三層A C結(jié)構(gòu)（4+5+7cm）的厚基薄面型式。
試驗(yàn)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)1：基層采用原設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)；面層和半剛性基層之間加入了一層A C-13（4 c m）應(yīng)力吸收層，來降低半剛性基層的裂縫反射到面層，S U P結(jié)構(gòu)能提高路面的抗車轍和耐久性，提高路面的承載力，因此，在中面層（7c m）和下面層（9c m）采用此結(jié)構(gòu)；上面層采用S M A-13（5c m）,能夠提供好的抗滑性、強(qiáng)度和低溫性能，有效地降低上面層的低溫破壞，因此各方案中均選用SMA-13作為上面層。
試驗(yàn)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)2：屬于倒裝結(jié)構(gòu)，在面層和基層之間設(shè)置級配碎石應(yīng)力吸收層（2 0 c m），系松散結(jié)構(gòu)，能夠吸收半剛性基層反射裂縫產(chǎn)生的能量，從而減緩裂縫反射到面層，提高路面的使用品質(zhì)和使用年限。同時(shí)，中下面層采用（7+9c m）AC結(jié)構(gòu)，基層采用原設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，降低裂縫的產(chǎn)生。
路面結(jié)構(gòu)力學(xué)分析
通過分析瀝青面層底部拉應(yīng)變、半剛性基層底部拉應(yīng)力、面層最大剪應(yīng)力的力學(xué)試驗(yàn)為設(shè)計(jì)控制指標(biāo)，并根據(jù)國內(nèi)外設(shè)計(jì)指標(biāo)控制的情況，以及長壽命瀝青路面結(jié)構(gòu)是結(jié)合半剛性基層特點(diǎn)，得出層間拉應(yīng)變數(shù)量變化值作為設(shè)計(jì)依據(jù)。
由表1可以看出路面不同的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有以下規(guī)律：1、當(dāng)系數(shù)小于10 0 r時(shí)，隨著層間接觸系數(shù)的增大，瀝青層底最大拉應(yīng)變同時(shí)增大；當(dāng)系數(shù)大于10 0r時(shí)，拉應(yīng)變沒有太大變化。所以研究層間不完全連續(xù)狀態(tài)時(shí)，取層間系數(shù)為10 0 r。2、各結(jié)構(gòu)在軸載增大時(shí)，瀝青層底最大拉應(yīng)變同時(shí)增大，接近線性關(guān)系，說明超載越嚴(yán)重對路面的破壞越嚴(yán)重。3、當(dāng)層間接觸為完全連續(xù)狀態(tài)時(shí)，相同軸載作用下，瀝青層底的拉應(yīng)變的順序由大到小為：結(jié)構(gòu)2＞原結(jié)構(gòu)＞結(jié)構(gòu)1；當(dāng)層間狀態(tài)為不完全連續(xù)時(shí)（層間系數(shù)為10 0 r時(shí)）：原結(jié)構(gòu)＞結(jié)構(gòu)2＞結(jié)構(gòu)1。
半剛性基層層底拉應(yīng)力
路基和基層的接觸狀態(tài)對基層層底拉應(yīng)力也是有影響的，而且路基和基層的接觸狀態(tài)不會是絕對的完全連續(xù)。對各結(jié)構(gòu)取完全連續(xù)和不完全連續(xù)（層間系數(shù)為10 0r）兩種狀態(tài)下的不同軸載，研究分析半剛性基層層底彎拉應(yīng)力。各結(jié)構(gòu)的基層層底最大拉應(yīng)力呈線性增加，層底最大拉應(yīng)力隨著軸載的增加，不完全連續(xù)狀態(tài)下的基層層底拉應(yīng)力比完全連續(xù)狀態(tài)下大，且各結(jié)構(gòu)在兩種不同狀態(tài)下的大小規(guī)律一樣。在不同軸載作用下各結(jié)構(gòu)基層層底最大拉應(yīng)力的大小順序?yàn)椋涸Y(jié)構(gòu)＞結(jié)構(gòu)1＞結(jié)構(gòu)2。而結(jié)構(gòu)2基層層底最大拉應(yīng)力較小的原因，是采用了柔性復(fù)合基層，柔性基層能夠吸收荷載的能量，模量較低，減小了層底拉應(yīng)力。
面層最大剪應(yīng)力
在溫度較高或重載時(shí)，瀝青路面都很容易引起擁包、推移或者車轍等病害，這是由于瀝青面層的抗剪能力不足造成的。對不同軸載下各結(jié)構(gòu)的面層最大剪應(yīng)力計(jì)算，如表2所示。
從表2可以看出，在完全連續(xù)狀態(tài)下，剪應(yīng)力也是隨著軸載增加呈線性增長。各結(jié)構(gòu)的面層最大剪應(yīng)力的變化情況，在標(biāo)準(zhǔn)軸載、不同的軸載和不同層間接觸條件下，力學(xué)響應(yīng)有不同的規(guī)律，通過綜合分析，結(jié)構(gòu)1、結(jié)構(gòu)2比原結(jié)構(gòu)的力學(xué)指標(biāo)要好。
路面結(jié)構(gòu)疲勞壽命計(jì)算
通過永久變形設(shè)計(jì)法、疲勞壽命預(yù)估方法和瀝青層疲勞設(shè)計(jì)法，對重冰凍區(qū)長壽命瀝青路面結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)分別代入公式計(jì)算分析，可以看出結(jié)構(gòu)1、2在永久變形模型和半剛性基層疲勞模型下的疲勞壽命較長，在瀝青層疲勞模型下卻極小。因此，結(jié)構(gòu)1、結(jié)構(gòu)2的疲勞壽命要明顯優(yōu)于原結(jié)構(gòu)。
經(jīng)濟(jì)效益分析
根據(jù)呼倫貝爾地區(qū)近年高等公路建設(shè)中的人工、材料、機(jī)械費(fèi)用情況，通過對路面結(jié)構(gòu)初期造價(jià)、設(shè)計(jì)年限、殘值等進(jìn)行經(jīng)濟(jì)分析，普通路面結(jié)構(gòu)在單位年限內(nèi)，造價(jià)要高于長壽命路面結(jié)構(gòu)。如在考慮維修交通中斷、運(yùn)營成本隨時(shí)間增加而提高等成本，普通路面結(jié)構(gòu)所發(fā)揮的效益遠(yuǎn)遠(yuǎn)不如長壽命路面。
