长大纵坡段沥青路面结构研究 扬 琳 （西安铁路职业技术学院，陕西两安７１００７１） 摘要：针对长大纵坡沥青路面破坏的特点，结合长寿命路面的设计方法及依托工程的具体情况，研究适合于长大纵坡路 段的沥青路面结构，并从其费用及性能方面同常用的沥青混凝土路面结构进行比较。结果表明，本项目采用的结构虽在初建 费用上略高于普通的沥青路面．但后期的养护费用及用户费用远小于普通沥青路面，且其路用性能也优于普通的沥青路面， 综合其各方面的特点，认为本结构适用于长大纵坡段。 关键词：道路工程；路面结构；性能及费用分析；长大纵坡；沥青路面；抗车辙性 中图分类号：Ｕ４１６．２ｌ７ 文献标识码：Ａ 文章编号：】００２—４７８６（２０１０）１２一Ｏｌ５７—０４ ＤｏＩ：１０．３８６９￣．ｉｓｓｎ．１００２—４７８６．２０１０．１２．０４１ Ａｓｐｈａｌｔ Ｐａｖｅｍｅｎｔ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｔ Ｌａｒｇｅ Ｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌ Ｓｌｏｐｅ ＹＡＮＧ Ｌｉｎ （ｘｉ ａｎ Ｒａｉｌｗａｙ Ｖｏｃａｔｉｏｎａｌ＆Ｆｅｃｈｎｉｃａｌ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｘｉ ａｎ ７１００７１，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｔｈｅ ａｓｐｈａｌｔ ｐａｖｅｍｅｎｔ ａｔ ｌａｒｇｅ ｌｏｎｇｉｔｕｄｉ— ｎａｌ ｓｌｏｐｅ，ｃｏｍｂｉｎｉｎｇ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｌｏｎｇ ｌｉｆｅ ｐａｖｅｍｅｎｔ ａｎｄ ｐｒａｃｔｉｃａｌ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ａ ｓｐｅ— ｃｉａｌ ａｓｐｈａｌｔ ｐａｖｅｍｅｎｔ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｄａｐｔｅｄ ｔｏ ｌａｒｇｅ ｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌ ｓｌｏｐｅ ｉｓ ｓｔｕｄｉｅｄ ａｎｄ ｃｏｍｐａｒｅｄ ｗｉｔｈ ｏｒｄｉ— ｎａｒｙ ａｓｐｈａｌｔ ｐａｖｅｍｅｎｔ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｉｎ ｔｅｒｍｓ ｏｆ ｃｏｓｔ ａｎｄ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｉｔｓ ｃｏｓｔ ｉｎ ｅａｒｌｙ ｓｔａｇｅ ｉｓ ｍｏｒｅ ｔｈａｎ ｎｏｒｍａｌ ａｓｐｈａｌｔ ｐａｖｅｍｅｎｔ，ｂｕｔ ｉｔｓ ｍａｉｎｔｅｎａｎｃｅ ｃｏｓｔ ａｎｄ ｕｓｅｒ ｃｏｓｔ ａｒｅ ｍｕｃｈ ｌｅｓｓ ｔｈａｎ ｔｈｅ ｌａｔｔｅｒ．Ｍｅａｎｗｈｉｌｅ ｉｔｓ ｒｏａｄ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｉｓ ｂｅｔｔｅｒ ｔｈａｎ ｏｒｄｉｎａｒｙ ａｓｐｈａｌｔ ｐａｖｅｍｅｎｔ．Ｃｏｎｓｉｄｅｒ— ｉｎｇ ａｌｌ ａｓｐｅｃｔｓ ｏｆ ｉｔｓ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ．ｉｔ ｉｓ ｔｈｏｕｇｈｔ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｉｓ ｓｕｉｔａｂｌｅ ｆ（１ｒ ｌａｒｇｅ ｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌ ｓｌｏｐｅ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｒｏａｄ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ；ｐａｖｅｍｅｎｔ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ；ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ａｎｄ ｃｏｓｔ ａｎａｌｙｓｉｓ；ｌａｒｇｅ ｌｏｎｇｉｔｕｄｉ— ｎａｌ ｓｌｏｐｅ；ａｓｐｈａｌｔ ｐａｖｅｍｅｎｔ；ａｎｔｉ－ｒｕｔ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ０ 引言 坏，有必要针对沥青面层的结构设计、采用的材料 随着经济的发展，我国公路建设也开始蓬勃发 进行改进，以提高长大纵坡沥青路面结构的耐久 展，而我国地形多变，有些地方地势起伏较大，地 性＿４一。 形、地貌、地质条件越来越复杂，在今后相当长的 １ 工程概况 一段时期内，公路建设将不可避免地面临上坡路段 本研究依托项目高速公路地处豫西北太行山区 增多、坡道坡度增大和连续纵坡等问题。通过对已 与豫西平原结合部，所在区划属暖温带大陆性气 建高等级公路沥青路面破坏情况进行调查发现，长 候，半湿润地区。年平均气温为１４．６ ，最冷月平 大纵坡沥青路面车辙、滑移问题特别严重，尤其是 均气温为０．３ ，最热月平均气温为２７．５℃，极端最 在一些自然环境恶劣、交通流量大、重载和超载车 高气温为４４．２℃，极端最低气温为一１８．２℃； 山岭 辆多、坡度较大、上坡坡道较长的路段，破坏程度 区群峦叠嶂．沟壑纵横．海拔在１５０ｍ～６００ｍ之间， 远远大于平坦路段，且产生破坏的时间也较早。而 整个路段上，海拔最低点高程为１８３．１５１ｍ，最高点 要防止或降低长大纵坡路段沥青混凝土路面发生破 为６０５．７９７ｍ，高程相差达￣１１４２２．６４６ｍ。部分山区区 一 ＲＡ 嘟ＡＮＤＡＲＤ ０ ・ｉ ＨＡＬＳ￣Ｆ Ｄｅｃ ２０ｉ０ｆＮ０．２３４｝； 段的纵坡不但较大而且较长一表１所示为坡度大于 ３％、坡长接近９００ｍ区段的统汁表．． 表１ 纵坡大于３％、坡长接近９００ｍ区段统计表 起【｝桩号 Ｋ２８＋９５５ Ｋ２９＋８ｌ９ Ｋ６＋０１ ０～Ｋ６＋８９｛） Ｋｌ５＋３８Ｏ～Ｋ１６＋３１（） 和２％～４％两种方案，拟对左、右幅车道进行不同 的路面结构组合，具体有以下２个方案． ．２．１ 平原区和低山区纵坡坡度≤２％的缓坡路段 长度（ｍ） ８６５ ８８０ ９３０ 纵坡（％） ３．０（）３ ３．６００ ３．３００ ２．１．１ 左幅（重载方向） 上面层：４ｃｍ中粒式改性沥青混凝土（ＡＣ一１６Ｃ） （掺聚酯纤维）； 中面层：６ｃｍｑ￣粒式改性沥青混凝土（ＡＣ一２０Ｆ）： Ｋｌ６＋９８０～Ｋｌ７＋９００ Ｋ２ １＋４５０～Ｋ２２＋３３０ Ｋ２７＋３００～Ｋ２８＋３００ ３．８５０ ３．９００ ３．４５０ ９２０ ８８０ １ ０００ 下面层：９（ 粗粒式沥青稳定碎石（ＡＴＢ一２５）。 ２．１．２ 右幅（非重载方向） Ｋ３３＋０００一Ｋ３３＋７６｛） ＡＫ０＋２９０～ＡＫｌ＋０４５ Ｋ４７＋２００～Ｋ４８＋０００ ＇Ｋ５０＋５５０～ Ｋ５，＋３００ ＺＫ５０＋５５０一ＺＫ５ １＋３９６ ＹＫ５６＋４５０～Ｋ５７＋４４０ ＺＫ５６＋５００～Ｋ５７＋４４０ ３．９５０ ４．５００ ３ ９５（） ３．５００ ３．５００ －３．９００ —３．９００ ７６０ ７５５ ８００ ７５０ ８５０ ９９０ ９４０ 上面层：４ｃｍ中粒式改性沥青混凝土（ＡＣ一１６Ｃ）： 中而层：６ｃｍ中粒式改性沥青混凝土（ＡＣ一２０Ｆ）： 下面层：７ｃｍ粗粒式沥青稳定碎石（ＡＴＢ一２５）。 ２．２ 陡坡路段（纵坡坡度为２％～４％） ２．２．１ 左幅（重载方向） 上面层：４ｅｒａ改性沥青玛蹄脂碎石混合料 对表ｌ进行分析町知： ａ）整个路段上．坡度绝对值为２％一４％的纵坡 （ＳＭＡ一１３）（掺聚酯纤维）； 巾面层：６ｅｒａ中粒式改性沥青混凝土（ＡＣ一２０Ｆ） 占了绝大部分，并且主曼集中存该高速公路后半路 段的山岭 ，表现为连续的爬坡和下坡路段： ｂ）对于山岭 的道路， 设计时速为８０ｋｍ／ｈ、 （掺聚酯纤维）； 下面层：９ｃｍ粗粒式改性沥青混凝土（ＡＴＢ一２５） （低造价改性Ｓｅａｍ，硅改）。 ２－２．２ 右幅（非重载方向） 纵坡坡度为４％时，坡长的限制值为９００ｍ，而陔高 速多个区段坡度、坡长逼近极限： 上面层：４ｃｍ改性沥青玛蹄脂碎石混合料 （ＳＭＡ一１３）（掺聚酯纤维）； 中面层：６ｃｍ中粒式改性沥青混凝土（ＡＣ一 ２０Ｆ）； ｃ：）连续长距离的爬坡和下坡将会对路面产生强 大的水平力，尤其在高温季 重载或超载的情况 下，将会对路而造成严重的剪切破坏．使路面形成 年辙。 Ｆ面层：７ｃｍ粗粒式沥青稳定碎石（ＡＴＢ一２５）。 ３ 掺加纤维的沥青混合料性价比分析 因此必须对长纵坡路段的路面结构、材料进行 合理设 、精心施ｒ。 ２ 路面结构研究 将纤维加到沥青混合料中可以提高其高温性 能，增加抗裂能力，使路面的使用寿命得到延长。 但有些纤维价格昂贵，使工程初期建设投资增加较 本课题组对 内长大纵坡段路丽结构型式进行 渊查发现，大部分为采用半刚性基层的沥青路面， 多。这使许多单位对使用纤维加强技术性能心存疑 虑。 但是由于半刚性基层沥青混凝土路面存在的一些弊 端．会导致长大纵坡段 现大量的车辙破坏，所以 今课题组在结构没计方面引入长寿命沥青路面的设 计理念１２，７，１ｏ１．按照各结构层的功能进行设计： 众所周知，公路的建设成本除了初期的投资 外，还应包含养护费用、改建费用及道路使用者费 用。从总投资费用来看，聚酯纤维沥青混凝土的投 资与普通沥青混凝土相比要节省很多。 ３．１ 初期建设投资增加费用 ａ）上面层要求具有良好的抗车辙能力、抗老化 性能、低温性能和抗磨耗能力： ｂ）中面层设计主要考虑抗车辙能力，要求具有 较高的模量； Ｃ）下面层要、 具有抗疲劳和抗水损坏能力．． 以路面宽为２４．５ｍ的高速公路为例，假定使用 ４ｃｍ厚的ＡＣ一１６Ｉ的纤维沥青混凝土，混合料相对密 度约为２．５ｔ／ｍ ．每ｌｋｉｎ路段的路面所需纤维沥青混 针对该高速公路地形变化较大、左右幅车道交 通组成不同的情况，将全段按纵坡大小分为≤２％ ：ＴＲＡＮＮＰＯＲＴ ＳＴＡＮＤＡＲＤＩＺＡＴＩＯＮ！ｌ：Ｈ 合料达２ ３００ｔ，则采用Ｂｏｎｉｉｆｂｅｒｓ纤维混合料同普通 ｆ昆合料相比，其增加费用主要是材料费用的增加． ＯＦ；：Ｄ￣ｅ．，２ ｔＮ｛ｉ ２３ 而材料费用增加的主要是纤维加入引起沥青片１量增 下面层：粗粒式沥青混凝土（ＡＣ一２５Ｃ）。 多的费用、纤维的费用、油耗燃料费用等。对于这 这种路面结构的优点是全部为ＡＣ型混合料， 种纤维产品．增加的沥青用量约为０．２％～ｌ％，沥青 易于现场操作：主要缺点是各层集料最大粒径与层 按４ ０００元／ｔ计算，每吨混合料增加费用约为８元～４０ 厚不是很匹配，满足不了２．５～３倍的关系，导致碾 元 纤维添加量为０．３％Ｂｏｎｉｉｆｂｅｒｓ，而纤维单价约为 乐效果不佳，会使后续变形过大。 ６万元／ｔ，则每吨混合料增加纤维费用约为１８０元／ｔ。 ４．２ 结构二 从以上费用增加的分析看，纤维沥青混合料同 上面层：中粒式改性沥青混凝土（ＡＣ一１６Ｃ）（掺 普通混合料相比，每吨纤维沥青混合料增加的费用 聚酯纤维）： 约为Ｂｏｎｉｉｆｂｅｒｓ２００元／ｔ，即每公里增加费用４６万元。 中面层：中粒式改性沥青混凝土（ＡＣ一２０Ｆ）： ３．２ 养护费用 下面层：粗粒式沥青稳定碎石（ＡＴＢ一２５）。 一般高速公路普通混合料路面设计年限为１５ 该路面结构为在第一种路面结构方案的基础上 年，而根据国外的研究成果，纤维沥青混合料可将 将中面层的ＡＣ一２０Ｃ的粗粒式级配调整为细粒式级 路面使用年限提高３０％～５０％，即可使用１９～２２年。 配，并将下面层由原来的ＡＣ型混合料改为ＡＴＢ混 按分析期为２０年计算，普通混合料在分析期内至少 合料。这样做的优点在于ＡＴＢ沥青混合料具有很好 需大中修一次才能达到分析期的使用寿命，因此同 的高温稳定性．能够降低面层车辙的产生，同时具 纤维沥青路面相比，在分析期内，普通沥青路面需 有很好的低温抗裂能力，能够降低基层裂缝向上反 增加养护费用。相关实践表明，普通混合料路面要 射的程度。主要缺点是：ａ）上面层ＡＣ一１６混合料最 达到与聚酯纤维沥青混合料路面相同的使用年限． 大粒径与层厚不是很匹配．满足不了２．５～３倍的关 仅增加的费用就可与初期因增加纤维而造成费用的 系，导致碾压效果不佳，会使后续变形过大；ｂ）没 增加相抵消。 有将不同路段，如重载路段与非重载路段、缓坡路 ３．３ 用户费用 段与陡坡路段区分开来进行设计。 用户费用是指道路使Ｈｊ者的车辆营运费用、延 ４Ｉ３ 本课题组项目的路面结构 误费用、行程时问费用和事故费用。同纤维沥青路 ４．３．１ 平原区和低山区纵坡坡度≤２％的缓坡路段 面相比，普通沥青路面用户费用在路面使用后期将 ４．３．１．１ 左幅（重载方向） 因路面使用性能下降而大幅度增加，如路况变差． 上面层：４ｃｍ中粒式改性沥青混凝土（ＡＣ一 使车辆行驶时的燃油、轮胎磨耗增加，车辆的保 １６Ｃ）（掺聚酯纤维）： 修、折旧及误工等费用增加．使行车速度下降， 中面层：６ｃｍ中粒式改性沥青混凝土（ＡＣ一 行驶时间延长。另外，养护维修影响行车，使得 ２０Ｆ）； 车辆减速或绕道行驶等，都会引起用户费用的增 下面层：９ｃｍ粗粒式沥青稳定碎石（ＡＴＢ一２５）。 加。 ４．３．１．２ 右幅（非重载方向） 以上费用分析表明，初期投资费用和路面使用 上面层：４ｅｒａ中粒式改性沥青混凝土（ＡＣ一 运营期费用的总和是评价路面建设投资的关键．同 １６Ｃ）； 时要考虑贴现率的高低，低岵现率对于初期投资高 中面层：６ｃｍ中粒式改性沥青混凝土（ＡＣ一 而服务年限长的路面结构有利。在低贴现率的情况 ２０Ｆ）； 下，采用纤维沥青路面结构是合理的，而且还可以 下面层：７ｅｒａ粗粒式沥青稳定碎石（ＡＴＢ一２５）。 提高路面的服务水平，增加旅客的舒适性，尤其是 该结构相对于此前几个结构而言．进行了两个 交通量越大、路段越长的情况，其优越性更加明 方面的改进，一是在左幅车道（重载方向）上面层沥 显 青混合料中掺加了聚酯纤维，这样做的目的在于增 ４ 与普通路面结构抗车辙性能的比较 强左幅车道（重载方向）的抗车辙能力；二是把左幅 ４．１ 结构一 车道（重载方向）中面层的厚度减少了ｌｃｍ，把下面 上面层：中粒式沥青混凝土（ＡＣ一１６Ｃ）： 层的厚度增加了ｌｃｍ。这是因为ＡＴＢ类混合料相对 中面层：中粒式沥青混凝土（ＡＣ一２０Ｃ）： 于ＡＣ类混合料而言，具有更好的高温稳定性，能 『 够降低面层车辙的产生：同时具有很好的低温抗裂 沥青路面的设计方法，对长大纵坡段沥青路面结构 进行了研究，主要成果和结论如下： ａ）根据长寿命路面的设计理念．提出各层的功 能力，能够降低基层裂缝向上反射：而且ＡＴＢ类混 合料具有更好的经济性，能够节省初期的投资成 本。 能要求，在此基础上提出不同级别坡度下，重载和 非重载作用下合理的路面结构： ｈ）对掺加纤维和未掺加纤维的沥青混合料进行 了费用分析，掺加纤维的沥青混合料初建费用虽略 ４．３．２ 低山 陡坡路段（纵坡坡度为２％～４％） ４３－２．１ 左幅（重载方向） 上面层：４ｅｒａ改性沥青玛蹄脂碎石混合料 （ＳＭＡ一１３）（掺聚酯纤维）； 中面层：６ｃｍ中粒式改性沥青混凝土（ＡＣ一２０Ｆ） （掺聚酯纤维）： 下面层：９ｃｍ粗粒式改性沥青混凝土（ＡＴＢ一２５） （低造价改性Ｓｅａｍ，硅改） 高于未掺加纤维的沥青混合料，但是其后期养护费 及用户费均远低于未掺加纤维的沥青混合料，故经 综合评价，认为应在长大纵坡段沥青混凝土中加入 适量的纤维。以改善路用性能： ｃ）对比设计路面结构与常见路面结构的性能， 本文定性地分析了设计路面结构的抗车辙、低温抗 开裂等性能．进一步论证了其应用于长大纵坡段的 由于此路段为陡坡路段，坡度不仅大而且较 长，此外，还存在重载现象，连续长距离的爬坡和 下坡将会对路面产生强大的水平力，尤其在高温季 节重载或超载的情况下，将会对路面造成严重的剪 切破坏，使路面形成车辙。因此，这个路段路面结 构层的设计需要更加注重路面结构的抗车辙性能。 本课题组推荐的结构在上面层掺加了聚酯纤维．主 要目的是提高路面的抗车辙性能和路面的使用寿 合理性。 参考文献 【１］ＪＴＧ Ｄ５０—２００６，公路沥青路面设计规范［Ｓ】． 『２］傅强．长寿命沥青路面设计ＬＩ］．交通标准化，２００８， （４）：１４５—１４８． 『３］宋应发．抗车辙的沥青路面设计问题探讨ＩＪ１．交 通标准化，２００８，（１０）：ｌ０１—１０３． 『４１李孟绪．山区高速公路长陡纵坡设计理念及案 命；对下面层的沥青进行了Ｓｅａｍ硅改性，使改性 后的沥青混合料在各方面性能上都有不同程度的提 高，尤其是高温稳定性；Ｓｅａｍ硅改性沥青混合料 例分析ｆＪ１．交通标准化，２００８，（９）：１３９—１４２． 『５］邱志雄，李晋峰，等．高模量改性沥青在长大 陡坡沥青路面中的应用【Ｊ１．中外公路，２００６，２６ （３）：１０５—１０７． 的造价远远低于其他的改性沥青混合料，并且由于 现在道路工程领域技术的提高，Ｓｅａｍ硅改性沥青 混合料施Ｔ所造成的污染也得到了相应的控制。 ４．３．２．２ 右幅（非重载方向） 上面层：４ｅｒａ改性沥青玛蹄脂碎石混合料 （ＳＭＡ一１３）（掺聚酯纤维）； 中面层：６ｃｍ中 式改性沥青混凝土（ＡＣ一 ２０Ｆ）； 『６］梁平安，单岗，等．高速公路山区长上坡路段 车辙处理技术 公路，２００６，（５）：１９３—１９６． 『７】袁兴无．长寿命沥青路面的设计理念及路面结 构组合设计…．城市道桥与防洪，２００８，（９）：１２— １５． 下面层：７ｃｍ粗粒式沥青稳定碎石（ＡＴＢ一２５） 『８１李雪峰，李靖．聚酯纤维改性沥青混合料路用 性能研究 ．石油沥青，２００７，２２（４）：６６—６８． 『９］董洲，吴建铨，沈风华，等．聚酯纤维改性沥 此路幅为非重载方向，但是属于陡坡路段，可 能存在车辙、开裂、拥包等病害，冈此，本课题组 对上面层混合料进行了改进。由于改性沥青玛蹄脂 碎石（ＳＭＡ）具有抗滑、耐磨、孑Ｌ隙率小、抗疲劳、 高温抗车辙、低温抗开裂的优点，是一种构造深度 大且能全面提高密级配沥青混凝土使用性质的 材料，所以课题组拟采用ＳＭＡ—ｌ３作为上面层的材 料。 ５ 结论 青路面的研究进展『Ｊ１．合成纤维工业，２００７，３０ （１）：５１－５４． 『１０１谭炯，刘朝晖，沙庆林．重载交通长寿命半刚 性基层沥青路面浅析 ．西部交通科技，２００７， （６）：１—５． 作者简介：杨琳（１９８４一） 女，助教 收稿日期：２０１０—０３—０５ 本文结合某高速公路Ｔ程的特点，借鉴长寿命 ＴＲＡＮＳＰＯＲＴ ＳＴＡＮＤＡＲＤＩＺＮＩＩＯＮ １ ＨＡＬＦ ０Ｆ］１）ｅｃ．，２０１０（ ｏ．，竖 ”