沈金安--2004年北京高层新技术论坛柔性基层沥青路面结构问题

1,与时俱进，引进国外成熟的技术，实现公路交通新的跨越式发展交通部公路科学研究所沈金安2004年3月26日,2,张春贤部长在2004年全国交通工作会议上指出：目前，设计上千篇一律，照搬照抄，死套标准的情况比较普遍。并指示我们：要有针对性地引进国外成熟的技术、标准和规范。科研成果是实践经验的总结，是人类文明的结晶，我们要善于借鉴一切先进的科研成果。在公路建设和管理领域、国与国之间技术问题及其解决方法具有很多共性。发达国家研究早、实践早，积累了丰富的经验，许多技术、标准和规范属于政府所有，没有知识产权的障碍，我们要把技术引进作为公路交通实现新的跨越式发展的重要手段。这些指示对我国公路科学研究和公路建设具有重大的战略意义。,3,长期以来，我国习惯于注重对硬件的引进，我们化了大量的外汇进口了大量的筑路机械和施工设备，进口试验仪器设备，进口了大量的道路沥青。可是偏偏没有在引进国外的技术上化功夫，每年出去考察的代表团一批又一批，却很少聘请国外的专家来讲课，合作搞一些研究课题，而引进技术其实并不需要化太多的经费，引进标准、规范甚至不需要花费经费。,4,我们习惯于立足“自力更生”，强调我国的“国情”与国外的情况不同，特别看重我们自己的研究成果。这本来是没有什么不对的，我们的民族需要这种自尊心，需要这种自强不息的钻研精神。但是，如果自尊心变成了虚荣心，盲目地对外排斥，也就很容易产生轻视学习国外先进技术的另一种倾向。多年来的情况表明，这种情况已经影响到公路领域。,5,我国的沥青路面的结构和设计就是一个明显的典型。其结果是我们许多做法与国际上通行的做法不同，却并没有取得良好的效果。国际上早在20世纪70年代起，绝大部分国家都采用柔性基层沥青路面、全厚式路面作为重载交通路段的常用的路面结构，而唯有我国是千篇一律地采用半刚性基层沥青路面，甚至于结构层的厚度都差不多。对沥青路面的力学模式，国际上都采用沥青层的弯拉应变和土基模量作为设计指标，唯有我国钟情于表面弯沉这个指标，其他指标实际上都没有作用。其他还有许许多多与国际上不一致的地方，而且多半认为我们自己是最先进的。,6,最早修建的京津塘高速公路，基本上是参照国际上的路面结构和沥青混合料的级配做的，广深珠高速公路是香港的结构，这两条高速公路使用十余年来，情况基本良好。京津塘高速公路的外国监理严格执行“菲迪克条款”，实行了动态质量管理，取得了良好的效果，成为我国质量最好的高速公路之一。然而，自此以后的工程就“本土化”了，监理的素质明显下降，开始了具有我国特点的“评分、评奖、评优”质量检验评定和验收管理办法。施工质量数据弄虚作假已经成了冠冕堂皇的秘密。结果是工程验收的分数都快接近100分了，优质工程比比皆是，经常是奖状到手，路也坏了。,7,我国是世界上第一个采用弹性层状体系理论进行路面结构计算的国家，始终处于世界的最先端水平。可是，“先进的方法、落后的参数”并没有起多少作用。设计参数都是想当然”地自由取值，其结果是想脑子里想什么结构，想多少厚度，都能计算出来，厚度实际上也是拍脑袋。其结果是“天下设计一大抄”，路面设计成为“数学游戏”。全国都千篇一律地使用几乎相同的较薄沥青面层的半刚性基层沥青路面结构。,8,张春贤部长在全国交通工作会议上的报告中还说：质量是工程建设的永恒主题。交通作为向社会提供公共产品和公共服务的部门，在新的历史时期，我们应向社会、向人民、向国家交一份什么样的产品呢？是经久耐用、外表美观、使用方便的优秀成果，还是金玉其外、败絮其中的劣质产品？这是关系交通行业形象，关系到交通行业是不是一个负责任行业的大问题。质量是工程的生命，更是一个行业的生命。如果几年后我国建成的几万公里高速公路没到大修年限就大面积翻修，我们今天所为之奋斗的事业就可能被否定。,9,我们承担的“高速公路沥青路面早期损坏预防措施的研究”课题，发现有两种类型的早期损坏。第一类：“通车后短时间内发生的早期病害”，这就是我们通常所说的狭义的“早期病害”：在沥青路面建成不久，在当年或者23年，沥青路面就发生程度不同的车辙、坑槽、网裂等早期损坏，许多属于水损害或伴随着疲劳产生的损坏。这些损坏的最直接的原因是施工质量不到位及离析造成的。这些工程大部分经过维修养护或者局部铣刨重修能在短时间内逐渐趋于相对的稳定。,10,这种类型的早期损坏经常与管理上抢工，或者使用的材料不好，有严重的离析，压实不到位，排水设计不合理，施工时沥青层的层间污染严重有关，而且往往有严重的超载车辆通过。这些工程施工结束时的弯沉往往并不大，甚至小到几乎接近于零，但基层开裂或者路面离析严重，从路表裂缝和孔隙中进去的水不能很快从基层排走，基层与沥青面层的层面成为不连续的状态，路面的沥青层也由于施工污染严重而不连续，使沥青层处于极为不利的受力状态，在重载交通的作用下，出现大的拉应变出现裂缝，产生唧浆、坑槽，这些水损坏如果得不到有效的维修和控制，则将很快发展成为大面积的损坏；有些路段，尤其是大的上坡路段，在高温状态下，很低的劲度模量不能抵抗重载交通很大的剪切变形而出现车辙。,11,第二类：“沥青路面的耐久性差，使用寿命短”，这是从更深层次所说的“早期损坏”。使用寿命普遍达不到路面设计要求的设计年限(大部分是15年，少数是20年)，更不能与国际上更长的设计年限甚至“永久性路面”相比，充其量78年，或者10年左右就必须进行大修，而且这种大修经常是“开膛破肚”式的，不仅仅对沥青面层维修，还必须同时维修基层甚至底基层，这种大修不仅成本很高，尤其是对工程所在地的社会影响很大。这种使用寿命短、耐久性不足的情况使我们十分忧虑。它与我国千篇一律地采用半刚性基层沥青路面这种结构型式有关。,12,我们不能割断历史来认识问题。半刚性基层沥青路面是我国公路发展过程中，众多学者和广大工程技术人员根据我国的国情，长期努力研究的成果。由于我国长期以来严重缺乏沥青、经济实力有限，为适应交通荷载发展的需要，努力追求减薄沥青层，加强基层，奉行“强基、薄面、稳土基”的方针是无可厚非的，对发展我国的高速公路建设作出了历史性的贡献，大家对此也有很深的感情。,13,但是多年来的实际使用表明，众多的半刚性基层沥青路面耐久性都不满意，达不到设计年限。在这种情况下，回头进行反思，全面评价半刚性基层沥青路面的优缺点和适用性，与时俱进，及时研究发展新的路面结构型式，对实现公路交通的跨越式的发展具有重要意义。认识它的缺点不是要全面否定或者取消这种结构，而是为了扬长避短，防治继续发生早期损坏，全面改善我国沥青路面使用寿命短的情况。,14,在沥青路面结构问题上，我们也需要放眼世界。纵观国际上的高速公路和重交通公路，大量使用的是全厚式路面或者柔性基层沥青路面。相反半刚性基层沥青路面普遍使用于交通量不很大的公路，或者往往在半刚性基层下设置一个碎石过渡层。水泥稳定碎石基层和贫混凝土基层是性质完全不同的两个类型，而我们则一直混淆不清，名义上铺筑的无机结合料稳定集料基层，却做成类似于贫混凝土的强度。,15,在20世纪6070年代以前，国际上使用半刚性基层的国家也很多，并经历了一场“黑白基层(blackandwhitebase)”的大论争，结果导致大量的转向柔性基层。导致在重交通路段，大量全厚式路面，普遍采用沥青稳定碎石、级配碎石等柔性基层或者是上基层是柔性基层，下基层是半刚性基层的混合式基层，一般不主张采用半刚性基层沥青路面。半刚性基层大都放在下面作为底基层，其主要目的是加强路基，是利用无机结合料“稳定”碎石材料，其强度一般并不高，目的是要充分利用集料的嵌挤作用和有一定的排水能力。与我国的情况有很大不同。,16,南非沥青路面典型结构,17,法国1998年“混合式基层沥青路面结构”,注：BB、BBL指沥青混凝土，GB指沥青稳定粒料基层，GC指水泥稳定粒料。,18,德国的混合式基层沥青路面结构,注：（1）T为交通等级；（2）BB、BBL指沥青混凝土，GB指沥青稳定粒料基层，GC指水泥稳定粒料，BBL*B表示有别于BBL、BB*表示有别于BB，GRH无结合料粒料；（3）路基强度要大于45Mpa，T0T4GRH的强度大于120Mpa，T5、T6GRH的强度大于100Mpa。,19,法国专家2000年为京沪高速公路进行验算后指出：“就结构的承载能力来说结论可能非常悲观”,厚度,456,19,19,20,20,日本高速公路沥青路面结构(D交通),21,温度,荷载,永久性路面（PerpetualPavement）的概念,近年来国外提出根据路面各层的功能设计不同的混合料，表面层要求抗车辙、抗裂、不透水、抗磨耗，中面层要求抗车辙、稳定、耐水，下面层(基层)抗疲劳开裂，各层都要耐久，有足够厚度的基层和沥青层，以后路面有损坏就铣刨表面层，再重新加铺罩面，这样可以长时间地使用下去。其设计寿命考虑长达50年，1015年修复面层一次。,22,密歇根州沥青联盟永久性路面设计图表设计（VonQuintus,2001),23,美国公司为山东省同三高速公路设计的路面结构汇总表(cm),24,美国ERES公司为沪宁高速公路所设计的路面结构建议,沥青层总厚37cm52cm,25,使用寿命并不是设计寿命,按照永久性路面的概念，应该设想基层是用不坏的，而且最好是越用越好，级配碎石只要不含有泥土，越嵌挤越紧密。沥青稳定碎石在比较深的部位，沥青的老化很小。采用增加沥青层的厚度，以降低沥青层层底弯拉应变水平，可以显著提高沥青层的疲劳寿命，能使精心施工的沥青路面损坏仅发生在表面层。可以通过努力，使沥青路面的使用寿命延长得很长。保持只维修表面，不维修基层的目的。欧洲、美国、澳大利亚、日本已经有大量的工程可以证明这一点。对于厚沥青层路面，传统的自下向上的裂缝基本没有，路表裂缝是厚沥青层路面主要损坏类型。,26,首都机场高速公路钻孔试件证明大部分是表面裂缝,27,京津塘高速公路钻孔试件证明厚沥青层大部分是表面裂缝,28,29,根据以前的疲劳方程，无论沥结构层多厚，结构都会产生疲劳开裂、车辙。而新的研究发现当沥青层厚度超过一定厚度时，良好施工的路面结构不会产生源于层底的疲劳开裂和结构性车辙。因此，增加交通量无须机械地增加沥青层厚度。即存在一个弯拉应变临界点，当路面结构弯拉应变低于此值时，沥青层底就不会产生疲劳损伤，因此继续增加沥青层厚度降低沥青层底的弯拉应变水平就变成多余了。这个拉应变临界点对应的疲劳寿命就是疲劳极限。英国认为可以通过增加沥青层、特别是沥青混合料基层的模量及增加沥青混合料基层厚度，增加沥青类基层厚度10%，预测的疲劳寿命可以增加1倍。,30,但是半刚性基层沥青路面的设计年限是以基层的疲劳寿命作为设计年限的，基层在使用中会不断的衰减，强度衰减，模量衰减，受干湿循环和冻融循环衰减，冻融循环10次，强度只剩下1020，达到设计寿命就意味着基层需要重新修建。南非的理论认为半刚性基层或底基层，使用过程中通常经历三个阶段，分别选取设计模量：疲劳开裂前收缩开裂成板块状，疲劳开裂成大块状，疲劳开裂后碎裂成小块。半刚性基层最终都会成为碎块。由此决定了沥青路面的寿命取决于基层。是不可能实现永久性路面的理想的。,31,为什么国外在重载交通的高速公路多半采用全厚式路面及柔性基层的沥青路面，而不主张采用半刚性基层沥青路面呢？这是我们需要重点搞清楚的问题。,32,1、半刚性基层沥青路面对重载车的敏感性太大，它的轴载换算次数n值要比柔性基层大得多。当以设计弯沉值为指标及沥青层层底拉应力验算，当量轴次按下式换算。P1NC1C2n1()4.35P当进行半刚性基层层底拉应力验算，当量轴次按下式换算。P1NC1C2n1()8P换算系数n与基层的模量有关，模量越大，n值也大。,33,2、半刚性基层沥青路面的收缩开裂和反射缝的问题很难防止。对裂缝，唯一的办法是封缝，如果交通量很大，封缝工作将不可能随时随地进行，当交通量大到根本不可能上路封缝灌缝时，裂缝得不到及时的处理，水就不可避免地要进入路面内部，从而严重影响路面的使用寿命。据说，这是大交通量公路、重载交通公路不适用于半刚性基层沥青路面的主要原因。,34,3、半刚性基层的排水性能较差。排水能力是沥青路面基层的一项重要指标，例如在美国AASHTO1993年设计指南中把路面结构层的排水性能作为沥青路面结构特性的第一条。并提出了路面结构排水能力的要求。在当初的AASHO试验路上，把排水条件要求为至少在1周内能排除全部自由水。美国AASHTO1993年设计指南对路面结构层排水的要求,35,对现在半刚性基层沥青路面损坏后普遍采用开膛破肚式的翻修、重建情况十分关切。解决这个问题迫在眉睫。,36,现在许多地方痛定思痛，希望按照国际上通行的方法设计其他路面结构。但是遇到了设计规范的拦路虎。规范采用弯沉这个唯一的设计指标，逼得大家只能设计成半刚性基层沥青路面，即使设计出来了，施工质量检验也过不去。而新建高速公路采用弯沉作为设计指标和施工质量检验指标的，世界上也就我们一家。它并不能有效地反映不同路面结构的承载能力，现在要想改又改不了。有一条高速公路在改建时，由于实测弯沉较大，上面无论如何加铺沥青层也设计不出符合规范要求的路面结构，只能在上面再铺筑一层，甚至两层半刚性基层，再加铺沥青路面。结果桥梁等各种结构物由于标高等原因也跟着遭殃。就这一个工程就需要损失若