省道S238公路改建工程路面設(shè)計(jì)

羅闖旦，毛翠榮

(1.平頂山市公路交通勘察設(shè)計(jì)院，河南 平頂山 467036; 2.平頂山市公路管理局，河南 平頂山 467036)

0 引 言

省道干線公路是村鎮(zhèn)公路和高速公路連接的關(guān)鍵通道，也是公路交通網(wǎng)絡(luò)的重要構(gòu)成部分。然而，隨著通行量及超載的增加，早期建設(shè)的省干線公路的通行能力漸趨不足，使用壽命縮短。為此，需要對(duì)低等級(jí)省干線公路實(shí)施升級(jí)改建。依據(jù)公路水泥混凝土路面設(shè)計(jì)規(guī)范要求，對(duì)包括瀝青混凝土路面結(jié)構(gòu)、接縫、混凝土配比、加鋪層結(jié)構(gòu)等進(jìn)行設(shè)計(jì)[1-8]。但是在升級(jí)改建中，新舊路面拼接、加鋪改造及廢料再利用等方面尚存在一定的技術(shù)難度。雖然國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量研究，但因測(cè)試手段的制約與規(guī)范的局限，新舊路面層間黏結(jié)沒(méi)能得到有效保障。美國(guó)Uzan等在室內(nèi)成型立方體試件，采用直剪試驗(yàn)儀進(jìn)行了常溫和高溫下的層間剪切試驗(yàn)，研究了黏層油噴灑量和垂直荷載對(duì)抗剪強(qiáng)度的影響，得出了所用瀝青材料的最佳用量。Brown和Brunton對(duì)不同路面結(jié)構(gòu)進(jìn)行了層間不良接觸對(duì)路面壽命的影響研究，發(fā)現(xiàn)層間滑移是由于層間黏結(jié)力不足導(dǎo)致的，交通荷載的橫向和剪切應(yīng)力導(dǎo)致瀝青上面層相對(duì)于下面層有相對(duì)的移動(dòng)。Mariana對(duì)層間接觸條件對(duì)柔性路面路用性能的影響進(jìn)行了研究，通過(guò)水平剪切模量定量反映層間接觸情況，利用層狀線彈性程序?qū)β访娼Y(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，研究表明：水平力是引起表面層和聯(lián)結(jié)層接觸不良的主要原因。國(guó)內(nèi)公路改建技術(shù)研究更多地集中于高速公路改擴(kuò)建工程[9-11]。杭甬高速公路擴(kuò)建工程始于2000年10月，采取分段逐步實(shí)施的方式進(jìn)行擴(kuò)建，采取兩側(cè)拼接擴(kuò)建的方式，解決軟土地基處理技術(shù)問(wèn)題，對(duì)道路平縱面調(diào)整、舊路改造(路面、結(jié)構(gòu)物、交通工程)等未作重點(diǎn)考慮。擴(kuò)建工程采取不中斷交通的方式進(jìn)行，實(shí)現(xiàn)了擴(kuò)建、運(yùn)營(yíng)兩不誤，其建設(shè)思路具有代表性。黃志義等采用有限元技術(shù)對(duì)路面的接觸非線性進(jìn)行分析，并結(jié)合高速公路的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證，結(jié)果表明，接觸模型比層狀體系模型更適合描述路面的力學(xué)特性[12]。從國(guó)內(nèi)外的研究文獻(xiàn)可以發(fā)現(xiàn)，大多是從層間黏結(jié)狀態(tài)的理論計(jì)算或者數(shù)值模擬進(jìn)行研究，分析層間黏結(jié)狀態(tài)不良對(duì)路面結(jié)構(gòu)的影響。而對(duì)于層間強(qiáng)度的評(píng)價(jià)多采用室內(nèi)剪切試驗(yàn)和拉拔試驗(yàn)，而且評(píng)價(jià)方法并沒(méi)有形成統(tǒng)一的評(píng)價(jià)體系?？梢?jiàn)探討路面改建設(shè)計(jì)技術(shù)顯得極為必要。

省道S238常付線至十里鋪段為瀝青混合料路面，始建于2001年，歷經(jīng)10多年的營(yíng)運(yùn)，路面出現(xiàn)大面積的網(wǎng)裂、松散、坑槽、沉陷等病害，其功能和作用已經(jīng)難以滿(mǎn)足車(chē)輛行駛安全及通行舒適的需要，故在2013年對(duì)該路進(jìn)行改建。由于新舊路面拼接、加鋪改造及廢料再利用等方面缺少成熟的施工經(jīng)驗(yàn)，存在一定的技術(shù)難度。加之公路為暴露于自然環(huán)境中的土工構(gòu)造物，所處的交通環(huán)境和地理位置對(duì)公路的承載力和運(yùn)輸量影響很大，公路的平整度也有密切的關(guān)系。本研究采用室內(nèi)試驗(yàn)與改建工程實(shí)踐結(jié)合，從省道公路功能需求及要求等出發(fā)，探討其加鋪路面設(shè)計(jì)的技術(shù)問(wèn)題。

1 公路改建工程狀況

1.1 改建工程概況

S238常付線大修工程起點(diǎn)位于平頂山市郟縣汝州界( K203+648 )，終點(diǎn)位于十里鋪( K221+170 )，路線全長(zhǎng)17.552 km。沿線既有瀝青混合料路面，又有水泥混凝土路面。路面局部寬12 m，多為15 m寬。路面結(jié)構(gòu)為上層細(xì)粒式瀝青混凝土，下層水泥穩(wěn)定碎石及乳化瀝青下封層，厚度為18 cm，道路無(wú)土路肩，兩側(cè)均為耕地，為二級(jí)公路標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)時(shí)速為40～80 km·h-1。

1.2 改建路面結(jié)構(gòu)

根據(jù)S238常付線的路況，對(duì)病害部分面層及基層采用挖補(bǔ)或刷涂黏層油直接加鋪補(bǔ)強(qiáng)處理，其中K203+648～K210+929、K212+520～K221+170段路基寬15 m，路面寬12 m；K210+929～K212+520段路基寬15 m，路面寬15 m。該改建路面結(jié)構(gòu)為兩側(cè)均設(shè)置土路肩1.5 m，路面單側(cè)加至5 m寬，路面均統(tǒng)一鋪筑細(xì)粒式瀝青混凝土(AC-10)、水泥穩(wěn)定碎石、砂礫石瀝青混凝土(AC-5)，其中水泥穩(wěn)定碎石厚度為18 cm，細(xì)粒式瀝青混凝土鋪設(shè)厚度為3 cm，砂礫石瀝青混凝土鋪設(shè)厚度為2 cm。

1.3 路面拼接方案和材料

該改建路段主要采用垂直拼接，而后路面層整體鋪設(shè)瀝青面層和水泥穩(wěn)定碎石的拼接方案；拼接不設(shè)置臺(tái)階。改造中充分利用既有混凝土路面；在新路面部分的拼接處，應(yīng)清除其表土并碾壓夯實(shí)，而后鋪設(shè)砂礫石墊層40 cm。鋪設(shè)C15混凝土20 cm，使其與原路面平高，而后對(duì)既有路面和新路面統(tǒng)一加鋪罩面。

1.4 舊料利用情況

此改建項(xiàng)目不涉及再利用及破碎既有路面的舊料，施工過(guò)程中主要對(duì)降低噪聲、保護(hù)植被及保持水土等方面進(jìn)行重點(diǎn)控制，做好環(huán)境保護(hù)工作。

2 省道S238公路改造加鋪設(shè)計(jì)

2.1 加鋪層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1.1 影響加鋪層的因素

S238常付線至十里鋪段是平頂山市連接豫西地區(qū)的交通要道，道路加鋪層的結(jié)構(gòu)組合受到交通量、既有路面技術(shù)狀況路面病害、經(jīng)濟(jì)性等因素的影響。

2.1.2 既有公路加鋪層的構(gòu)成方式

加鋪層既有公路加鋪層的結(jié)構(gòu)形式主要依據(jù)其承載力及路標(biāo)病害、交通量等因素來(lái)綜合評(píng)比選定。省道S238常付線至十里鋪段既有道路加鋪層的構(gòu)成方式見(jiàn)表1。

表1 既有路面加鋪層的結(jié)構(gòu)形式

2.2 路面加鋪層的材料設(shè)計(jì)

2.2.1 罩面層材料設(shè)計(jì)

省道、過(guò)大干線公路改建工程的使用性能和行駛質(zhì)量由罩面層的技術(shù)狀況決定，罩面層若具有耐磨抗滑、密實(shí)憑證和耐久抗裂等優(yōu)點(diǎn)，則可選擇混合料來(lái)加鋪罩面，適用的混合料為OGFC抗滑磨耗層(開(kāi)級(jí)配)、SMA瑪蹄脂瀝青碎石混合料、AC-C瀝青混凝土(粗型密級(jí)配)等，具體情況如下。

AC-C混合料為《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》中AK-A瀝青混合料的改進(jìn)型，在此混合料中，瀝青混合料的空隙率為3%～5%，明顯低于原來(lái)4%～5%的空隙率。同時(shí)馬歇爾試驗(yàn)擊實(shí)次數(shù)，由50次提高為75次，原大空隙率的AK抗滑面層調(diào)整為密實(shí)型，連續(xù)級(jí)配由AC調(diào)整為S型，現(xiàn)場(chǎng)空隙率低于7%，級(jí)配多靠近骨架密實(shí)的粗集料級(jí)配，大大降低了AK級(jí)配混合料的滲水性。當(dāng)前，AC-C型瀝青混合料的經(jīng)濟(jì)性較好，且技術(shù)成熟，已經(jīng)在中國(guó)的面層混合料中得到廣泛應(yīng)用，其結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

圖1 AC-13C瀝青混合料

SMA瑪蹄脂瀝青混合料依據(jù)最大內(nèi)摩擦角原則，用粗集料(間斷級(jí)配)構(gòu)成礦料骨架(相互嵌擠型)，而后依據(jù)較小空隙原則，用瑪蹄脂瀝青對(duì)骨架空隙進(jìn)行填充，構(gòu)成密實(shí)骨架結(jié)構(gòu)的瀝青混合料?，斕阒瑸r青混合料級(jí)配構(gòu)成的特點(diǎn)為：多用粗集料，占比為70%～80%；多用瀝青，占比6%左右；多用礦粉，占比10%左右；少用細(xì)集料，占比為15%～20%。這種結(jié)構(gòu)(圖2)具有耐磨抗滑、抗車(chē)轍、水穩(wěn)定性?xún)?yōu)良、抗疲勞和可降低早期路面破壞等特點(diǎn)。

圖2 瑪蹄脂瀝青碎石混合料

橡膠瀝青為性能優(yōu)秀的改性瀝青，被廣泛應(yīng)用在高速公路建設(shè)及公路加鋪工程中。

橡膠瀝青混合料(圖3)的特征決定了它具有極強(qiáng)的低溫抗裂性、高穩(wěn)定性、抗水損害能力等，且與其他類(lèi)型瀝青混合料相比，其抗疲勞及抗老化性能更加優(yōu)秀和突出。應(yīng)用橡膠瀝青混合料改建或鋪筑的公路，具有噪音低、舒適度高和平穩(wěn)性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，可以大大改善公路質(zhì)量，從而使其使用壽命大大延長(zhǎng)。

圖3 橡膠瀝青混合料

上述3種混合料的特征、用量、使用性能、外觀特征、造價(jià)、抗疲勞特征、通過(guò)率及碾壓要求等對(duì)比分析見(jiàn)表2。

磨耗層混合料需要具備抗水損壞能力以及良好的抗高溫車(chē)轍能力。如果經(jīng)濟(jì)允許，應(yīng)選擇瑪蹄脂瀝青混合料或AC-C混合料。

2.2.2 改建公路中層及下層用料設(shè)計(jì)

改建公路基層拼接需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題是減少拼接裂縫的反射，防止中層及下層位移對(duì)路面結(jié)構(gòu)承載力的影響。公路建設(shè)實(shí)踐表明，在公路的下面層、中層，瀝青混合料常會(huì)發(fā)生變形和推移，僅有少數(shù)發(fā)生在上面層。所以，若要確保復(fù)合型瀝青路面結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，就需要在下面層、中層的混合料中選擇高性能混合料，通常選擇TB瀝青穩(wěn)定碎石(密級(jí)配)、AC瀝青混合料(密級(jí)配)及EME瀝青混合料(高模量)。

表2 橡膠瀝青、瑪蹄脂瀝青及AC-C瀝青混合料的對(duì)比

本文參考當(dāng)前公路瀝青混合料Superpave級(jí)配設(shè)計(jì)的思想及理念，應(yīng)用了級(jí)配“S”形曲線，且采用了粗型級(jí)配，以保證能夠滿(mǎn)足各項(xiàng)性能的要求。實(shí)踐證明，混合料經(jīng)過(guò)改良，其密水性和施工均勻性均良好。然而，由于設(shè)計(jì)方法的因素，當(dāng)前所用的AC-C混合料仍為密實(shí)型懸浮混合料，高溫穩(wěn)定性仍存在不足。

Superpave混合料能夠防治早期路面損害，尤其車(chē)轍病害。該混合料的路面均勻密實(shí)、骨架嵌擠，高溫穩(wěn)定性遠(yuǎn)優(yōu)于AC-C結(jié)構(gòu)，且能夠有效降低路面級(jí)配離析，保障路面的密水性能，并防止瀝青路面的水損害。 Superpave混合料與AC-C混合料的對(duì)比分析見(jiàn)表3。

表3 Superpave與AC-C混合料的對(duì)比分析

通常情況下，為確保省道干線公路改建施工中瀝青路面的穩(wěn)定性和耐久性，需要特別注意其下面層、中層的抗疲勞性和高溫穩(wěn)定性，通過(guò)對(duì)其下面層、中層混合料技術(shù)特征的比較，發(fā)現(xiàn)選擇Superpave混合料較為合適。

2.2.3 改建路面下封層的瀝青設(shè)計(jì)技術(shù)

下封層瀝青主要用于封閉路面基層表面的空隙，防止基層受到水分浸入，同時(shí)可以增強(qiáng)瀝青混合料與基層面層的黏結(jié)。在既有路面層、半剛性基層下增鋪下封層，不但能夠增強(qiáng)路面的穩(wěn)定性，還能增強(qiáng)其整體性。

當(dāng)前，可用于下封層的材料非常多，不管是雙層式還是單層式，其下封層結(jié)構(gòu)所用材料較均為豐富。研究結(jié)果顯示，相較于單層式結(jié)構(gòu)，雙層式下封層并不具有明顯的優(yōu)勢(shì)，因此，建議下封層選用單層式結(jié)構(gòu)。下封層為單層式結(jié)構(gòu)時(shí)，主要適用的結(jié)構(gòu)方式包括碎石加乳化改性瀝青、碎石加改性熱噴瀝青、碎石加乳化普通瀝青、稀漿封層乳化改性瀝青、碎石加橡膠熱噴瀝青等。

改性SBS瀝青碎石封層材料與橡膠瀝青應(yīng)力吸收層材料的對(duì)比分析見(jiàn)表4。

瀝青下封層的黏結(jié)力非常突出，但是需要有足夠的低溫抗裂和高溫抗變形能力，方能有效應(yīng)用。同時(shí)，應(yīng)用瀝青下封層還需要良好的防水、排水條件。從上述封層材料技術(shù)及特性對(duì)比可知，選擇熱噴改性SBS瀝青碎石作為封層較佳。

2.2.4 改建公路基層設(shè)計(jì)技術(shù)

在道路擴(kuò)建工程中，半剛性路面基層結(jié)構(gòu)的反射裂縫現(xiàn)象是工程施工者的最大困擾，提高石料自身抗裂性成為關(guān)鍵。當(dāng)前，常用的水泥穩(wěn)定碎石料抗裂性提高途徑主要有：應(yīng)用振動(dòng)成型骨架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)配合比，以提升其強(qiáng)度；通過(guò)低劑量水泥穩(wěn)定碎石的應(yīng)用來(lái)強(qiáng)化其影響強(qiáng)度。作為路面基層，由于其結(jié)構(gòu)為承重層，必須具有一定的剛度及強(qiáng)度，且水穩(wěn)定性及板體都較強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)。所以，在混合料強(qiáng)度不受影響的情況下增強(qiáng)其抗裂性能。

表4 改性SBS瀝青碎石層與橡膠瀝青應(yīng)力吸收層材料對(duì)比分析

半剛性材料基層的構(gòu)成主要為骨架密實(shí)、空隙兩種結(jié)構(gòu)，也包括均勻密實(shí)、懸浮密實(shí)等結(jié)構(gòu)。通過(guò)粗集料的連續(xù)級(jí)配達(dá)成嵌擠骨架的為骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)，骨架空隙由細(xì)料和水泥填充。骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法為振動(dòng)成型技術(shù)，該設(shè)計(jì)方法能夠很好地解決抗裂性能與強(qiáng)度之間的矛盾，且水泥劑量少，強(qiáng)度高。

依據(jù)瀝青公路路面設(shè)計(jì)相關(guān)規(guī)范的要求，一級(jí)公路及高速公路上基層、基層應(yīng)選擇骨架密實(shí)型穩(wěn)定集料，二級(jí)及以下公路基層或其他級(jí)別公路底基層常選用懸浮密實(shí)混合料。本文從設(shè)計(jì)方法、級(jí)配組成和應(yīng)用效果等方面對(duì)比分析骨架密實(shí)型與懸浮密實(shí)型結(jié)構(gòu)。

(1)級(jí)配構(gòu)成。經(jīng)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，骨架密實(shí)型級(jí)配的0.075 mm、4.75 mm、19 mm篩孔通過(guò)率低于懸浮密實(shí)級(jí)配。此結(jié)果表明，在級(jí)配構(gòu)成上，骨架密實(shí)的粗骨料用量高于懸浮密實(shí)水穩(wěn)。此外，可以利用少量粉塵降低水穩(wěn)基層的開(kāi)裂幾率。水穩(wěn)混合料的剖面見(jiàn)圖4。

表5 懸浮密實(shí)與骨架密實(shí)基層級(jí)配對(duì)比

圖4 水穩(wěn)混合料的相應(yīng)剖面

(2)設(shè)計(jì)混合料的技術(shù)方法。確定混合料的最大干密度，骨架密實(shí)型水穩(wěn)應(yīng)用振動(dòng)壓實(shí)法，懸浮密實(shí)型水穩(wěn)則用重型擊實(shí)法。在強(qiáng)度成型技術(shù)上，骨架密實(shí)型水穩(wěn)用振動(dòng)壓實(shí)法，懸浮密實(shí)水穩(wěn)則用靜壓法，不同的設(shè)計(jì)方法各有優(yōu)勢(shì)?；旌狭显O(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)用振動(dòng)成型法，水泥劑量通常為2.5%～4.5%，分別取4～5種比例進(jìn)行配制，各組混合料的最大干密度及最佳含水量均用振動(dòng)壓實(shí)法確定。為確保抗裂能力及基層強(qiáng)度要求，設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)限制粉料、細(xì)集料和水泥的用量。

(3)應(yīng)用效果。骨架密實(shí)水穩(wěn)粗集料設(shè)計(jì)技術(shù)被廣泛應(yīng)用到許多實(shí)體工程中，該設(shè)計(jì)方法修筑的公路里程已超過(guò)2 000 km。對(duì)試驗(yàn)路段的觀測(cè)結(jié)果顯示，骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)的路面裂隙密度不足懸浮密實(shí)型結(jié)構(gòu)的1/3。

由上述分析可知，相較于懸浮密實(shí)型碎石骨架密實(shí)水穩(wěn)粗集料的水泥用量較小、粗集料量多且強(qiáng)度高，能減少碎石基層開(kāi)裂問(wèn)題，是優(yōu)化設(shè)計(jì)水穩(wěn)碎石的重要趨勢(shì)。

2.3 既有公路加鋪改建結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)

在設(shè)計(jì)省道S238常付線至十里鋪段公路加鋪改建路面結(jié)構(gòu)時(shí)，既要平衡協(xié)調(diào)拓寬路面結(jié)構(gòu)，也應(yīng)考慮對(duì)既有路面病害的根治，充分利用既有公路路面，協(xié)調(diào)各個(gè)車(chē)道的路面結(jié)構(gòu)，盡量重復(fù)利用既有公路的銑刨材料。為此，本文提出了省道S238常付線改建路面的結(jié)構(gòu)。

(1)公路結(jié)構(gòu)良好的路段，直接罩面；病害較輕者，則在局部維修處治后罩面。直接罩面方案為：在維修處理既有路面病害的基礎(chǔ)上，先鋪設(shè)改性SBS瀝青碎石封層，然后鋪設(shè)SNA-10改性瀝青，厚度為3 cm。

(2)路面結(jié)構(gòu)良好、但病害稍重的公路，要先對(duì)既有公路面銑刨，再罩面。即銑刨既有路面基層，再應(yīng)用改性SBS瀝青碎石封層，而后應(yīng)用廠拌熱再生或就地?zé)嵩偕夹g(shù)，最后鋪設(shè)SMA-10改性瀝青，厚度為3 cm。

(3)補(bǔ)強(qiáng)面層罩面。對(duì)于結(jié)構(gòu)差且病害一般的路面，需要進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)罩面。即維修既有路面病害，以改性瀝青SBS碎石封層，再鋪設(shè)5 cm厚SUP-20改性瀝青。

(4)補(bǔ)強(qiáng)基層罩面。結(jié)構(gòu)差、病害嚴(yán)重的路面，需要補(bǔ)強(qiáng)既有路面基層。即維修既有路面，鋪設(shè)厚20 cm水泥穩(wěn)定(抗裂型)碎石，而后以改性瀝青SBS碎石封層，再鋪設(shè)5 cm厚的SUP-20改性瀝青，最后鋪設(shè)厚3 cm的SNA-10改性瀝青。

3 結(jié) 語(yǔ)

舊路改建加鋪應(yīng)以通行舒適、安全為目的，公路必須具備足夠的穩(wěn)定性及強(qiáng)度。同時(shí)，在舊路加鋪結(jié)構(gòu)組合方式上，要有基層補(bǔ)強(qiáng)、面層補(bǔ)強(qiáng)、維修罩面等類(lèi)型。在加鋪材料的選擇上，磨耗層選擇AC或SMA型混合料；Superpave混合料用于中、下面層；下封層選擇改性瀝青碎石混合料及抗裂性水穩(wěn)。通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)與實(shí)踐檢驗(yàn)，相關(guān)數(shù)據(jù)表明S238常付線至十里段公路設(shè)計(jì)具備一定的防水性、承重性和穩(wěn)定性，各項(xiàng)指標(biāo)均滿(mǎn)足施工現(xiàn)場(chǎng)及周?chē)h(huán)境的要求。經(jīng)過(guò)對(duì)該擴(kuò)建工程幾年來(lái)的觀察，其運(yùn)行效果較好，表明該舊路加鋪工藝有一定的推廣應(yīng)用價(jià)值。