非對稱路面結(jié)構(gòu)在高速公路路面設(shè)計分析

文/蔣明、黃升

1 前言

路面結(jié)構(gòu)層是路面中各個鋪設(shè)層的部分，根據(jù)所處的位置和作用不同，可以分為面層、基層與墊層。路面在運(yùn)營中，因為車輛荷載的逐步作用和自然條件的影響，導(dǎo)致一定深度范圍內(nèi)影響比較嚴(yán)重，威脅到整個結(jié)構(gòu)的性能。因此在路面鋪設(shè)施工階段，需要將材料性能好的用于上層結(jié)構(gòu)中，材料品質(zhì)差的需要將其放在受力面積小的位置上，從而提高整體結(jié)構(gòu)的性能。

2 路面結(jié)構(gòu)層簡述

2.1 面層

2.1.1 剛度和穩(wěn)定性

面層為路面最上方的一層結(jié)構(gòu)，在運(yùn)行中，車輛的作用力、重力荷載等直接作用造成了該結(jié)構(gòu)部分的影響很大。同時自然降水、環(huán)境溫度產(chǎn)生變化，在一定的范圍內(nèi)給路面結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定影響，使整體承載力滿足不了設(shè)計規(guī)范要求。因此，面層在路面施工中最為重要的一方面就是質(zhì)量的管理。此外，面層和其他結(jié)構(gòu)層進(jìn)行對比分析，它存在的特點是比較明顯的，無論是在深度或是強(qiáng)度還是耐久性上，都比普通的施工方式要好，所以要提起足夠重視。

2.1.2 瀝青面層

瀝青面層很多情況下都會包含2～3 層，表層一般稱為磨耗層。其主要作用在于將水平面的磨損力抵消，提高整體結(jié)構(gòu)性能。中面層與下面層是瀝青的主要結(jié)構(gòu)部分，能夠保護(hù)面層結(jié)構(gòu)，提升結(jié)構(gòu)強(qiáng)度性能。

2.2 基層

一般而言，基層主要處于面層下部位置或是路基結(jié)構(gòu)的上部位置地方。基層的作用就是承載面層傳輸下來的車輪垂直力，同時將該力量傳輸?shù)较聦?。此外，基層在一定的程度上，還會受到地下水滲漏水產(chǎn)生的腐蝕影響，所以在進(jìn)行基層鋪設(shè)施工環(huán)節(jié)過程中，需要選擇具備強(qiáng)度、高性能好抗水性良的材料作為基礎(chǔ)材料。就目前而言，在基層鋪設(shè)施工材料中常見的材料有石灰材料、瀝青材料、水泥材料等等。這些材料的應(yīng)用效果比較好，并且在基層施工的過程中可以按照上基層施工底部基層施工兩個位置進(jìn)行施工，對于上基層施工它的承載力很大，因此在進(jìn)行基層施工上選擇的材料強(qiáng)度需要按照實際的要求選擇。而在基層下部結(jié)構(gòu)施工的過程中，其主要產(chǎn)生的是輔助作用，對于材料的選擇性比較高。所以應(yīng)該保證在合理的范圍內(nèi)，底基層的鋪設(shè)材料逐步放寬，有效降低施工成本，達(dá)到交通運(yùn)行的需要[1]。

2.3 墊層

墊層主要位置在基層與土基層結(jié)構(gòu)位置上，墊層的主要目的在于排水、隔水隔溫。在一定程度上將傳遞下來的荷載分散，提高整體路基的強(qiáng)度。在具體施工過程中，對于不同的位置需要設(shè)置不同結(jié)構(gòu)的墊層。當(dāng)路基穩(wěn)定狀態(tài)不穩(wěn)定時需要設(shè)計，而在墊層施工的過程中材料長度選擇的要求不是很高的情況下，只要滿足隔水隔溫的要求即可。通常情況下，都會就近選擇施工材料，應(yīng)用一些松散度較高的顆粒材料，或者是應(yīng)用水泥或者石灰煤渣的方式進(jìn)行。值得注意的是，在采用松散透水性能比較高的材料進(jìn)行下部結(jié)構(gòu)施工的時候，需要在其位置下設(shè)置相應(yīng)的過濾層，減少外界滲漏水產(chǎn)生的影響，提高整體路面結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

3 非對稱路面結(jié)構(gòu)設(shè)計

非對稱路面結(jié)構(gòu)，設(shè)計時必須嚴(yán)格按照公路路面設(shè)計技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和構(gòu)造基礎(chǔ)原理進(jìn)行，一般需要在雙圓的垂直分布荷載影響下，形成多層彈性結(jié)構(gòu)體系，確保彎沉值再試驗處理，并且需要進(jìn)行面層、基層、底基層部分實現(xiàn)拉應(yīng)力的檢測，達(dá)到結(jié)構(gòu)性能的使用標(biāo)準(zhǔn)。

3.1 彎沉值的相關(guān)計算

在進(jìn)行彎沉值計算的過程中，需要將彎沉值控制在理想的狀態(tài)之上，并且按照車道運(yùn)行累計次數(shù)以及面層還有基層的要求進(jìn)行控制，達(dá)到車輛運(yùn)行對路面產(chǎn)生負(fù)載的要求。一般來說，在標(biāo)準(zhǔn)軸載100kN 的作用下，能夠檢測確定出最大回彈彎沉值數(shù)據(jù)。

3.2 軸載的換算

軸載換算的過程中，按照我國現(xiàn)有的規(guī)范技術(shù)要求，以雙輪單主軸的方式進(jìn)行計算，路面設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)軸載為雙輪組單軸載100kN，使用BZZ-100 表示。通過和對稱路面設(shè)計做出分析，該結(jié)構(gòu)形式在設(shè)計中根據(jù)上行線和下行線中交通量的不同進(jìn)行設(shè)計，并且需要在各自的設(shè)計年限中累計當(dāng)量軸次以及設(shè)計彎沉值完成計算，根據(jù)彎沉值實現(xiàn)上行線和下行線的路面厚度計算確定，對瀝青混凝土面層以及半剛性材料基層與底層部分的拉力進(jìn)行詳細(xì)計算分析，保證結(jié)構(gòu)的性能符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

4 非對稱路面結(jié)構(gòu)設(shè)計方案

4.1 軸次和彎沉值設(shè)計計算

路面設(shè)計時，進(jìn)行軸次的數(shù)據(jù)估算，通常情況下所應(yīng)用的非對稱結(jié)構(gòu)設(shè)計中上行線與下行線中的車道累計單量軸次有著很大的差異。因此，應(yīng)該通過估算下的車道應(yīng)用年限內(nèi)進(jìn)行車道累計單量軸次作為基礎(chǔ)進(jìn)行計算，分別確定各自的彎沉值數(shù)據(jù)。例如，某設(shè)計年度車道累積的單量軸數(shù)量為5.6×107 次，那么在進(jìn)行彎沉值計算時，則需要按照16.9（1/100mm）要求計算；當(dāng)下行線車道累計量次為3.54×107 次時，計算要求則按照18.5（1/100mm）進(jìn)行。通過對確定數(shù)據(jù)分析可知，在上下行線路的單量軸計算的過程中，其差異值為2.06×107 次[2]。

4.2 路面結(jié)構(gòu)層厚度的計算

在路面結(jié)構(gòu)層厚度計算的過程中，需要考慮路面層的荷載問題。同時，按照累計軸次與彎沉值數(shù)據(jù)的要求，根據(jù)非對稱路面結(jié)構(gòu)計算，計算后就能夠得到路面結(jié)構(gòu)厚度尺寸。

4.2.1 上行線采用4cm 且采用材料為SBS 瀝青混凝土材料時，配合8cm 的AC25 型號混凝土材料作為面層結(jié)構(gòu)，同時配置52cm的水泥穩(wěn)定碎石，使其能結(jié)合為復(fù)合型結(jié)構(gòu)。

4.2.2 行線設(shè)置主要采用的是4cm 中型的SBS 材料與8cm 的瀝青混合料配合施工，同時加上水泥穩(wěn)定碎石基層（47cm）與碎石墊層（20cm）作為結(jié)構(gòu)層。從具體的應(yīng)用實際情況分析，發(fā)現(xiàn)本次設(shè)計中的各個層都能夠達(dá)到性能的要求和交通的運(yùn)行需要。

5 非對稱路面結(jié)構(gòu)組合設(shè)計要點

5.1 各結(jié)構(gòu)層荷載應(yīng)用分布特點

新建設(shè)路面在正常運(yùn)營后，各個結(jié)構(gòu)部分承受比較大的荷載，而荷載的大小會伴隨著路面結(jié)構(gòu)層深度的增加而逐步增大。因此，在設(shè)計的過程中，必須要結(jié)合不同層的使用需要選擇合適的施工方案，達(dá)到公路運(yùn)行荷載的需要。在路面結(jié)構(gòu)的設(shè)計中，根據(jù)強(qiáng)度從上到下逐步遞減的方式組合設(shè)計，這種方式的確定可以通過非對稱的路面結(jié)構(gòu)層設(shè)計，取得非常好的效果。同時利用這種設(shè)計方式，在今后的施工中，讓材料的選擇更加順利進(jìn)行，滿足就地取材的目的要求，保證成本控制在合理的范圍內(nèi)，保護(hù)項目的經(jīng)濟(jì)效益。在非對稱路面組合材料以及構(gòu)件重新組合設(shè)計過程中，應(yīng)該分析材料變化規(guī)律。如果發(fā)現(xiàn)路面層模量關(guān)系相對比較特殊，應(yīng)該全面控制各個層的拉應(yīng)力；如果差值超過材料的承受力范圍，就說明該結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了斷裂的問題。因此，應(yīng)該加強(qiáng)各個設(shè)計參數(shù)的控制。考慮到設(shè)計方案的實際情況，土基在基層模量比設(shè)計中，應(yīng)該保證其參數(shù)值設(shè)定在0.08～0.40之間，基層和面層的回彈模量比應(yīng)該限定在0.3 以內(nèi)，實現(xiàn)非對稱的路面結(jié)構(gòu)組合優(yōu)化設(shè)計中拉應(yīng)力的全面控制。結(jié)合具體的結(jié)構(gòu)層形式，采用符合要求的施工材料，充分了解各個結(jié)構(gòu)層變化的實際情況，最終保證組合設(shè)計方案符合要求。

5.2 各結(jié)構(gòu)層特性以及相互影響

從非對稱結(jié)構(gòu)方面分析，其結(jié)構(gòu)中包含很多的材料，在不同的層面中應(yīng)該使用不同的施工材料，所以材料的強(qiáng)度性能也會給組合層的性能產(chǎn)生比較大的影響。在進(jìn)行組合設(shè)計環(huán)節(jié)，要分析不同材料所產(chǎn)生的影響，避免出現(xiàn)結(jié)構(gòu)層的差異排除。對新建設(shè)的瀝青混凝土路面結(jié)構(gòu)形式分析，都會應(yīng)用水泥、石灰等材料。該材料溫度會產(chǎn)生相對較大的影響，如果施工工藝有明顯問題存在，就會出現(xiàn)裂縫問題。因此，在設(shè)計中必須要采取必要的應(yīng)對措施，防止基層材料收縮帶來影響。比如在設(shè)計中增加部分細(xì)料的比例，或者是增加結(jié)合料的含量，能夠有效消除反射裂縫的問題。此外，在設(shè)計環(huán)節(jié)，還應(yīng)該適當(dāng)增加面層的厚度，或者是根據(jù)需要增設(shè)瀝青碎石緩沖層等形式。對于潮濕或者黏性的路基結(jié)構(gòu)來說，不能直接進(jìn)行鋪設(shè)施工[3]。在具體操作中，可以選擇合適的路基頂面設(shè)計方式，布置土工各層，防止出現(xiàn)摻雜而導(dǎo)致不同層污染的問題。在組合設(shè)計階段，各個層都要達(dá)到緊密度的要求，避免存在滑移的問題。瀝青面層、半剛性基層和粒料之間應(yīng)該有相應(yīng)的透水層，根據(jù)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)布置多層瀝青材料，符合設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，提升工程的質(zhì)量水平。

6 非對稱路面結(jié)構(gòu)組合設(shè)計原則

在非對稱路面結(jié)構(gòu)實施組合設(shè)計時，除了應(yīng)該綜合分析各個結(jié)構(gòu)層的特點之外，還應(yīng)該根據(jù)如下的基本原則開展設(shè)計。

6.1 適應(yīng)行車荷載作用的要求

對形成荷載的作用下給路面造成的應(yīng)力影響，在路面結(jié)構(gòu)組合設(shè)計中，應(yīng)該根據(jù)路面強(qiáng)度與剛度性能自上到下逐步遞減的規(guī)律實現(xiàn)路面的分層處理，并且需要考慮到施工工藝、材料規(guī)格等方面，層數(shù)的控制達(dá)到合理性的要求，厚度要符合結(jié)構(gòu)層的標(biāo)準(zhǔn)，不會影響結(jié)構(gòu)性能。

6.2 優(yōu)選材料的原則

在具體的設(shè)計中，為了切實保證非對稱路面穩(wěn)定性合格，在基層材料的選擇中，應(yīng)該保證材料性能符合標(biāo)準(zhǔn)要求。如果該地區(qū)是季節(jié)性冰凍區(qū)域，應(yīng)該在路面結(jié)構(gòu)上布置有翻漿墊層和防止凍脹墊層結(jié)構(gòu)，設(shè)計中保證總體的厚度達(dá)到基本要求，提升防凍厚度的標(biāo)準(zhǔn)要求。

6.3 滿足各個結(jié)構(gòu)層各自的特點

新建設(shè)路面在結(jié)構(gòu)組合設(shè)計環(huán)節(jié)，為了讓整個結(jié)構(gòu)層之間的設(shè)計達(dá)到連續(xù)性的要求，應(yīng)該進(jìn)行各個結(jié)構(gòu)之間緊密度的控制，保證路面結(jié)構(gòu)組合設(shè)計中，達(dá)到結(jié)合面耐久性、基層結(jié)實、穩(wěn)定性的標(biāo)準(zhǔn)和綜合性能的要求[4]。

7 非對稱路面結(jié)構(gòu)設(shè)計的優(yōu)缺點

7.1 優(yōu)點

在非對稱路面結(jié)構(gòu)設(shè)計中，上行線與下行線的路面結(jié)構(gòu)設(shè)計的厚度應(yīng)該根據(jù)交通道路通行量和結(jié)構(gòu)承載性能設(shè)計，防止重載車輛受到嚴(yán)重影響導(dǎo)致結(jié)構(gòu)損壞，同時還應(yīng)該盡量減小輕載車輛的道路厚度，實現(xiàn)成本降低。該結(jié)構(gòu)形式應(yīng)用到運(yùn)輸距離比較長、載重量比較大的煤礦以及建筑材料的運(yùn)輸?shù)缆飞?，可以產(chǎn)生更好的效果。

7.2 缺點

非對稱路面結(jié)構(gòu)形式有著較高的針對性，這就說明使用范圍也會受到較大的影響，并不是所有的高速公路都能夠使用非對稱的路面結(jié)構(gòu)形式施工，一般都是應(yīng)用到重載路面中。另外一個重要的設(shè)計方向就是輕載。因此，該結(jié)構(gòu)設(shè)計方式主要是應(yīng)用到豐富礦藏或者運(yùn)輸重載材料的地帶中，并不會適應(yīng)普通的高速公路項目[5]。

8 結(jié)語

總體而言，在非對稱路面結(jié)構(gòu)設(shè)計的過程中，需要考慮到路面的排水性能與車輛通行荷載的性能，在設(shè)計上對設(shè)計方式進(jìn)行創(chuàng)新。高速公路的路面設(shè)計不能僅僅使用某一種路面結(jié)構(gòu)形式，而是需要充分考慮到實際情況，結(jié)合自然環(huán)境、地質(zhì)條件等因素，考慮到交通量、運(yùn)輸荷載等選擇合適的結(jié)構(gòu)形式，保證公路工程的質(zhì)量，降低建設(shè)成本，有著較高的經(jīng)濟(jì)價值和社會價值。