公路路面結(jié)構(gòu)優(yōu)化思路研究

路凌、李晨

（1.吉安市公路勘察設(shè)計(jì)院，江西吉安343000；2.吉安市公路建設(shè)和養(yǎng)護(hù)中心吉水分中心，江西吉水331600)

0 引言

公路路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)屬于系統(tǒng)性的工作，在設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中對(duì)路面結(jié)構(gòu)指標(biāo)要求非常高。如果結(jié)構(gòu)指標(biāo)參數(shù)不合格就會(huì)出現(xiàn)結(jié)構(gòu)層不對(duì)接，質(zhì)量下降嚴(yán)重的還會(huì)導(dǎo)致路面工程的安全性受到影響。所以在路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的階段中，采取科學(xué)的優(yōu)化技術(shù)策略是提高路面性能的關(guān)鍵，因此對(duì)路面結(jié)構(gòu)優(yōu)化思路進(jìn)行分析，最終拿出有效的設(shè)計(jì)方案是本文的主要研究方向。

1 項(xiàng)目概況

1.1 項(xiàng)目簡(jiǎn)介

某高速公路是南方地區(qū)的重要交通基礎(chǔ)設(shè)施，工程項(xiàng)目的總長(zhǎng)度為74km。整個(gè)項(xiàng)目貫穿全省，連接多條高速公路，與國(guó)道、省道都有交叉，形成縱橫交錯(cuò)的交通網(wǎng)絡(luò)，對(duì)于緩解當(dāng)?shù)氐慕煌ㄍㄐ袎毫Α⒋龠M(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展有重要的意義。

1.2 氣候、水文條件

該區(qū)域?qū)儆趤啛釒Ъ撅L(fēng)濕潤(rùn)氣候區(qū)，四季比較明顯，冬季比較短，夏季時(shí)間較長(zhǎng)，全年最高氣溫為43℃，最低溫度為-13.3℃，全年范圍內(nèi)溫差比較大。雨季降雨量比較大，雨量值為1324～1551mm，從平原到山區(qū)逐步遞增；并且在該區(qū)域內(nèi)水量比較豐富，流入到長(zhǎng)江水系內(nèi)，有比較多的分支流域。

1.3 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

從工程設(shè)計(jì)方案了解到，項(xiàng)目結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行了總體優(yōu)化和改變，最終確定為雙向四車(chē)道的高速公路形式，設(shè)計(jì)最高行駛速度為100km/h。路基結(jié)構(gòu)寬度為26m，其中行車(chē)道的寬度尺寸為2m×2m×3.75m，硬路肩為2m×3m，中間帶寬為3.0m；分離路基的寬度為13m。各個(gè)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)完全按照我國(guó)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和公路行業(yè)規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)，保證結(jié)構(gòu)性能符合要求。

2 高速公路結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)思路分析

2.1 高溫穩(wěn)定性

該高速公路項(xiàng)目運(yùn)行的區(qū)域內(nèi)，年最高氣溫超過(guò)40℃，所以夏季是非常炎熱的。在這種極端的條件之下，必須要保證路面混合料達(dá)到抗變形的能力，完全滿足運(yùn)行的標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí)因?yàn)樵摳咚俟讽?xiàng)目的路段內(nèi)，交通通行量比較大，還有很多大型重載車(chē)輛進(jìn)入到道路內(nèi)行駛，導(dǎo)致公路受到的車(chē)輛載荷作用比較大。此外，有些路段是長(zhǎng)大縱坡的路段行駛，高溫、重載、縱坡長(zhǎng)等因素的影響，導(dǎo)致路面結(jié)構(gòu)的損壞比較嚴(yán)重，應(yīng)用條件比較復(fù)雜，極大地影響總體應(yīng)用效果。因此，在路面結(jié)構(gòu)方案的優(yōu)化設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，要綜合分析高溫條件下的路面抗車(chē)轍性、抗剪性必須滿足要求，確保交通運(yùn)行的安全性和穩(wěn)定性，不會(huì)誘發(fā)嚴(yán)重的交通事故問(wèn)題[1]。

2.2 水穩(wěn)定性

高速公路沿線的區(qū)域內(nèi)，年降雨量在1500mm 左右，所以其屬于降雨量超過(guò)1000mm 的潮濕地帶，對(duì)于當(dāng)?shù)氐母咚俟愤\(yùn)行產(chǎn)生很大的影響。深入到現(xiàn)場(chǎng)了解高速公路的運(yùn)行實(shí)際情況，發(fā)現(xiàn)該項(xiàng)目的水損害比較嚴(yán)重，難以達(dá)到交通運(yùn)行安全性和穩(wěn)定性的要求。因此，在路面結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，要充分地考慮到混合料的設(shè)計(jì)、原材料性能指標(biāo)控制等對(duì)于水穩(wěn)定性的影響，從而可以保證結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度性能合格，確保交通通行的安全性合格。

2.3 低溫抗裂性

該高速公路項(xiàng)目所處地區(qū)年最低溫度為-10℃以下，是冬冷區(qū)的環(huán)境條件。因此，在高速公路優(yōu)化設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，要確保其高溫穩(wěn)定性達(dá)標(biāo)，還要保證低溫抗裂性能合格，滿足低溫條件下的運(yùn)行需要，不會(huì)影響冬季環(huán)境的正常運(yùn)行。

2.4 抗疲勞性

該高速公路項(xiàng)目的通行車(chē)輛數(shù)量較多，尤其是有很多的重載車(chē)輛進(jìn)入到高速公路內(nèi)行駛，給路面結(jié)構(gòu)造成很大的損害影響，疲勞破壞的問(wèn)題比較嚴(yán)重。因此，在進(jìn)行路面優(yōu)化設(shè)計(jì)方案的過(guò)程中，特別注重促進(jìn)抗疲勞性能的提升?？傊谠摳咚俟讽?xiàng)目設(shè)計(jì)方案確定環(huán)節(jié)，要綜合分析重載車(chē)輛作用之下的車(chē)轍損壞、早期水損害等問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，保證混合料滿足運(yùn)行要求，切實(shí)提升高速公路的質(zhì)量；尤其是特殊路段的處理，要完全符合工程的要求，從而可以達(dá)到減少早期病害、提升耐久性、延長(zhǎng)使用壽命的標(biāo)準(zhǔn)要求[2]。

3 瀝青結(jié)構(gòu)層的優(yōu)化分析

在優(yōu)化設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，根據(jù)高速公路的運(yùn)行條件和情況，采取必要的瀝青結(jié)構(gòu)層的優(yōu)化改進(jìn)設(shè)計(jì)，完全滿足瀝青路面的運(yùn)行要求。

3.1 瀝青上面層優(yōu)化

結(jié)合當(dāng)前的高速公路車(chē)輛通行的實(shí)際情況，對(duì)于未來(lái)交通通行量進(jìn)行合理性預(yù)測(cè)。如果建設(shè)初期并未有較大的通行量，路面荷載影響的主要結(jié)構(gòu)是中面層，所以從功能、經(jīng)濟(jì)等角度展開(kāi)分析，優(yōu)化設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，確定上面層結(jié)構(gòu)制作為厚度4cm 的AC-13C，應(yīng)用的瀝青材料是SBS 改性瀝青，可以降低項(xiàng)目運(yùn)行成本，滿足交通運(yùn)行的標(biāo)準(zhǔn)要求。AC-13C 應(yīng)用的是硬度高、耐磨性好的集料，比較常見(jiàn)的是玄武巖、輝綠巖等材料，保證路面結(jié)構(gòu)的抗滑性、耐磨性符合要求。通過(guò)計(jì)算對(duì)比分析，應(yīng)用輝綠巖材料的上面層的成本要比玄武巖低，且因?yàn)楫?dāng)?shù)氐南募经h(huán)境溫度高、降雨量大，最終確定上面層結(jié)構(gòu)應(yīng)用AC-13C 型瀝青混凝土，這樣可以完全達(dá)到上面層的運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)，保證抗滑、耐磨性滿足交通運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)。

3.2 瀝青中、下面層優(yōu)化

在該高速公路項(xiàng)目的原設(shè)計(jì)方案中，中、下面層分別是6cm 厚度的AC-20C、8cm 厚度的AC-25C，在中面層的下部主要是在該路面結(jié)構(gòu)的高剪力受力范圍內(nèi)。

如果環(huán)境溫度相對(duì)較高，且重載車(chē)輛比較多，就必須要確保中面層的結(jié)構(gòu)達(dá)到高溫穩(wěn)定性的標(biāo)準(zhǔn)。所以在進(jìn)行施工中，選擇應(yīng)用高溫穩(wěn)定性良好的瀝青混合料的材料，最終選擇應(yīng)用SBS 改性瀝青材料，以達(dá)到中面層的運(yùn)行性能要求。對(duì)于下面層的結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，主要的作用是承載，同時(shí)達(dá)到黏結(jié)的效果，保證其抗疲勞性能與抗水害的效果，所以該項(xiàng)目應(yīng)用50#A級(jí)道路石油瀝青制作而成。在優(yōu)化設(shè)計(jì)階段，將原中面層設(shè)計(jì)方案調(diào)整為6cm 的Sup-20 材料膠結(jié)材料，應(yīng)用的是改性瀝青材料，確保材料的性能達(dá)到規(guī)定技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)；下面結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)之后調(diào)整為8cm 的Sup 材料，應(yīng)用的是50#道路石油瀝青材料，結(jié)構(gòu)性能符合標(biāo)準(zhǔn)要求[3]。

3.3 水穩(wěn)基層優(yōu)化

高速公路原結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案中，因?yàn)槭褂玫乃啾壤容^大，結(jié)構(gòu)極易發(fā)生裂縫的問(wèn)題，嚴(yán)重影響運(yùn)行的質(zhì)量和效果，尤其是1cm 厚度的石油瀝青結(jié)構(gòu)表面出現(xiàn)抗反射裂縫層的情況。因此，在優(yōu)化設(shè)計(jì)方案的環(huán)節(jié)，水穩(wěn)定基層的設(shè)計(jì)極為重要，降低水泥材料的使用比例，可以防止發(fā)生水穩(wěn)裂縫的問(wèn)題，通過(guò)多種方式可以有效地延緩瀝青路面發(fā)生反射裂縫的時(shí)間。水穩(wěn)基層或者裂縫端部的位置上容易發(fā)生結(jié)構(gòu)性能下降的情況，保障防水黏結(jié)層的性能合格。通過(guò)采取措施進(jìn)行鋪裝層結(jié)構(gòu)的抗拉性能、抗剪性能的應(yīng)用。通過(guò)利用改善結(jié)構(gòu)層性質(zhì)的效果，完全達(dá)到運(yùn)行的標(biāo)準(zhǔn)，不會(huì)出現(xiàn)反射裂縫的病害問(wèn)題。

4 高速公路路面優(yōu)化設(shè)計(jì)的對(duì)比分析

4.1 技術(shù)分析

傳統(tǒng)的高速公路設(shè)計(jì)方案中，應(yīng)用的是AC 型瀝青混合料的結(jié)構(gòu)，為懸浮密實(shí)型連續(xù)級(jí)配的形式，高溫穩(wěn)定性效果良好。及時(shí)進(jìn)行級(jí)配參數(shù)的調(diào)整，但也無(wú)法消除設(shè)計(jì)的問(wèn)題，依然會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)發(fā)生質(zhì)量問(wèn)題。而傳統(tǒng)馬歇爾試驗(yàn)方式應(yīng)用擊實(shí)成型試件，并不能準(zhǔn)確地了解壓路機(jī)的碾壓施工效果，極易造成試件的油石比超出實(shí)際路面結(jié)構(gòu)的0.3%～0.5%。在該結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，設(shè)計(jì)人員應(yīng)用Super pave 技術(shù)進(jìn)行路面性能的檢測(cè)。從實(shí)際應(yīng)用效果方面展開(kāi)分析，發(fā)現(xiàn)該技術(shù)確定的瀝青混合料路面的均勻性、密實(shí)度滿足要求，高溫穩(wěn)定性完全達(dá)到工程的運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)，抗水害效果良好，其他的性能指標(biāo)也要高于傳統(tǒng)AC 混合料，保證結(jié)構(gòu)的性能達(dá)標(biāo)，高溫抗車(chē)轍效果良好[4]。

4.2 路面基本建設(shè)費(fèi)用分析

在結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)之后，較之原設(shè)計(jì)方案來(lái)說(shuō)，路面的綜合性能得到根本性的提升，使用壽命也比較長(zhǎng)。而且應(yīng)用清單報(bào)價(jià)方式計(jì)算分析，發(fā)現(xiàn)主線結(jié)構(gòu)的施工資金較之原路面結(jié)構(gòu)節(jié)約2219 萬(wàn)元左右，經(jīng)濟(jì)效益提升較為明顯。

4.3 使用效果分析

當(dāng)前我國(guó)的高速高速公路的瀝青路面施工技術(shù)研究中，主要的目的就是延長(zhǎng)使用壽命，防止發(fā)生早期損害的問(wèn)題，符合全壽命設(shè)計(jì)理念的需要。從本文分析結(jié)論可以發(fā)現(xiàn)，該高速公路項(xiàng)目的結(jié)構(gòu)優(yōu)化可以消除原路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的不足，在切實(shí)提升運(yùn)行質(zhì)量的基礎(chǔ)條件之下，達(dá)到耐久、節(jié)約、環(huán)保型效果，完全達(dá)到高速公路的運(yùn)行要求[5]。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，針對(duì)高速公路進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，重要的目的就是保障其運(yùn)行性能滿足要求，并且降低項(xiàng)目建設(shè)成本。本次高速公路項(xiàng)目?jī)?yōu)化設(shè)計(jì)之后，成本節(jié)約2200 余萬(wàn)元，成本降低較為明顯。因此，在高速公路路面結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)之后，不僅可以提高路面結(jié)構(gòu)性能，延長(zhǎng)使用壽命，同時(shí)還能夠降低成本，產(chǎn)生較高的經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益，實(shí)現(xiàn)綜合性能的提升，對(duì)于促進(jìn)交通事業(yè)發(fā)展、經(jīng)濟(jì)與社會(huì)進(jìn)步有重要價(jià)值。