公路路面構(gòu)成形式設(shè)計(jì)研究

劉陽河

（中國(guó)公路工程咨詢集團(tuán)有限公司，北京 100048）

1 工程概況

某高速公路設(shè)計(jì)速度為100km/h，建設(shè)在城市的邊緣地帶，現(xiàn)場(chǎng)的地形、地貌條件的復(fù)雜性較高，為了提高公路交通通行的質(zhì)量，設(shè)計(jì)單位聯(lián)合施工單位進(jìn)行全面勘察，并確定最佳的路面設(shè)計(jì)方案，提高結(jié)構(gòu)的性能，延長(zhǎng)使用壽命，對(duì)提高公路交通通行質(zhì)量產(chǎn)生積極作用。

2 高速公路路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 墊層設(shè)計(jì)

在該高速公路設(shè)計(jì)中，將路面分為墊層、基層與面層結(jié)構(gòu)，各層共同組成整個(gè)路面結(jié)構(gòu)。墊層設(shè)置在路面與路基之間，保證結(jié)構(gòu)性能合格，合理布置墊層以防止積水進(jìn)入路基，預(yù)防發(fā)生結(jié)構(gòu)損壞的問題，從而達(dá)到隔水效果。同時(shí)還應(yīng)該確保墊層達(dá)到保溫性能，防止受到外部環(huán)境冷空氣的影響，發(fā)生凍脹的問題。該項(xiàng)目的墊層設(shè)計(jì)并不是貫穿整條線路結(jié)構(gòu)，布置在地質(zhì)性能比較差的部位，結(jié)構(gòu)性能滿足要求，從而達(dá)到高速公路通行水平。

在路面墊層施工中，對(duì)應(yīng)用的材料有著較高的要求。在場(chǎng)地內(nèi)，生產(chǎn)應(yīng)用材料，如水泥、石灰、煤渣等。應(yīng)用松散透水性好的材料進(jìn)行路面墊層施工，在上部設(shè)置反濾層，從而保證墊層結(jié)構(gòu)質(zhì)量合格，在投入使用后具備較高的穩(wěn)定性。經(jīng)過分析研究，該項(xiàng)目墊層厚10～15cm。

2.2 基層設(shè)計(jì)

2.2.1 基層結(jié)構(gòu)

基層在高速公路中屬于承載結(jié)構(gòu)部分，是提升整個(gè)結(jié)構(gòu)承載性能的關(guān)鍵。按照目前我國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，測(cè)試承載性能應(yīng)用軸重100kN的路面彎沉值表示，一旦發(fā)現(xiàn)承載性能不合格，彎沉值超出設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，會(huì)造成結(jié)構(gòu)拉應(yīng)力超出規(guī)定的要求，結(jié)構(gòu)受到破壞而導(dǎo)致性能下降，最終出現(xiàn)整體結(jié)構(gòu)損壞的問題，路面變形、塌陷等無法運(yùn)行?？偨Y(jié)以往經(jīng)驗(yàn)，考慮到項(xiàng)目情況，該項(xiàng)目采用半剛性基層結(jié)構(gòu)，包含基層與底基層結(jié)構(gòu)，組合形成完整的結(jié)構(gòu)，達(dá)到運(yùn)行性能的標(biāo)準(zhǔn)[1]。

2.2.2 基層材料

（1）對(duì)于半剛性基層來說，材料的選擇至關(guān)重要。設(shè)計(jì)人員結(jié)合項(xiàng)目狀況，選擇收縮小、抗沖刷性能優(yōu)越的材料，如水泥粒料、石灰粉煤灰等，配合比符合要求，材料配比達(dá)到要求，具備較高的結(jié)構(gòu)性能。目前，懸浮式材料的應(yīng)用價(jià)值較高，其密實(shí)度較好，成本也比較低，但是性能比較差，無法應(yīng)用到高速公路等項(xiàng)目中。經(jīng)過分析，選擇應(yīng)用密實(shí)型材料，如水泥穩(wěn)定材料，結(jié)構(gòu)性能符合要求。

（2）水泥穩(wěn)定粒料在投入使用后，加強(qiáng)粒徑的控制，粗集料壓碎值在26以上，水泥初凝時(shí)間超過3h，終凝時(shí)間在3～10h以內(nèi)，結(jié)構(gòu)性能合格。

（3）在底基層結(jié)構(gòu)應(yīng)用中，要保證和基層結(jié)構(gòu)相同性能，所以應(yīng)該加大質(zhì)量控制力度，并且由專業(yè)的廠家生產(chǎn)。例如，在粉煤灰土質(zhì)生產(chǎn)中，為了降低項(xiàng)目成本，可以采用二灰或者二灰砂材料，提高結(jié)構(gòu)的性能和質(zhì)量。

2.2.3 基層厚度

設(shè)計(jì)基層厚度時(shí)，設(shè)計(jì)人員對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的交通運(yùn)輸情況做出預(yù)判，以合理確定厚度參數(shù)。主要從設(shè)計(jì)基層、底基層厚度出發(fā)進(jìn)行分析?；鶎拥氖┕げ牧鲜撬喾€(wěn)定粒料，結(jié)構(gòu)抗沖刷能力強(qiáng)，厚度參數(shù)不會(huì)對(duì)基層造成過大的影響。底基層結(jié)構(gòu)非常重要，應(yīng)用細(xì)粒土，抗沖刷能力不足。如果基層厚度較小，在降雨時(shí)，表面水分會(huì)進(jìn)入基層結(jié)構(gòu)，使底基層性能快速降低，進(jìn)而導(dǎo)致唧泥的情況?；诖?，在基層厚度設(shè)計(jì)中，要從抗沖刷的角度出發(fā)，確定合適的厚度，從而提高結(jié)構(gòu)的性能標(biāo)準(zhǔn)。通過對(duì)以往工程經(jīng)驗(yàn)分析發(fā)現(xiàn)，基層與路面面層厚度達(dá)到27～30cm時(shí)，底基層具備較高的穩(wěn)定性，抗沖刷能力比較強(qiáng)。從該項(xiàng)目的實(shí)際情況出發(fā)，設(shè)計(jì)基層、底基層厚度均為20cm[2]。

2.3 面層設(shè)計(jì)

2.3.1 面層結(jié)構(gòu)

面層結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)水平關(guān)系到公路通行的質(zhì)量、舒適度以及安全性，因?yàn)槊鎸咏Y(jié)構(gòu)是直接接觸車輛的部分。

（1）從該項(xiàng)目實(shí)際出發(fā)，選擇設(shè)計(jì)瀝青面層的結(jié)構(gòu)形式。在面層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，主要采用2層瀝青面層和3層瀝青面層的結(jié)構(gòu)形式，每層的性能有一定的差異，主要的設(shè)計(jì)目標(biāo)是提升結(jié)構(gòu)的性能。綜合考慮工程的實(shí)際情況，面層采用3層結(jié)構(gòu)形式。

（2）表面層應(yīng)布置在路面最頂部的位置上，直接和車輛接觸。因此，設(shè)計(jì)表面層要達(dá)到結(jié)構(gòu)抗滑力、平整度的要求，達(dá)到結(jié)構(gòu)安全性標(biāo)準(zhǔn)，降低車輛通行噪聲，減少環(huán)境污染的問題。此外，表面層長(zhǎng)期受到外部自然環(huán)境的侵蝕，尤其是雨水沖刷、溫度變化、凍脹反應(yīng)，所以結(jié)構(gòu)必須達(dá)到抗?jié)B、抗變形效果，提高公路通行的安全性。

（3）中面層是極為重要的結(jié)構(gòu)，處于面層的下部，雖然不直接和車輛輪胎接觸，但是也要受到車輛荷載的持續(xù)性作用，受剪應(yīng)力的持續(xù)性作用引發(fā)結(jié)構(gòu)損壞。所以設(shè)計(jì)中面層必須具備較高的剪切能力，提高結(jié)構(gòu)的抗剪性能。如果設(shè)計(jì)方案選取的結(jié)構(gòu)形式抗剪性能不合格，在公路工程投入使用后，路面結(jié)構(gòu)不能滿足承載剪切性能的要求，出現(xiàn)結(jié)構(gòu)損壞的問題，容易導(dǎo)致車轍、坑槽等病害問題。

（4）底面層主要設(shè)置在基層的上部，是整個(gè)路面結(jié)構(gòu)的最下部，和基層直接接觸。該項(xiàng)目選用半剛性基層，所以在傳輸?shù)沫h(huán)節(jié)，拉應(yīng)力比較小，通常不會(huì)出現(xiàn)底部結(jié)構(gòu)損壞的問題。因此，設(shè)計(jì)底面層要確?？辜粜Ч弦螅乐雇獠康目辜粜阅軐?duì)結(jié)構(gòu)造成嚴(yán)重的影響。確保底面層有較高的防水性能，即使在高溫季節(jié)依然能夠保持結(jié)構(gòu)完整。如果受到降雨的影響，底面層內(nèi)部存在較多的積水，性能也會(huì)降低，雨水沖刷導(dǎo)致嚴(yán)重的剝落、松散等問題，最終將損壞反饋到表面層，損壞問題日益嚴(yán)重[3]。

2.3.2 面層材料

（1）表面層。為了使整個(gè)表面層的性能合格，設(shè)計(jì)的效果符合標(biāo)準(zhǔn)，在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中可以使用性能優(yōu)越的瀝青材料，主要是強(qiáng)度、磨碎值、磨耗值符合要求，且應(yīng)用形狀合格的碎石材料，并加強(qiáng)瀝青混合料的級(jí)配控制。根據(jù)目前國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的要求，在瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，加強(qiáng)路表完成值的控制，達(dá)到結(jié)構(gòu)整體性標(biāo)準(zhǔn)，綜合性能合格，并根據(jù)要求計(jì)算分析彎拉應(yīng)力參數(shù)。結(jié)合該項(xiàng)目要求，綜合分析確定，計(jì)算后得出土基回彈模量為80MPa。材料設(shè)計(jì)參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)見表1。

表1 材料設(shè)計(jì)參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)

（2）中面層。該層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)極為重要，保證混合料的性能達(dá)到要求，抗剪切性能合格，并且達(dá)到高溫穩(wěn)定性的標(biāo)準(zhǔn)，符合我國(guó)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范性要求。經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)分析確定，在混合料設(shè)計(jì)中，碎石的級(jí)配和含量符合要求，孔隙率符合要求，達(dá)到不透水的效果，具備較高的高溫穩(wěn)定性、抗剪性能，在投入使用后達(dá)到最佳狀態(tài)。

（3）底面層。當(dāng)前很多的高速公路項(xiàng)目在設(shè)計(jì)中，底面層會(huì)選擇應(yīng)用瀝青碎石材料。通過深入的研究分析發(fā)現(xiàn)，該結(jié)構(gòu)形式容易出現(xiàn)問題，尤其是在基層發(fā)生開裂后，整個(gè)結(jié)構(gòu)都會(huì)受到裂縫影響，并且無法預(yù)防處理。因此，在該高速公路項(xiàng)目的設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)人員考慮到實(shí)際情況，確定瀝青路面底面層的施工材料為密實(shí)度較高的瀝青混凝土碎石材料，并且底面層混合料的瀝青含量有所提升，通常超出表面層0.2%～0.3%左右，以更好地提升底面層的抗荷載、抗剪性能，具備較高的防水效果，滿足結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的要求。

2.3.3 面層厚度

首先，對(duì)半剛性基層的性能和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)效果分析發(fā)現(xiàn)，在路面半剛性基層的設(shè)計(jì)中，要綜合分析其承載性能參數(shù)，性能和質(zhì)量完全符合標(biāo)準(zhǔn)，預(yù)防結(jié)構(gòu)性能不合格的情況。通過對(duì)公路交通的通行效果分析，掌握路面的承載性能，防止投入使用后受到影響。其次，路面層在投入使用后，裂縫病害問題比較常見。很多病害問題都無法從根本上避免，造成嚴(yán)重影響。裂縫問題主要是因?yàn)楸砻媸艿綔囟茸兓挠绊?，結(jié)構(gòu)性能損失比較嚴(yán)重，與面層厚度無直接關(guān)系。最后，瀝青路面的各個(gè)結(jié)構(gòu)性能都會(huì)對(duì)整體的通行效果帶來影響，也關(guān)系到項(xiàng)目的成本、施工工藝、質(zhì)量等因素?；谏鲜龈鱾€(gè)方面，在該高速公路項(xiàng)目的施工中，將表面層、中面層、底面層厚度分別設(shè)計(jì)為4cm、5cm、6cm[4]。

2.4 設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

2.4.1 抗滑性能

在該高速公路項(xiàng)目的設(shè)計(jì)中，路面結(jié)構(gòu)的抗滑性能設(shè)計(jì)極為重要。如果抗滑性能比較差，投入使用后容易發(fā)生打滑，導(dǎo)致交通事故。抗滑性能的直接影響因素是摩擦系數(shù)，如果摩擦系數(shù)減小，必然造成抗滑性能較差，威脅公路通行的總體質(zhì)量。車輛在路面上行駛時(shí)，遇到緊急事件，抗滑性能不足的路面，剎車長(zhǎng)度會(huì)比較長(zhǎng)，容易發(fā)生安全事故問題，危害性較為嚴(yán)重。但是不能一味地增加抗滑性能，否則會(huì)出現(xiàn)路面摩擦系數(shù)過大的情況，對(duì)于車輛造成較大的損耗，油耗也會(huì)升高，危害生態(tài)環(huán)境，導(dǎo)致嚴(yán)重的車輛損壞。因此，加強(qiáng)高速公路的抗滑性能設(shè)計(jì)，使其處于合理的范圍內(nèi)，預(yù)防事故問題，促進(jìn)公路交通通行效果和質(zhì)量的提升。

2.4.2 平整度

（1）對(duì)于高速公路來說，路面平整度是關(guān)鍵性參數(shù)，也是影響整體通行效果的重要性能指標(biāo)之一。平整度直接影響公路的通行效果和質(zhì)量。如果路面平整度不足，車輛進(jìn)入路面行駛，容易產(chǎn)生強(qiáng)烈的顛簸感，駕駛感受比較差，車輛油耗也會(huì)升高，甚至導(dǎo)致車輛損壞而引發(fā)事故。提升路面平整度，改善車輛行駛的感受，降低油耗，提高交通通行水平。因此，加強(qiáng)路面平整度控制，可以全面提高運(yùn)行水平。

（2）在路面設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，要綜合分析平整度影響因素，規(guī)避各種風(fēng)險(xiǎn)，提高路面平整度。首先，加強(qiáng)表面層碎石材料的級(jí)配設(shè)計(jì)，提升基層平整度，以免基層結(jié)構(gòu)受到影響。其次，基層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)符合合理性要求，平整度達(dá)標(biāo)。最后，在設(shè)計(jì)方案中，明確提出平整度的要求，以滿足結(jié)構(gòu)性能的標(biāo)準(zhǔn)[5]。

2.4.3 配合比設(shè)計(jì)

配合比參數(shù)指的是混合料中各種材料的配比，對(duì)于混合料的性能和質(zhì)量產(chǎn)生直接的影響，結(jié)合實(shí)際需要選擇合適的配合比參數(shù)，并加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)施工的管理和控制，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)性能的提升。如果基層結(jié)構(gòu)使用的水泥材料比較少，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度比較差，會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)性能不合格，影響總體結(jié)構(gòu)性能。對(duì)于瀝青混合料的配合比，加強(qiáng)管理和控制，瀝青材料的加入比例合格，油石比符合要求，不會(huì)出現(xiàn)泛油等質(zhì)量問題，還具備較高的抗變形性能，防止在投入使用后發(fā)生車轍病害問題，促進(jìn)結(jié)構(gòu)性能的提高。在現(xiàn)場(chǎng)施工中，落實(shí)瀝青混合料的配合比控制，提高結(jié)構(gòu)的黏結(jié)效果，預(yù)防松散、剝落的問題，不會(huì)造成坑槽病害。通常在施工中，應(yīng)用馬歇爾試驗(yàn)檢測(cè)配合比參數(shù)，以確保結(jié)構(gòu)性能合格。

2.4.4 路面排水設(shè)計(jì)

在路面結(jié)構(gòu)投入使用之后，病害問題的發(fā)生多數(shù)都和水的侵蝕存在直接關(guān)系。水分進(jìn)入結(jié)構(gòu)內(nèi)，造成面層、基層受到?jīng)_刷作用，進(jìn)而引發(fā)嚴(yán)重的病害問題。因此，在高速公路項(xiàng)目的設(shè)計(jì)中，要做好排水設(shè)計(jì)，設(shè)置排水層的結(jié)構(gòu)，選擇應(yīng)用透水性的材料，及時(shí)將內(nèi)部水分排出，以達(dá)到結(jié)構(gòu)性能的標(biāo)準(zhǔn)要求，保證結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

3 結(jié)語

對(duì)于高速公路來說，路面結(jié)構(gòu)的性能關(guān)系到整個(gè)高速公路的通行效果，也會(huì)影響公路交通通行的安全性和穩(wěn)定性，所以必須加強(qiáng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，從而形成完整的路面結(jié)構(gòu)，綜合性能合格。因此，在高速公路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)人員綜合分析多方面因素，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)、氣候條件、交通狀況分析，選擇最佳路面結(jié)構(gòu)，以確保結(jié)構(gòu)性能合格，提高公路交通通行水平，促進(jìn)交通事業(yè)的發(fā)展。