高速公路路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

孟金磊

（中交遠(yuǎn)洲交通科技集團(tuán)有限公司，河北石家莊 050000）

1 工程概況

我國某市擬修建一段高速公路，設(shè)計(jì)行車速度100km/h，該公路位于城市邊緣地帶，周圍地形條件復(fù)雜，為保證公路施工后的行車安全，要求做好該公路路面結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，提升路面的使用性能，延長公路的使用壽命，本文基于此進(jìn)行分析。

2 公路路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 墊層設(shè)計(jì)

（1）路面結(jié)構(gòu)中主要分為墊層、基層與面層，其中墊層主要位于路面與路基，屬于路面結(jié)構(gòu)的一種，通過設(shè)置墊層可以避免路面積水滲透至路基結(jié)構(gòu)中，也能避免地下水反浸入路面結(jié)構(gòu)層，從而實(shí)現(xiàn)隔水的作用。同時(shí)，墊層還具有隔溫的作用，避免路基因遭受冷空氣影響而發(fā)生凍脹，本工程墊層的設(shè)計(jì)并非貫穿于全線公路結(jié)構(gòu)，主要設(shè)置于部分地基土質(zhì)較差的位置，以提升公路的整體性能。

（2）路面墊層采用的材料從工程場地選取即可，可以使用的材料包括水泥、石灰、煤渣等，當(dāng)采用松散透水的材料作為路面墊層時(shí)，需在墊層上方設(shè)置反濾層，以提升墊層的性能，避免其結(jié)構(gòu)內(nèi)部遭受破壞，墊層的設(shè)計(jì)厚度根據(jù)公路的實(shí)際情況綜合確定，本工程墊層的實(shí)際厚度在10～15cm[1]。

2.2 基層設(shè)計(jì)

2.2.1 基層結(jié)構(gòu)

基層作為路面的承重層，用于提供路面所需的全部承載力，根據(jù)我國現(xiàn)行的路面設(shè)計(jì)規(guī)范可得，路面的承載力利用軸重100kN路面的彎沉值表示，如路面承載力不足，則路面彎沉值會(huì)過大，從而導(dǎo)致基層底部的拉應(yīng)力超過容許值，并將因拉應(yīng)力引起的破壞向上延伸，直至整個(gè)路面結(jié)構(gòu)遭受破壞，面層表面出現(xiàn)嚴(yán)重的裂縫、變形。

因此，本工程路面基層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)采用半剛性基層，半剛性基層分為基層與底基層兩部分，其中基層為主要承重層，底基層作為輔助承重層，利用兩者的相互銜接提供路面所需的全部承載力。

2.2.2 基層材料

（1）基層設(shè)計(jì)為半剛性基層結(jié)構(gòu)，選用的基層材料應(yīng)具有收縮性小、抗沖刷能力強(qiáng)的特點(diǎn)，目前常用的基層材料包括水泥粒料、石灰粉煤灰粒料，材料的配比形式分為密實(shí)性和懸浮式兩種。其中，懸浮式配比形式與密實(shí)性相比，雖然成本較低，但性能差距較大，不適用于高等級(jí)公路。因此，本工程設(shè)計(jì)基層材料選用水泥穩(wěn)定粒料，材料配比形式設(shè)計(jì)為密實(shí)性[2]。

（2）選用水泥穩(wěn)定粒料作為基層材料時(shí)，其性能及粒徑大小應(yīng)滿足《公路路面基層施工技術(shù)細(xì)則》（JTG/T F20—2015）規(guī)范的要求，其中穩(wěn)定粒料中的粗集料其壓碎值應(yīng)不小于26，水泥材料的初凝時(shí)間應(yīng)大于3h，終凝時(shí)間應(yīng)大于6h且小于10h。

（3）底基層作為半剛性基層的底層，主要作用與基層不一致，因此，對底基層材料的要求沒有那么嚴(yán)格，底基層的材料選用穩(wěn)定的細(xì)粒土即可。如施工場地內(nèi)存在粉煤灰土質(zhì)的區(qū)域，則為節(jié)約施工成本，底基層可選用二灰土或二灰砂材料。

2.2.3 基層厚度

基層厚度的設(shè)計(jì)主要分為底基層厚度與基層厚度兩部分。其中基層采用的材料為水泥穩(wěn)定粒料，材料本身的抗沖刷能力較強(qiáng)，其厚度對基層本身性能影響不大，但底基層位于基層下方，其采用的材料為細(xì)粒土，此類材料的抗沖刷能力較差。當(dāng)設(shè)置的基層厚度較薄時(shí)，路面積水經(jīng)行車荷載沖刷至基層后，會(huì)很快透過基層而對底基層造成直接影響，進(jìn)而導(dǎo)致路面出現(xiàn)唧泥的問題。

因此，本工程基層厚度的設(shè)計(jì)主要是避免積水對底基層材料的沖刷影響，根據(jù)多次試驗(yàn)以及國內(nèi)相關(guān)公路的實(shí)例分析得知，當(dāng)基層厚度與路面面層厚度保持在27～30cm時(shí)，已經(jīng)可以避免底基層遭受沖刷問題。為此，本工程采用兩層基層，基層設(shè)計(jì)為每層20cm，底基層厚度與基層一致設(shè)計(jì)為20cm[3]。

2.3 面層設(shè)計(jì)

2.3.1 面層結(jié)構(gòu)

（1）基層設(shè)計(jì)完成后開始路面面層的設(shè)計(jì)工作，本公路面層設(shè)計(jì)為瀝青面層結(jié)構(gòu)。在瀝青面層設(shè)計(jì)中，我國多采用2 種形式，分別為2 層瀝青面層與3 層瀝青面層，其中2 層瀝青面層分為底面層與表面層，3 層的瀝青面層分為底面層、中面層和表面層，各面層的性能均不相同，但其主要作用均是保證路面的使用性能，本工程路面面層設(shè)計(jì)為3層結(jié)構(gòu)。

（2）表面層主要位于路面的最頂層，與行駛的車輛直接接觸。因此，表面層結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中，應(yīng)使其具有一定的抗滑能力、平整度，以保證行車安全，同時(shí)還可以減少因行車而產(chǎn)生的噪聲，避免對周圍的居民產(chǎn)生噪聲污染。此外，表面層會(huì)直接遭受自然環(huán)境的侵蝕，如雨水的沖刷，溫度變化而發(fā)生的形變等，因此，表面層結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)還應(yīng)具有一定的抗?jié)B性能、抗變形能力[4]。

（3）中面層位于路面面層下方，其不與行駛車輛直接接觸，但要承受表面層因行車荷載而傳遞下來的剪應(yīng)力。因此，在中面層的設(shè)計(jì)中應(yīng)通過合理的設(shè)計(jì)保證中面層的抗剪切變形能力，提升中面層的抗剪強(qiáng)度。若設(shè)計(jì)工作中其抗剪切能力不足，公路施工完成且投入使用后，路面將無法承受行車荷載而產(chǎn)生的剪應(yīng)力，從而導(dǎo)致剪應(yīng)力容易破壞路面內(nèi)部結(jié)構(gòu)，最終導(dǎo)致路面表層出現(xiàn)嚴(yán)重的車轍、坑槽等問題。

（4）在路面結(jié)構(gòu)中底面層位于基層上方，即面層的最下方，其與基層直接接觸，但由于本工程基層設(shè)計(jì)為半剛性基層結(jié)構(gòu)，基層傳遞至面層的拉應(yīng)力值較小，一般難以直接對底面層結(jié)構(gòu)造成破壞。

因此，在底面層的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中主要是保證其抗剪切能力，避免面層上方傳遞的剪切力對底面層結(jié)構(gòu)造成破壞。此外，還要做好底面層的防水設(shè)計(jì)，避免在高溫季節(jié)，自由水侵入面層后長期滯留于底面層，從而導(dǎo)致低面層材料被沖刷，產(chǎn)生剝落、松散的問題并進(jìn)一步反饋至表面層，形成嚴(yán)重的危害[5]。

2.3.2 面層材料

（1）表面層：為滿足表面層設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的性能要求，表面層材料應(yīng)使用優(yōu)質(zhì)的瀝青材料，具有高強(qiáng)度、抗壓碎值、高磨光值、高磨耗值且顆粒含量小的立方體碎石材料，同時(shí)還要嚴(yán)格控制瀝青的級(jí)配。目前，表面層中常用的瀝青級(jí)配分為半開級(jí)配瀝青混合料與密實(shí)型瀝青級(jí)配混合料，其中半開級(jí)配瀝青混合料適用于溫度較低的寒冷地區(qū)，在溫度較高的區(qū)域使用會(huì)導(dǎo)致自由水長期存在于路面的表面層空隙中，長時(shí)間侵蝕下會(huì)發(fā)生瀝青剝落、松散等問題，而密實(shí)性瀝青混合料級(jí)配的熱穩(wěn)定性及抗?jié)B性能均要優(yōu)于半開級(jí)配。因此，本工程路面表面層的瀝青混合料設(shè)計(jì)采用密級(jí)配瀝青混合料。

（2）中面層：路面中面層混合料的設(shè)計(jì)，應(yīng)保證中面層的抗剪切能力，同時(shí)還應(yīng)考慮瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性，根據(jù)《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F40-2004）規(guī)范得知，通過調(diào)整中面層混合料碎石級(jí)配和含量，便可以增加中面層的高溫穩(wěn)定性及抗剪切能力。因此，中面層能材料設(shè)計(jì)時(shí)可以適當(dāng)調(diào)整碎石的級(jí)配和含量，以減少瀝青混合料的孔隙率與不透水性，提升其高溫穩(wěn)定性和抗剪切能力[6]。

（3）底面層：目前在我國公路瀝青路面底面層材料的設(shè)計(jì)中，多采用瀝青碎石材料，但經(jīng)科學(xué)研究調(diào)查表明，采用瀝青碎石作為底面層，當(dāng)基層出現(xiàn)開裂問題后，裂縫會(huì)從瀝青路面的表面層開始產(chǎn)生，瀝青碎石基層根本起不到預(yù)防作用。因此，本工程瀝青路面底面層以設(shè)計(jì)為密實(shí)性的瀝青混凝土材料，且底面層混合料的瀝青含量可以更高，宜比表面層最佳瀝青含量高出0.2%～0.3%，以增加底面層的抗荷載疲勞性能、抗剪切能力以及防水性能。

2.3.3 面層厚度

首先，根據(jù)對公路路面采用的半剛性基層設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的調(diào)查結(jié)果得知，路面半剛性基層完全可以滿足路面車輛行駛所需的承載能力，路面面層的厚度對路面承載力不會(huì)造成任何影響；

其次，路面面層使用過程中出現(xiàn)的裂縫病害，大多屬于溫度裂縫，此類裂縫的產(chǎn)生是因?yàn)楸砻鎸訛r青遭受溫度的變化而發(fā)生形變，其病害程度與使用的瀝青質(zhì)量相關(guān)，與面層厚度并無直接關(guān)聯(lián)；

最后，瀝青各面層的性能均與采用的材料質(zhì)量息息相關(guān)，與面層厚度關(guān)系不大。因此，本公路路面面層厚度的設(shè)計(jì)不會(huì)直接對路面的使用性能造成影響，基于對施工成本、面層的施工工藝以車輛行駛面層的磨損考慮，本工程路面表面層厚度設(shè)計(jì)為4mm，中面層厚度設(shè)計(jì)為5mm，底面層厚度設(shè)計(jì)為6mm[7]。

2.4 設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

2.4.1 注意抗滑性能

在本工程路面設(shè)計(jì)工作中，設(shè)計(jì)人員應(yīng)注意路面表面層的抗滑性能。抗滑性能的強(qiáng)弱主要與表面層的摩擦系數(shù)相關(guān)，如設(shè)計(jì)后路面的抗滑性能低，則路面的摩擦系數(shù)就會(huì)偏小。當(dāng)車輛在路面行駛時(shí)，若遭遇緊急情況就會(huì)導(dǎo)致剎車距離過長，一旦控制不到位就容易發(fā)生安全事故。如果設(shè)計(jì)后路面的抗滑性能過高，則路面的摩擦系數(shù)就會(huì)偏大，當(dāng)車輛行駛時(shí)會(huì)對車的輪胎及路面造成極大的磨耗，既影響車的性能，又影響路面的性能。因此，路面表面層的抗滑性能十分重要，設(shè)計(jì)過程中可通過控制碎石材料的紋理深度，即碎石的磨光值以及面層的構(gòu)造深度進(jìn)行控制。

2.4.2 注意平整度

（1）路面平整度是公路的關(guān)鍵使用性能指標(biāo)之一，平整度的好壞會(huì)決定人們的行車體驗(yàn)以及安全，如設(shè)計(jì)的路面平整度差，則車輛行駛中的顛簸感越強(qiáng)，駕駛?cè)藛T的體驗(yàn)感就越差，同時(shí)車輛的油耗也會(huì)越高。而路面越平整，則行車體驗(yàn)就越好，油耗也就越低，同時(shí)路面養(yǎng)護(hù)工作也就越少。因此，本工程路面設(shè)計(jì)中應(yīng)注意對平整度的控制。

（2）路面設(shè)計(jì)中可能會(huì)影響平整度的因素有很多。首先，針對路面的表面層，若采用的碎石材料級(jí)配不合理，則大粒徑的碎石會(huì)凸出，從而導(dǎo)致路面不平整；其次，路面設(shè)計(jì)中如基層設(shè)計(jì)不合理，則基層的平整度會(huì)遭受影響，從而進(jìn)一步反應(yīng)至表面層，導(dǎo)致表面層的平整度遭受影響；最后，如設(shè)計(jì)中對平整度的要求不合理，導(dǎo)致施工后雖然滿足設(shè)計(jì)要求，但仍不平整，也會(huì)導(dǎo)致路面不平整。

2.4.3 注意配合比設(shè)計(jì)

本工程路面設(shè)計(jì)中要注意對材料配合比的設(shè)計(jì)，其中針對基層材料的配合比，要注意做好水泥的用量控制，避免因水泥材料的用量過少而導(dǎo)致基層的強(qiáng)度不足，難以滿足承載力的要求，或因水泥材料用量過大，導(dǎo)致混合料的其他性能遭受影響，對基層材料的配比可每間隔0.5%含量進(jìn)行一次試驗(yàn)分析，從而確定最佳水泥含量；

針對密級(jí)配瀝青混合料的配合比，要注意控制在瀝青材料的用量，如采用的瀝青含量或設(shè)計(jì)的油石比過大，則會(huì)發(fā)生泛油問題，并降低瀝青混合料的抗變形能力，從而導(dǎo)致路面出現(xiàn)車轍病害，如采用的瀝青含量或油石比過小，則會(huì)導(dǎo)致混合料的黏結(jié)性差，容易發(fā)生松散形成坑槽，對瀝青含量的控制可以采用馬歇爾試驗(yàn)進(jìn)行確定[8]。

2.4.4 注意路面排水設(shè)計(jì)

路面使用過程中發(fā)生的很多病害均與水的侵蝕有關(guān)，因?yàn)樽杂墒降那治g會(huì)導(dǎo)致路面面層、基層內(nèi)部材料遭受沖刷，從而發(fā)生各種病害。因此，在本工程路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)注意做好路面的排水設(shè)計(jì)，在結(jié)構(gòu)內(nèi)部合理設(shè)計(jì)排水層，同時(shí)可采用適量的透水材料，以及時(shí)將結(jié)構(gòu)內(nèi)部的水分排出，保證路面的使用性能。

3 結(jié)語

路面結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計(jì)對保證公路的使用性能具有重要意義，合理的路面結(jié)構(gòu)不僅可以降低施工成本，提高經(jīng)濟(jì)效益，還可以有效地改善人們的行車體驗(yàn)，延長公路的使用壽命。因此，在高速公路路面結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)過程中，設(shè)計(jì)人員應(yīng)綜合考慮各種因素，密切結(jié)合當(dāng)?shù)氐牡刭|(zhì)條件、交通量及氣候變化等情況，選擇適合當(dāng)?shù)厥褂玫墓仿访娼Y(jié)構(gòu)，從而保證公路的綜合性能。