關於瀝青路面結構設計管理論文
關鍵詞：半剛性基層瀝青路面結構設計
1、概述
我國90%以上的高等級公路瀝青路面基層和底基層採用半剛性材料。半剛性基層瀝青路面已經成為我國高等級公路瀝青路面的主要結構型別。
在七·五期間，國家組織開展了“高等級公路半剛性基層、重交通道路瀝青面層和抗滑表層的研究”的研究工作，對瀝青混合料的高溫穩定性、低溫抗裂性，瀝青面層的開裂機理、車轍和疲勞、抗滑表層設計和應用、半剛性基層材料的強度特性和收縮特性，組成設計要求等進行了深入的研究工作，提出了較為完整的研究報告，為高等級公路半剛性基層瀝青路面的設計和施工提供了理論依據和技術保證。
由於現行的《柔性路面設計規範》頒佈於1986年，隨著國家對交通運輸業的日益重視和人們築路經驗的不斷提高，一致認為1986年版的《柔性路面設計規範》已不能滿足高等級公路半剛性基層瀝青路面的需要。由於對半剛性基層認識不足，使得設計結果具有一定的盲目性，設計結果要麼過分保守，要麼因路面結構設計不當而產生早期破壞，造成很大的經濟損失。因此，如何利用七·五國家攻關專案取得的成果，結合近十年來半剛性基層瀝青路面的設計和施工經驗，根據實際使用效果，提出適合本地區特點的路面結構，對路面結構設計方法的更新和路面實際使用效果的改善具有重要的意義。根據江蘇、安徽、浙江高等級公路的實際，江蘇在鎮江、無錫、蘇州、徐州、連雲港共計4線10段進行調查，安徽在合肥、馬鞍山、淮南三市調查了3線8段，浙江在嘉興和杭州調查了2線5段共計9線23段。調查的路面結構具有一定的典型性。
2、國內外研究概況
2.1國外國道主幹線基層的結構特點
國外國道主幹線基層結構有以下特點：
(1)多數採用結合料穩定的粒料(包括各種細粒土和中粒土)及穩定細粒土(如水泥土、石灰土等)只能用作底基層，有的國家只用作路基改善層。法國和西班牙在重交通的高速公路上，要求路面底基層也用結合料處治材料。
(2)使用最廣泛的結合料是水泥和瀝青，石灰使用得較少。此外，還使用當地的低活性慢凝材料和工業廢渣，如粉煤灰、粒狀礦渣等。
(3)有的國家用瀝青穩定碎石做基層的上層，而且用瀝青做結合料的結構層的總厚度(面層+基層的上層)常大於20cm。
經過幾十年的總結，國外在半剛性基層瀝青路面結構組合上雖有所改進，但半剛性材料仍是常採用的基層和底基層材料。
2.2國外典型結構示例
國外瀝青路面結構設計方法經過幾十年的完善，已經提出了比較成熟的設計方法，並且許多國家提出了典型結構設計方法，表1給出了法國典型結構一個範例。
表1
土的等級
交通等級
PF1
PF2
PF3
To(750-2000)
7BB+7BB+25GC+25GC
7BB+7BB+25GC+20GC
7BB+7BB+25GC+25GC
T1(300-750)
8BB+25GC+25GC
8BB+25GC+20GC
8BB+20GC+20GC
T2(150-300)
6BB+25GC+22GC
6BB+22GC+20GC
6BB+20GC+18GC
T3(50-150)
6BB+22GC+20GC
6BB+18GC+18GC
6BB+15GC+15GC
注：(1)交通等級欄下括號內的數值指一個車道上的日交通量，以載重5t以上的車計；
(2)PF1，PF2和PF3指土的種類和土基的潮溼狀態，PF1相當於一般的土基；
(3)BB指瀝青混凝土，GC指水泥粒料；
(4)表中數字單位為cm。
一些國家在高等級公路上實際採用過的半剛性基層瀝青路面結構見表2。
一些國家在高等級公路上實際採用過的半剛性基層瀝青結構表表2
國家
瀝青層厚度(cm)
半剛性材料層厚度(cm)
備註
日本
20～30
水泥碎石，30～20
荷蘭
20～26
水泥碎石，40～15
西德
30
貧混凝土，15
另有防凍層
英國
9.5～16.9
貧混凝土，15另
有底基層
瑞典
12.5
水泥粒料
南非
17.5
水泥砂礫，30
西班牙
8
水泥粒料
當前的規定
2.3其它高速公路路面結構〓〓〓〓〓
瀝青路面典型結構設計〓〓〓〓〓”3
道路名稱
長度
(km)
路面結構
面層(cm)
基層(cm)
底基層(cm)
廣佛路
15.7
4中粒式
5細粒式
25水泥碎石或
31水泥石屑
25-28水泥土
沈大路
375
4中粒式
5細粒式
6瀝青碎石
25水泥碎石
京津塘
142.5
5中粒式
6細粒式
12瀝青碎石
25水泥碎石
30石灰土
京石
14
4中粒式
8瀝青碎石
15二灰碎石
40石灰土
濟青路
15-18開級配中粒式
38-40二灰碎石
42石灰土
正在建設的滬寧高速公路路面結構如表4。
表4
標段
結構
層
A1
B4
B5
B7
C1
C4
C5
C2
D1
D6
D7
D9
E1
E5
F1
F6
F7
G1
G2
G4
G5
G6
面層
16
AC
16
AC
16
AC
16
AC
16
AC
16
AC
16
AC
16
AC
16
AC
16
AC
16
AC
基層
30
LFA
30
LFA
25
LFA
25
LFA
40
LFA
38
LFA
30
LFA
20
LFA
18
LFA
20
LFA
20
LFA
底基層
30
LF
30
LFS
33
LS
33
LFS
18
LF
20
LFS
33
LFS
40
LFS
36
FS
40
LFS
40
LFD
注：AC-瀝青面層(4cm中粒式，6cm粗粒式，6cm中粒式)；
LFA-二灰碎石，LF-二灰，LS-石灰土；
LFS-二灰土，LFD-二灰砂。
國內七·五期間修築的主要幾條試驗路的結構、實體工程及正在建設的一些高等級公路的結構表明，半剛性基層是瀝青路面最主要的結構型別，同時，不同設計人員所提出的結構組合相差較大，甚至，對同一條路，不同設計單位設計的路面結構相差也很大。因此，根據設計與施工經驗提出的適應不同地區的典型結構具有一定的理論意義和實踐意義。
3、路面結構調查
典型結構調查要求選擇的路線及路段具有典型性，公路等級要求是二級或二級以上的半剛性基層瀝青路面，施工質量達到一定的水平，或者由專業隊伍承擔施工任務。施工質量檢查比較嚴格，如有相應的試驗路段，儘可能根據當時試驗目的及原始測試資料進行跟蹤調查。パ≡竦牡韃槁範問褂媚晗抻Υ鐧餃年以上，並有一定的交通量。路段應包括不同的路基結構(即填控情況)不同的地帶型別，不同的路面結構(含不同材料和不同厚度)，不同的使用狀態(如完好，臨界和破壞)和不同的交通量。被選擇的路段的基層結構應符合《公路路面基層施工技術規範》的規定，即不是用穩定細粒土或懸浮式石灰土粒料做的基層。路段長度在100～500m之間。為此，浙江、江蘇和安徽分別選擇320國道嘉興段，104國道蕭山段，206國道淮南段，205國道馬鞍山段，合蚌路，312國道鎮江、無錫、蘇州段，310國道新墟段、徐豐線進行全面的調查和測試。
根據選擇路段的基本情況，本次典型結構調查路段選擇具有以下特點：
(1)反映了不同地區，不同的道路修建水平；
(2)反映了不同地區，不同的路面結構組合型別；
(3)包括了表處，貫入式等一般二級公路採用的結構，也包括了高速公路採用的結構；(4)包括中間夾有級配碎石連結層的路面結構；
(5)反映了經濟和地區水平的差異；
(6)包括了不同地區主要使用的半剛性基層材料。
3.1路段測試內容及測試方法
本次路況測試主要包括：外觀、平整度、車轍、彎沉、摩擦係數及構造深度。外觀測試是裂縫、鬆散、變形等破壞的定量描述；彎沉由標準黃河車(後軸重10t)及5.4m(或3.6m)彎沉儀測試；摩擦係數由擺式摩擦係數測定儀測試；構造深度由25ml標準砂(粒徑0.15～0.3mm)攤鋪得；平整度為3m直尺每100m路段連續測10尺所得統計結果；車轍是3m直尺在輪跡帶上所測沉陷深度。
3.2資料採集方法
(1)合理性檢驗。由於實測資料存在偶然誤差，因此，在進行誤差分析之前，須去除觀測資料中那些不合理的資料，代之以較合理的資料，進行合理性檢驗。
實際工作中常用3σ原則和戈氏準則，3σ原則較近似，戈氏準則較合理。
(2)代表值的確定。代表值是在最不利情況下可能取得的值：
97.7%的保證率，α取2.0；95%的保證率，α取1.645。
在後面計算中，代表值確定如下：彎沉取；平整度、車轍為；摩擦係數、構造深度為X=-1645S。
3.3路面使用品質分析
3.3.1平整度
根據公路養護技術規範，不的道路等級對平整度有不同的要求。但本次調查結果表明：各路段的平整度與結構層組合與施工組織狀況有關。由於選擇路段路面結構使用了瀝青貫入式，瀝青貫入式是一種多孔隙結構，整體性較差，在行車荷載的重複作用下被再壓實，導致縱向出現不平整現象。同時施工時各層縱向平整度的嚴格控制對路面表面平整度控制有十分重要的意義。
3.3.2車轍
瀝青路面車轍是高等級公路重要病害之一。國外設計方法中AⅠ法以控制土基頂面壓應變為指標，shell設計方法則透過分層總和法直接從瀝青面層厚度及面層材料諸方面控制車轍。我國還沒有采用車轍指標，作為設計控制值，而是透過材料動穩定度或其它指標達到減少車轍的目的。對半剛性基層瀝青路面，由於土基頂面壓應力較小，在重複荷載作用下土基產生的再壓實的剪下流動引起的。在調查路段，瀝青貫入式結構由於其級配較差，在重複荷載作用下極易產生剪下流動和再壓實，同時其高溫穩定性較差，調查路段車轍量較大。
3.3.3抗滑能力
瀝青路面抗滑效能評價方法主要是測定面層的摩擦係數和紋理(構造)深度。瀝青面層紋理深度與礦料的抗磨能力(磨光值指標)和瀝青混合料高溫時的內摩阻力和粘聚力有關。紋理深度達到要求必須合理選定礦料級配、瀝青材料滿足高等級道路石油瀝青技術標準。
調查路段面層礦質材料為石灰岩，磨光值只有37左右，達不到高等級公路和大於42的要求。面層磨擦係數普遍較小，不滿足抗滑性要求。
3.4路面結構強度分析
調查路段經過兩年的彎沉及交通量實測，結果表明：不同調查路段由於承受的交通量不同，雖然路面結構相同，但強度係數不同。因此，只有根據強度係數才能判別路面結構是否達到使用壽命。同時，有些路段其路面結構組合及厚度明顯不符合設計要求或施工質量較差，因此必須調整設計厚度及結構組合。
3.5滬寧高速公路無錫試驗路綜合調查
滬寧高速公路無錫試驗路段是本次調查唯一針對高速公路特點的路面結構，透過近三年的執行和觀察，對高速公路設計與施工提出了許多有益的結論。
(1)半剛性基層路段彎沉在(2.13～8.25)(1/100mm)範圍，級配碎石段(X、XⅠ)彎沉為0.122mm和0.135mm，但在裂縫邊緣彎沉值明顯大於沒有裂縫處的彎沉，裂縫邊緣彎沉最大達20(1/100mm)。因此，在試驗路段彎沉絕對值能滿足高速公路強度要求，但必須注意裂縫對半剛性路面結構強度影響。
(2)路面平整度基本沒有改變，並能滿足要求。
(3)1994年夏季高溫持續時間長，對瀝青路面高溫穩定性提出了嚴峻的考驗。1994年觀測結果表明，試驗路段車轍較1993年基本沒有變化。
(4)路表面在行車碾壓作用下，行車帶滲水很小或根本不滲水。
(5)從路面構造深度和摩擦係數二方面分析，面層摩擦係數較1993年減少約(9～14)，在1993年新鋪路段，摩擦係數從65.4(LK-15A)，61.9(LH-20Ⅰ’)分別減少到35.4和32.0，減少約30。對同一級配來說，LH-20Ⅰ’玄武岩徑一年行車碾壓後的摩擦係數值比行車碾壓二年後砂岩(LH-20Ⅰ’)的摩擦係數值還要小，說明玄武岩的抗摩擦能力小於砂岩。對LK-15A加鋪層段，LK-15A段的摩擦係數LH-20Ⅰ’加鋪層路段摩擦係數大。
(6)對比英國產摩擦係數儀，英國產摩擦儀測試結果較國產摩擦儀增大範圍是：(16.6～23.65)平均約21.0，其迴歸關係式為
f上=1.13×f東+16.9。
式中：f上為上海測試值；f東為東南大學測試值。
(7)半剛性路面裂縫較為嚴重，經二年執行，裂縫間距寬約為70～90m，窄的約為15～25m。裂縫寬度在1～10mm之間。而在''層的開裂是面層開裂的主要原因。
3.6調查路段綜合結論
(1)本次調查涉及高速公路結構，一級公路、二級公路，因此，調查工作可靠，對提出典型結構具有指導意義。
(2)調查路段路面結構有許多貫入式結構。雖然這種結構整體穩定性不好，但調查結果表明，由半剛性材料引起的反射裂縫也相應減少。
(3)對高速公路路面結構，面層厚度12～16cm，基層底基層厚度50～60cm。
(4)對一級公路路面結構，面層厚度8～12cm，基層底基層總厚度40～55cm1。
(5)對二級公路路面結構，面層厚度6～10cm，基層底基層厚度35～45cm。
4、土基等級劃分
土基是影響瀝青路面結構承載能力、結構層厚度和使用效能的重要因素。土基的強弱直接影響路表彎沉值的大小和瀝青路面使用壽命的長短。路面力學計算結果表明，瀝青路面的回彈彎沉值絕大部分是由土基引起的。合理劃分土基等級，保證土基施工質量對路面彎沉控制有重要的意義。
《柔規》規定土基必須處於中溼狀態以上，Eo的建議值根據土的相對含水量及土質確定。實際上，土基的回彈模量(Eo)值隨土的特性、密實度、含水量、路基所處的乾溼狀態以及加荷方式和受力狀態的變化而變化。土基回彈模量Eo值規定以30徑剛性承載板在不利季節測定、在現場測定。柔性路面設計規範中的Eo建議表，就是根據全國各地舊路上不利季節在路面完好處，分層得出E1，E0，並在土基測點中心鑽孔取土測d、WWP，同時用手鑽在板旁取W校正，得出80cm範圍內的平均值，整理得出EP的建議值。該表採用6g錘的液限值，現改用100g錘測定液限。
如果用相對含水量確定土基的回彈模量，對重型擊實標準，可將原建議值提高30%。如華東地區中溼狀態土基加強彈模量最小值23MPa。則高等級公路路基的回彈模量最小值為23×1.3=30MPa這再一次證明土基回彈模量低限取30MPa是合理的。如果路基回彈模量最小值達不到要求，要求採取某種處治方法進行處治。
第二種確定土基回彈模量的方法是透過壓實度和土的稠度來計算土基的回彈模量。對比土的相對含水量與稠度的關係曲線，當Wc=1.0，0.75和0.50時，相當於地下水對路基溼度影響有關的臨界高度的分界相對含水量W1、W2、W3，即當W璫＜0.5時，相當於過溼狀態，W璫=0.5～0.75時，相當於潮溼狀態，Wc=0.75～1.00時，相當於中溼狀態，Wc＞1.00時，相當於處於乾燥狀態。
土基強度等級劃分結果表明：必須使土基處中溼成乾燥狀態，否則要作適當處理。如果根據CBR確定土基回彈模量，則第三種方法根據室內試驗，用E0=6.4CBR確定土基回彈模量值。
綜上所述，土基強度等級劃分為S1、S2、S3三個等級與各引數間相互關係見
表5
土基強度等級表5
土基強度等級
回彈模量範圍(MPa)
承載比範圍(CBR)
S1
30～45
4.5～7.0
S2
45～65
7.0～10.0
S3
＞65
＞10.0
5、交通量等級的'劃分
影響一條公路的交通量的因素既多又複雜，每個因素的不確定性又較大。因此，不可能較準確地知道公路開放時的平均日交通量，也不可能較可靠地確定交通組成和各自的平均年增長率。其結果是實際交通量與路面結構設計時預估的交通量有很大差異。
5.1高等級公路交通量取值範圍
高等級公路泛指二級汽車專用道以上的公路，二級汽車專用道第一年日平均當量次最小值一般為500，如以8%的增長率增長，15年累計作用次，對於小於該作用次數的公路將不作高等級公路處理。對高速公路而言，通行能力(混合交通)應大於25000輛/日，標準軸次一般為6000～8000輛/日，因而，若以5%的增長率增長，5年最大累計作用次數一般為15～1806次左右。
5.2劃分辦法及具體結果
交通等級劃分將以累計標準軸載作用次數對容許彎沉的均等影響為依據進行劃分。交通量等級劃分結果見表6。
交通等級劃分結果表6
等級
標準
T1
T2
T3
T4
累計標準軸次(次)
第一年日平均當
量軸次(次)
＜500
500～800
800～1200
＞1200
注：第一年日平均當量軸次由標準累計作用次數計算得，設計年限取為15年，增長率取為8%，
且以單車道計。
6、典型結構圖式
6.1典型結構推薦的基本原則
結合結合調查路段的路面結構和實際的使用狀況，以及國內外半剛性基層瀝青路面實體工程設計成果，半剛性基層瀝青路面的承載能力主要依靠半剛性基層。因此承載能力改變時主要透過改變基層的厚度來實現。瀝青面層的厚薄主要考慮道路等級(交通量)的影響，為此，可得出半剛性基層瀝青路面典型結構瀝青面層、基層、底基層厚度改變的基本原則。
(1)瀝青面層總厚度控制在6～16cm。對相同交通等級，不同的路基等級，基層(或底基層)厚度不同，不同的交通等級，相同的土基等級改變瀝青面層的厚度。
(2)基層(或底基層)厚度變化儘可能考慮施工因素，即施工作業次數最小。
(3)不同的交通等級，主要改變基層或底基層的厚度，並且綜合考慮造價因素。
(4)材料選擇應結合華東片區實際，基層採用二灰碎石和水泥穩定粒料，底基層則採用石灰土和二灰土(二灰)
(5)為減少面層開裂，推薦結構提出採用級配碎石過渡層。
6.2半剛性基層瀝青路面典型結構
根據引數分析，推薦的基本原則及國內外路面結構設計原則，對半剛性基層瀝青路面共推薦60種典型結構，供有關單位設計時直接選用，表7是其中之一。
重交通道路瀝青路面典型結構圖表7
交通量
土基強度
等級
T1
T2
T3
T4
S1
8～10AC
20LFGA
30LFS
10～12AC
20LFGA
35LFS
12～14AC
20LFGA
37LFS
14～16AC
20LFGA
40LFS
S2
8～10AC
18LFGA
30LFS
10～12AC
20LFGA
30LFS
12～14AC
20LFGA
32LFS
14～16AC
20LFGA
35LFS
S3
8～10AC
20LFGA
20LFS
10～12AC
18LFGA
30LFS
12～14AC
18LFGA
32LFS
14～16AC
20LFGA
32LFS
ⅲ篈C——瀝青混凝土；LFGA——二灰碎石；LFS——二灰土。
6.3構推薦和驗算的幾點說明
(1)瀝青面層厚度在8～15cm之間，這主要根據調查結果及我國道路建設的現狀和水平。
(2)基層和底基層的厚度充分反映了結構的受力特性和結構層的經濟合理性要求。
(3)推薦的底基層厚度在三種驗算方法計算厚度之間，並反映了當前我國路面結構的現狀和水平。
(4)基層採用二灰碎石或水泥穩定粒料。由材料的變形特性的分析(見第8節)可知，水泥穩定粒料幹縮、溫縮係數均大於二灰碎石，從減少開裂的角度以而言，建議優先選用二灰碎石。
(5)從施工最小工序數，公路投資最小的角度，儘可能透過改變底基層厚度
來滿足結構強度要求。
7、結論
本課題透過對3省9線22段及滬寧高速公路無錫試驗段(11000m)的調查、測試、分析和總結，提出高等級公路半剛性基層瀝青路面典型圖及其它注意事項。
主要結論如下：
(1)詳細、全面地分析了國內外高等級公路瀝青路面採用半剛性材料作基層或底基層的經驗，進一步說明在現階段半剛性基層瀝青路面仍是高等級公路路面的主要結構型別。
(2)調查路段結構及功能狀況表明：瀝青貫入式結構不宜作為高等級公路瀝青路面的某一結構層，但瀝青貫入式結構對減少反射裂縫有益；石灰岩不能用作高等級公路瀝青路面上面層，否則不能保證抗滑要求；必須採用中粒式瀝青混凝土作為瀝青路面上面層，且其孔隙率應在3～6%的範圍之內；裂縫問題是半剛性基層瀝青路面十分重要的問題，它直接影響路面結構強度、使用效能及滲水狀況；級配碎石有利於延緩反射裂縫的產生；南方地區，半剛性基層的收縮與溫縮而形成的反射裂縫是瀝青路面裂縫產生的主要原因。
(3)結合調查結果、室內試驗及理論分析提出了土基模量分級及土基模量的三種確定方法，即野外承載板、CBR及現瀝青路面設計規範取值放大30%。
(4)室內透過CBR試驗及彈性模量試驗，提出了CBR與E0的關係，即E0=6.4CBR
(5)根據調查結果及強度驗算，提出了瀝青路面典型結構圖，選擇典型結構時應根據土基、交通量狀況及路面使用材料確定典型結構。
(6)對典型結構的實際使用提出了原則要求：瀝青面層材料及基層、底基層材料要求，排水要求，路基高度要求具體設計或取值應根據當地情況確定。
(7)根據調查結果，面層宜用中粒式瀝青混凝土，基層優先採用二灰碎石底基層優先採用二灰土。
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