常安高速公路路面結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)分析

覃 翔，楊方偉

(長(zhǎng)沙榕源交通技術(shù)咨詢有限公司)

1 項(xiàng)目概述

1.1 項(xiàng)目概況

湖南省常德至安化的高速公路工程位于湖南省中北部的常德市和益陽(yáng)市轄區(qū)內(nèi)，工程總長(zhǎng)96.361 km，項(xiàng)目縱貫湖南省中部地區(qū)，將橫向的常張、長(zhǎng)常、岳常、常吉、潭邵、邵懷、衡邵等多條高速公路及多條國(guó)道、省道連接起來(lái)，形成縱橫交織的交通網(wǎng)絡(luò)，有利于緩解京珠國(guó)道主干線的交通壓力。

1.2 氣候、水文條件

工程項(xiàng)目所屬區(qū)域?yàn)閬啛釒Ъ撅L(fēng)濕潤(rùn)氣候區(qū)，四季分明，冬短夏長(zhǎng)，最高溫達(dá)到43 ℃，最低溫達(dá)到－13.3 ℃，四季溫差變化較大。雨量豐富，年均降水量為1 324～1 551 mm，并由平原向山區(qū)遞增。且在這一區(qū)域內(nèi)，水量豐富，河流屬長(zhǎng)江水系，洞庭湖流域，主要河流有阮水、資水、東風(fēng)河、滄水。

1.3 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

結(jié)合項(xiàng)目工程的相關(guān)資料，在路面結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)中，分為雙向四車道高速公路，設(shè)計(jì)速度為100 km/h，整體式路基寬26 m，其中，行車道寬設(shè)計(jì)為2 ×2 ×3.75 m，硬路肩寬2 ×3 m，中間帶寬3.0 m(中央分隔帶寬2.0 m，左側(cè)路緣帶寬2 ×0.5 m)，土路肩寬2 ×0.75 m;分離式路基寬13 m，其中:左側(cè)土路肩寬0.75 m，左側(cè)硬路肩寬1.0 m，行車道寬2×3.75 m，右側(cè)硬路肩寬3 m，右側(cè)土路肩寬0.75 m，其技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)符合各項(xiàng)規(guī)程、制度。

2 常安高速公路路面優(yōu)化設(shè)計(jì)需要解決的難點(diǎn)分析

2.1 高溫穩(wěn)定性

常安高速公路工程項(xiàng)目所處地區(qū)為最高氣溫超過(guò)40 ℃的夏炎熱區(qū)。在這種苛刻的環(huán)境下，必須要求路面混合料擁有極高的抗變形性能。同時(shí)，因?yàn)樵谶@一個(gè)高速公路段，交通量較大且重載車比例高，這些都加重了公路路面負(fù)荷。此外，有部分路段為長(zhǎng)大縱坡路段，高溫條件下重載交通對(duì)長(zhǎng)大縱坡段層間剪切滑動(dòng)也產(chǎn)生不利影響。因此，在進(jìn)行路面結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案設(shè)計(jì)時(shí)，需要重點(diǎn)關(guān)注在高溫條件下路面的抗車轍性能與抗剪性能。

2.2 水穩(wěn)定性

工程項(xiàng)目沿線年降雨量約為1 500 mm 左右，屬于年降雨量＞1 000 mm 的潮濕區(qū)。通過(guò)對(duì)湖南地區(qū)整體高速公路使用情況的分析，可看出部分路段的早期水損害問(wèn)題仍然比較嚴(yán)重。因而，在進(jìn)行路面結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，必須充分考慮到混合料設(shè)計(jì)、原材料指標(biāo)控制等對(duì)水穩(wěn)定性方面問(wèn)題。

2.3 低溫抗裂性

常安高速公路工程項(xiàng)目所處地區(qū)的年極端最低氣溫低于－10.0 ℃，屬于冬冷區(qū)。因此，進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，既要保證路面擁有足夠高溫穩(wěn)定性，又要確保其具備一定的低溫抗裂性能。

2.4 抗疲勞性

高速公路的交通量大，且重載車較多，極易造成瀝青路面結(jié)構(gòu)層疲勞破壞現(xiàn)象的形成，因此，需在優(yōu)化方案中采取相應(yīng)的措施提高其抗疲勞性能。

總之，在常安高速公路路面結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案中，需要以解決重載交通下車轍病害問(wèn)題和早期水損害的問(wèn)題為主要方向。通過(guò)優(yōu)化路面結(jié)構(gòu)、合理設(shè)計(jì)混合料、嚴(yán)格控制施工質(zhì)量，并對(duì)特殊路段特殊處理，達(dá)到減少早期病害、提高路面耐久性、降低全壽命周期成本的目的。

3 瀝青結(jié)構(gòu)層的優(yōu)化分析

在原設(shè)計(jì)中，瀝青路面結(jié)構(gòu)層為:上面層為4 cm 改性瀝青SMA－13;中面層為6 cm 改性瀝青AC－20C;下面層為8 cm 普通瀝青AC－25C。進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，結(jié)合路面結(jié)構(gòu)層的厚度及路用性能，對(duì)瀝青路面結(jié)構(gòu)層進(jìn)行如下優(yōu)化。

3.1 瀝青上面層優(yōu)化

根據(jù)常安高速公路通車后的交通量預(yù)測(cè)，在初期沒(méi)有太大交通量的情況下，路面荷載的影響深度主要在于中面層，因此從功能性和經(jīng)濟(jì)性這兩方面考慮，在優(yōu)化中，在上面層采用4 cm 厚AC－13C，瀝青采用SBS 改性瀝青，在有效降低工程造價(jià)成本的同時(shí)，也能充分滿足其功能要求。

AC－13C 采用石質(zhì)較堅(jiān)硬、耐磨耗的集料，如玄武巖和輝綠巖等，以確保抗滑磨耗表層的功能(如表1)。在此基礎(chǔ)上，將地產(chǎn)的輝綠巖材料用于上面層，相比于SMA－13 所需要的外購(gòu)的玄武巖便宜，造價(jià)有所降低。并且，考慮到工程項(xiàng)目所在地為高溫多雨潮濕區(qū)，在上面層采用AC－13C 型瀝青混凝土。

表1 AC－13C 混合料試驗(yàn)技術(shù)指標(biāo)

3.2 瀝青中、下面層優(yōu)化

原施工圖設(shè)計(jì)方案的中、下面層結(jié)構(gòu)為:中面層6 cm 的AC－20C、下面層8 cm 的AC－25C，瀝青的中面層所在層處于整個(gè)路面結(jié)構(gòu)的高剪應(yīng)力受力區(qū)域，在高溫地區(qū)重載交通條件下，中面層應(yīng)具有較好的高溫穩(wěn)定性，因此，中面層需要采用高溫穩(wěn)定性較好的瀝青混合料，瀝青膠結(jié)料采用SBS 改性瀝青。瀝青的下面層主要起承重層及粘結(jié)層的作用，同時(shí)還必須具有較好的抗疲勞性能和抗水損害性能，因此需要采用50#A 級(jí)道路石油瀝青。

在優(yōu)化設(shè)計(jì)中，將原方案中面層6 cm 的AC－20C 調(diào)整為6.0 cm 的Sup－20，膠結(jié)料采用改性瀝青，并要求達(dá)到PG 70－22 級(jí)性能標(biāo)準(zhǔn);下面層8 cm 的AC－25C 調(diào)整為8 cm的Sup－25，采用50#道路石油瀝青，要求達(dá)到PG 64－16 級(jí)性能標(biāo)準(zhǔn)。

3.3 水穩(wěn)基層優(yōu)化

在原路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，由于水泥劑量用量較高，水穩(wěn)易產(chǎn)生裂縫，1 cm 的石油瀝青表處不能起到抗反射裂縫的作用。因此，在優(yōu)化設(shè)計(jì)中，水穩(wěn)基層通過(guò)降低水泥劑量的方式來(lái)控制水穩(wěn)裂縫的產(chǎn)生，同時(shí)采取有效的工程措施來(lái)延緩瀝青路面的反射裂縫。在水穩(wěn)基層和瀝青面層之間設(shè)置防水粘接層，以便瀝青面層的應(yīng)力和應(yīng)變因離開(kāi)應(yīng)力集中的接縫或者裂縫端部而得到降低。同時(shí)，加強(qiáng)加鋪層結(jié)構(gòu)的抗拉能力與抗剪能力。其中，在防水粘接層類型的選擇方面，結(jié)合高性能聚酯玻纖布、稀漿封層、橡膠瀝青應(yīng)力吸收層(SAMI)等三類防水粘接層的特點(diǎn)分析，優(yōu)先選用1 cm 橡膠瀝青應(yīng)力吸收層來(lái)延緩瀝青路面的反射裂縫。

4 常安高速公路路面優(yōu)化設(shè)計(jì)的對(duì)比分析

4.1 技術(shù)分析

傳統(tǒng)的AC 型瀝青混合料采用懸浮密實(shí)型連續(xù)級(jí)配，高溫穩(wěn)定性較差，即使對(duì)其級(jí)配進(jìn)行調(diào)整，也難以避免傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的缺陷。而傳統(tǒng)的馬歇爾設(shè)計(jì)方法采用擊實(shí)成型試件，不能準(zhǔn)確模擬路面壓路機(jī)實(shí)際碾壓的揉搓效果，因此導(dǎo)致試件油石比往往較實(shí)際路面大0.3%至0.5%。而在優(yōu)化設(shè)計(jì)方案中，引入Super pave 技術(shù)從施工檢測(cè)及工程應(yīng)用效果來(lái)看，Super pave 設(shè)計(jì)的瀝青混合料表面均勻、密實(shí)，高溫性能有較大程度的提高，抗水損害性能良好，其各方面性能均優(yōu)于傳統(tǒng)的懸浮密實(shí)型AC 混合料，能提高整體的路面性能，特別是高溫抗車轍性能。

4.2 路面基本建設(shè)費(fèi)用分析

優(yōu)化方案較原設(shè)計(jì)方案將有效提高路面性能和延長(zhǎng)路面使用壽命。并且，通過(guò)清單報(bào)價(jià)計(jì)算，優(yōu)化后的主線路面結(jié)構(gòu)比原設(shè)計(jì)路面結(jié)構(gòu)可節(jié)約基本建設(shè)費(fèi)用2 219 萬(wàn)元。

4.3 使用效果分析

目前，我國(guó)高速公路瀝青路面的研究和發(fā)展方向是，延長(zhǎng)瀝青路面的使用壽命，減少早期損害，更好的體現(xiàn)全壽命周期成本設(shè)計(jì)理念。通過(guò)上述分析所得，常安高速公路路面結(jié)構(gòu)優(yōu)化將在解決原工程項(xiàng)目中的特點(diǎn)及難點(diǎn)問(wèn)題，在保證路面優(yōu)質(zhì)服務(wù)功能的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)路面“耐久、節(jié)約、環(huán)保”的目標(biāo)。

5 結(jié)束語(yǔ)

優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的在于，在保證使用功能的前提下，能有效降低造價(jià)。而通過(guò)綜合評(píng)估得出，原設(shè)計(jì)路面結(jié)構(gòu)建筑安裝工程費(fèi)預(yù)算為83 556.84 萬(wàn)元;優(yōu)化后路面結(jié)構(gòu)建筑安裝工程費(fèi)預(yù)算為80 450.27 萬(wàn)元，優(yōu)化后路面結(jié)構(gòu)比原設(shè)計(jì)路面結(jié)構(gòu)節(jié)省造價(jià)3 106.57 萬(wàn)元。二者對(duì)比可看出，常安高速的路面結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案既節(jié)約了投資，也保證了路面結(jié)構(gòu)的使用功能，在經(jīng)濟(jì)上和技術(shù)上均是可行的，且技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益明顯，能有效降低工程造價(jià)。

［1］彭宏圖.混合式基層瀝青路面的疲勞特性分析研究［J］.公路工程，2013，(4).