高速公路短路基路面結構設計

王 偉

（山西省交通科學研究院，山西 太原 030006）

隨著公路建設的發展，山區高速公路的建設也逐步增加，山區地形地質條件復雜，橋隧比例高，容易出現橋與橋或隧道之間的短路基，短路基段落長度短，位置分散，路基基礎與橋、隧等構造物相比差異性很大，且施工困難，容易形成公路病害，因此，山區高速公路短路基路面結構設計應重點研究。本文以某山區高速公路為例，對短路基路面結構組合進行分析。

1 短路基的特點

由于山區地形起伏，路線受地形和線位等因素的制約，位于橋隧等構造物之間的短路基多位于高填或深挖路段，因此，短路基具有如下特點：

a）路基位于橋隧等構造物之間，長度短、位置分散且多數為高填方或深挖方。

b）由于短路基多數位于地勢陡峭路段，且里程很短，造成大型機械操作及搬運難度大，必須采用人工或小型機具，因此，施工質量難以控制，尤其是路基壓實度難以保證。

c）由于壓實度不合格、填料不均勻以及路基與橋隧等構造物之間基礎剛度差異性大等因素，容易造成短路基不均勻沉降，從而導致路面結構層損壞，影響公路通行。

d）短路基多位于橋隧等構造物之間，位置分散且長度短，大型施工機械運輸及操作困難，因此，短路基路段施工只能使用小型機具。

e）目前山區高速公路短路基路面結構與普通路基段落相同，通車后易出現路基不均勻沉降和路面開裂，從而說明目前短路基路段的路面結構并不合理。

2 短路基路面結構組合設計

2.1 面層

2.1.1 面層型式選擇

水泥混凝土路面剛度大，可以彌補短路基壓實控制難的不足，同時可以減緩路基不均勻沉降帶來的路面損壞，因此，水泥混凝土路面應用于短路基是合理的。然而由于短路基的不利因素較多，如壓實度不足、不均勻沉降嚴重等，易使水泥混凝土面板局部應力過度集中，導致水泥混凝土路面過早損壞，影響公路通行，因此，必須增強水泥混凝土的抗彎拉性能。

目前水泥混凝土路面主要是摻入鋼纖維、減水劑或設置鋼筋網以提高路用性能。對于短路基來說，路面工程量小，位置分散，不適合復雜的施工工藝，因此，在混凝土中摻加鋼纖維，這種方式既操作簡便又能達到大幅度提高抗折強度的要求，同時鋼纖維水泥混凝土的攪拌、攤鋪等工藝與普通水泥混凝土基本一致，且鋼纖維混凝土具有較高的抗裂、抗彎拉、抗疲勞性能，減少了接縫設置。

由于本項目其他路段是瀝青混凝土路面，而短路基路段是鋼纖維混凝土路面，會使瀝青路面施工時攤鋪作業中斷，且兩種路面型式在同一公路中交替出現，既影響公路美觀又影響行車舒適性，因此，短路基路段宜采用復合式路面，即鋼纖維水泥混凝土（SFRC）上加鋪瀝青混凝土（AC）。

復合式路面應用于短路基部分，具有以下優點：

a）瀝青混凝土面層行車舒適性高、噪聲小、施工連續性好。

b）瀝青混凝土面層減小了鋼纖維混凝土面板的荷載應力，降低了溫度梯度，減小了溫度翹曲應力，延長了鋼纖維混凝土面板的使用壽命。

c）鋼纖維混凝土剛度大、抗折強度高，克服了短路基部分壓實度和不均勻沉降帶來的不利因素。

綜上所述，短路基路段使用復合式路面較為合理，下面對復合式路面進行分析設計。

2.1.2 鋼纖維混凝土面層

2.1.2.1 接縫設置

根據水泥混凝土路面的溫縮、干縮特性，需設置接縫以防止混凝土板斷裂；然而接縫過多影響路面使用性能和車輛舒適性，應盡量少設。

鋼纖維混凝土面板長一般為6～10 m，最大面板尺寸不應大于6×12 m[1]，而在本項目中，鋼纖維混凝土上面有瀝青混凝土層，受溫度和濕度影響小，可不設接縫，以避免在瀝青面層上產生反射裂縫。

2.1.2.2 厚度設計

鋼纖維混凝土面層的厚度受其摻量影響。根據水泥混凝土路面設計規范可知，鋼纖維體積率一般為0.6%～1.0%，重交通時的最小厚度為16 cm；中等交通時的最小厚度為14 cm[2]。本項目為復合式路面，鋼纖維混凝土面板受溫度和車輛荷載的影響都有不同程度的減小，同時結合本項目的特點、交通量預測及組成、鋼纖維種類及相關試驗等，確定鋼纖維的摻量為40 kg/m3（體積率0.5%）（該摻量下鋼纖維混凝土28 d抗折強度可達6.0 MPa）。

綜合以上因素并參照以往該地區修建高速公路的成功經驗，建議短路基路段鋼纖維混凝土板的厚度為22 cm。

2.1.3 瀝青混凝土面層

短路基段落在全線的占比較小，沒有必要單獨設計，因此，短路基復合式路面中的瀝青混凝土上面層厚度可參考普通路段。根據《復合式路面設計原理與施工技術》中關于對瀝青混凝土+碾壓混凝土（AC+RCC）復合式路面的研究得知，在高速公路中瀝青面層厚度不小于7 cm[3]。而本項目普通路段的瀝青混凝土路面結構層為4 cm細粒式改性瀝青混凝土（AC-13）+6 cm中粒式瀝青混凝土（AC-20）+6 cm中粒式瀝青混凝土（AC-20），橋面鋪裝采用4 cm細粒式改性瀝青混凝土（AC-13）+6 cm中粒式瀝青混凝土（AC-20），隧道路面同樣采用（4+6）cm的雙層瀝青面層（上面層添加阻燃劑）。因此，短路基路段的瀝青面層宜采用4 cm細粒式改性瀝青混凝土（AC-13）+6 cm中粒式瀝青混凝土（AC-20）雙層結構，以保證瀝青路面施工的方便性和經濟性。

綜上所述，短路基路段的路面結構層宜采用4 cm細粒式改性瀝青混凝土（AC-13）+6 cm中粒式瀝青混凝土（AC-20）+22 cm鋼纖維水泥混凝土的結構型式，不僅克服了短路基的缺點，而且保證了瀝青層施工的連續性。

2.2 基層

短路基高填、深挖段落多，路基狀況復雜。填方路段基層直接鋪筑在路基上面，受地下水影響較小，但是由于填方高度較高，受現場條件限制和施工質量影響，填方的壓實質量無法保證，不均勻沉降較為嚴重，因此，基層必須選用剛度大、擴散能力強的材料，以減少路基的不均勻沉降。水泥穩定碎石屬于半剛性材料，高速公路中應用廣泛，施工技術成熟，應用于填方路段的短路基非常合適，且本項目普通路段基層材料也是水泥穩定碎石，有利于施工。

山區挖方路基由于開挖較大，還應考慮地下水的影響。如果挖方路床距地下水位線較大，受地下水影響小，短路基挖方段的路基狀況與填方路基相似，為方便施工，路面基層宜采用水泥穩定碎石。如果局部路段地下水位較高，尤其是路基開挖至水位線以下時，由于地下水的毛細作用，加上地表水下滲，容易使水進入基層底部或基層與鋼纖維混凝土板之間，導致底部脫空，在車輛荷載作用下，造成混凝土板塊斷裂，形成反射裂縫損壞瀝青面層，因此，地下水豐富的挖方路段基層材料須具有良好的透水性。而級配碎石基層具有良好的透水性，在高速公路中使用較多，技術成熟，可應用于地下水豐富的挖方路段。

綜上所述，對于短路基路段的基層，應根據填挖情況分別考慮，如果短路基位于高填方或距地下水位線較大的挖方路段，受水的影響較小，為方便施工，宜采用水泥穩定碎石基層；如果挖方路段開挖至水位線以下，宜采用級配碎石基層。

2.3 墊層

墊層位于基層與土基之間，其主要作用是隔水、排水、防凍、擴散荷載及減少路基變形。

墊層的設置應根據短路基的地形、水文地質情況進行考慮：

a）在季節性冰凍地區，當路面總厚度小于最小防凍厚度時，應設置墊層，以防止凍脹翻漿現象的發生。

b）地下水豐厚的路段，應設置墊層以利于排水。

c）短路基填方段落不均勻沉降嚴重，應設置半剛性墊層。

3 結論

通過對短路基路段的分析，并結合本項目特點，得出其合理路面結構型式：

a）短路基路段宜采用AC+SFRC復合式路面，瀝青面層應與普通路段一致，采用4 cm細粒式改性瀝青混凝土（AC-13）+6 cm中粒式瀝青混凝土（AC-20），鋼纖維混凝土路面不設接縫，厚度建議值22 cm。

b）基層根據地下水情況分別考慮，當短路基位于高填方或距地下水位線較大的挖方路段，宜采用水泥穩定碎石基層；當挖方路段開挖至水位線以下時，宜采用級配碎石基層。

c）根據水文地質條件及防凍要求合理設置墊層。