高速公路半剛性基層瀝青路面結構設計分析

劉家祥

（江西省贛南公路勘察設計院有限公司，江西贛州 341000）

0 引言

在半剛性基層結構投入使用后，發生破壞的形式比較多，比如反射裂縫、低溫縮裂、唧漿等，這些早期病害形式并不是單一出現的，因此加強結構設計非常重要。在半剛性基層瀝青路面結構設計中，需要充分考慮路面的承載能力、變形特性、抗裂性能以及排水功能等因素，合理選擇瀝青混合料的配合比例和級配，以滿足設計要求和工程環境的實際情況。

1 高速公路半剛性基層瀝青路面設計要求

公路半剛性基層瀝青路面的設計要求是確保路面具備穩定、耐久、安全和舒適的特性，以應對不同交通荷載和氣候條件的挑戰，以下是公路半剛性基層瀝青路面設計的關鍵要求。

1.1 承載能力

設計要求基于預計的交通量和車輛類型，確保路面結構能夠承受荷載并保持穩定。通過合理的層厚設計和材料選擇，保證路面的結構強度和剛度，以滿足設計壽命內的荷載要求。

1.2 平順性和舒適性

設計應追求平穩、舒適的行車條件，減少車輛行駛時的顛簸和振動。通過合理的層厚分配和結構設計，降低路表面的不平整度，提供更好的行車舒適性。

1.3 耐久性和抗老化

設計要求考慮路面結構的長期使用壽命和抗老化能力。選擇耐久性好的瀝青混合料和基層材料，結合適當的施工工藝，以延長路面的使用壽命，并減少維護和修復的頻率。

1.4 排水性能

設計要求合理的路面排水系統，確保雨水能夠及時、有效地排除，避免水損害對路面結構的影響。通過設置適當的縱、橫向坡度和排水設施，保證路面在降雨情況下的正常排水。

1.5 施工可行性和經濟性

設計要求考慮施工的可行性和經濟性，選擇合適的施工工藝和材料，使設計方案能夠在實際工程中得以實施。同時，需要綜合考慮設計方案的成本效益，以確保在給定的預算范圍內實現設計目標。

1.6 環境友好性

設計要求考慮環境保護和可持續發展的要求。選擇低噪聲、低污染的材料和工藝，減少對環境的不良影響。同時，鼓勵采用再生材料和可回收材料，促進資源的合理利用和循環利用[1]。

2 半剛性基層瀝青路面結構的實際情況分析

2.1 結構投入使用后的破壞形式

就目前來看，半剛性基層結構投入使用后，破壞形式比較多，主要包含以下兩種：

2.1.1 車轍

半剛性瀝青路面結構投入使用后，級配碎石屬于松散性材料，導致結構容易受到變形而產生拉應力。但是，由于碎石基層的適應性，使得各個結構層的變形能夠傳遞到上層結構。此外，在半剛性底基層結構上部鋪設級配碎石層，由于底基層結構強度相對較高，表面的彎沉較小，有效地控制了級配碎石的適應變形能力。隨著長期使用和車輛荷載的作用，結構可能發生嚴重的變形問題，最終在路面上形成車轍病害。

2.1.2 疲勞開裂

導致半剛性基層瀝青路面結構疲勞開裂的主要原因是：

一是車輛荷載。車輛荷載是導致半剛性基層瀝青路面結構疲勞開裂的主要原因之一。長期受到車輛重載、頻繁交通或超載交通的影響，路面結構會承受巨大的荷載壓力，導致路面材料的抗疲勞性能逐漸下降，最終引發疲勞開裂。

二是溫度變化。溫度變化也是導致半剛性基層瀝青路面結構疲勞開裂的重要因素，路面受到晝夜溫差、季節變化以及氣候變化的影響，會發生溫度周期性變化，這種溫度變化會導致路面結構內部的熱脹冷縮應力，從而引發路面材料的疲勞損傷和開裂。

三是材料性能。半剛性基層瀝青路面結構材料的性能也會影響其疲勞開裂的發生。如果路面材料的彈性模量、抗剪強度、耐久性等性能指標不符合要求，就容易出現疲勞開裂的問題。例如，瀝青混合料的黏度過高或過低，會使路面材料在荷載作用下發生塑性變形，導致疲勞開裂。

四是施工質量。半剛性基層瀝青路面結構的施工質量也是引發疲勞開裂的重要原因之一。如果施工過程中存在不當的壓實操作、不合理的施工工藝或材料不均勻等問題，會導致路面結構的不均勻變形和應力集中，增加了疲勞開裂的風險。

五是水分影響。水分的存在對半剛性基層瀝青路面結構的疲勞開裂也具有一定影響。如果路面結構存在滲水或排水不暢的問題，會使路面材料受到水分侵入，降低材料的黏結性和穩定性[2]。

2.2 各層應力狀態分析

目前我國在高速公路項目施工過程中，瀝青路面結構設計環節，其面層厚度通常控制在15～20cm 之間，基層則是在30～40cm 之間。而級配碎石層厚度在8～15cm 之間，設計人員采用有限元分析的方式，掌握各個基層結構的厚度參數，具體可見表1。

表1 基層結構的厚度參數

2.2.1 彎沉

因為級配碎石材料具備較高回彈變形量，因此，在設計中需要按表2 的要求進行取值，彎沉值（0.01mm）見表2。

表2 彎沉值（0.01mm）

2.2.2 瀝青

在面層應力計算中，確定瀝青面層厚度分別是0cm、4cm、7cm 與10cm 處的應力，可見表3。

表3 應力分析 單位：MPa

夾層結構設置完成后，瀝青混凝土結構的面層應力值變化不大，就算隨著面層施工厚度的增大，也不會造成影響。在面層底部設置夾層之后，彎拉應力是不設置該結構的兩倍左右，此時結構模量的壓力為450MPa，通過分析可以了解到，由于面層模量以及級配碎石之間的相對比存在的差異性比較大，那么表面的承受荷載能力也會通過高度變化來承擔。這就是混凝土結構面層表面的彎拉硬度升高的原因。

2.3 半剛性基層底彎拉應力

從半剛性基層瀝青路面結構分析，由于基層剛度性能比較高，因此需要重視半剛性基層底彎拉應力分析。在對半剛性基層低溫拉應力檢測后，發現相關的檢測參數滿足實際需求，具體的檢測結果見表4。

表4 基層底面彎拉應力 單位：MPa

通過分析表4 的數據可以了解到，通過級配碎石結構層設置以后，半剛性的應力結構性能得到提升。

2.4 土基頂面壓應變

通過數據分析可以了解到，級配碎石存在設置完畢之后的承受能力的擴散荷載應力會增加，那么分布到土地結構的荷載參數就會變小，在一定程度上就會提高應力的控制效果，減少結構承載能力的加劇[3-4]。因此可以判斷出，在設置碎石基層結構之后，由于該結構層具備一定的剛度性能，所以能夠將上部受到的荷載拉力直接進行擴散，這種情況下，使得表面結構不會受到過大影響，土基頂面受到應力也會發生改變，詳見表5。結構層性能得到進一步提升，結構使用的效果也會不斷提高，延長使用壽命，高速公路可以更好地滿足當前交通通行的需要。

表5 壓實度應變（10-4） 單位：MPa

3 半剛性基層瀝青面層的設計方案

在高速公路進行方案設計環節，要充分考慮到各個結構的性能，從而才能保證結構使用效果合格，不會發生嚴重的損壞問題。設計人員根據方案運行的要求，進行各項參數的設計，詳細計算各項數據，并且進行現場的測試分析。選擇應用半剛性基層瀝青面層結構設計方案，在進行技術參數指標計算環節，主要是從下述幾個方面進行：

3.1 路表彎沉

從當前我國的瀝青路面結構的設計來說，彎沉計算非常重要，確保該指標達到工程要求，才能提升結構的運行性能。在彎沉指標計算環節，其可以反映出各個結構層的強度性能，同時也能夠了解整個路面結構的總體性能，分析確定是否能夠滿足高速公路正常使用的狀態標準。加強彎沉值參數的控制，有效預防投入使用之后路面出現沉陷、彈簧、網裂等病害，促進結構運行效果的提升。目前我國在設計環節，通常不會使用國外的土基壓應變指標，因為該參數檢測的環節難度相對較高，所以根據我國實際情況，選擇合適的計算方法，確定相關參數信息，才能更好地滿足當前高速公路設計的需要。分析車輛荷載與路面結構損害之間的關系，將彎沉值作為重要的設計指標，雖然可以提升設計水平，但是從結構的整體需求分析可了解到，由于此類設計方案合理性不足，未全面反映出剛度指標，而主要因素來自基層剛度不達標。此類問題的存在，就會導致路面結構容易出現問題。所以在設計過程中，應做好各個方面的分析，才能消除不利影響[5-6]。

3.2 面層底部彎拉應力/應變

由于級配碎石結構的模量不大，在設計過程中，將其看作和面層之間是光滑的形式存在，這樣就使得整個結構的彎拉應力相對比較大。從表1 的結構形式分析發現，如果按照二級標準的方法進行設計，累計標準的單量軸就會達到150 萬次。在面層結構彎拉應力計算環節，如果使用的是中粒式瀝青混凝土材料，得出的數據信息反映出整個結構的彎沉值，達到設計標準，而此時的彎拉應力則不能達到規定標準。如果按照該數據進行計算，得出的面層底部彎拉應力反算設計年限，得出的標準軸次比較小，反算值并不能達到標準軸載150 萬次的要求，所以較之彎沉數據來說，面層結構的彎拉應力可以避免結構損壞。

3.3 土基頂面壓應變

加強路表彎沉值的計算分析，主要作用是確保路面結構的整體剛度性能合格，從而滿足土地結構的控制要求，所以在設計環節，對于路表彎沉、整體結構剛度性的變化參數計算要特別重視，同時，還要按照現行的計算規范對土基底面的應力進行計算，以此來提升設計強度，以更好地滿足當前高速公路路面結構的設計需要，提升使用效果。設計人員根據實際情況選擇最佳的土基頂面壓應變計算參數，獲得準確的數據信息，進而可以有效地預防發生結構設計不當的情況。

4 結語

高速公路是重要的交通基礎設施，關系到當前的社會發展以及人們出行質量，所以需要加強高速公路的設計和分析，才能更好地提升高速公路總體運行水平，滿足當前交通通行需要。就目前來說，高速公路在設計過程中，通常會在面層和基層之間設置一層半剛性基層，加強該結構的設計，確保半剛性基層瀝青路面結構的性能合格，達到交通正常使用需要。設計人員根據交通使用的標準，考慮到當前設計要求，做好各項技術參數的計算分析，掌握半剛性基層瀝青面層結構的設計標準和要求，提高設計水平，確保高速公路各個結構層的性能合格，不會影響整體的運行效果，提高高速公路運行的質量，延長使用壽命。