某高速公路路面結構類型比選論證及結構驗算

摘要 為確定某高速公路路面結構類型，文章首先根據高速公路工可報告交通量調查結果，對公路交通組成及各特征年交通量進行了分析；其次初擬路面結構類型和結構組成，并對初擬的路面結構類型和結構組成進行方案優劣性對比分析，并給出推薦方案；最后對路面結構關鍵性指標進行驗算。研究表明：該高速公路中，小客車占比最大，每年均在56%以上，且瀝青混合料層層底拉應變、瀝青混合料層永久變形量、無機結合料穩定層層底拉應力和路基頂面豎向壓應變對應的設計車道上的當量設計軸載累計作用次數分別為4.55×10⁷、3.41×10⁹和7.80×10⁷；經路面結構類型和結構組成對比分析，高速路的路面結構采用瀝青混凝土路面，路面總厚度為82 cm；經路面結構驗算，路面結構推薦方案的無機結合料穩定層的疲勞開裂壽命、瀝青混合料層永久變形量、防凍厚度、路基頂面驗收彎沉值和路表驗收彎沉值分別為1.267 039×10¹⁰、9.98 mm、0.55 m、186.7 （0.01 mm）和16.3 （0.01 mm）。

關鍵詞 交通組成分析；路面結構組成；方案對比分析；路面結構驗算

中圖分類號 U416.2 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2024）04-0087-03

0 引言

高速公路的路面結構方案設計與受力分析^[1]，常常是路面結構設計的重點內容。為確保路面結構設計的合理性，對擬建公路的交通狀況、超重載作用^[2]等進行分析是十分有必要的。瀝青路面^[3]以其獨特的優點常常用于高速公路路面中，瀝青路面結構設計和驗算時也存在或多或少的問題^[4]，基于多種規范體系^[5]，對路面結構方案進行綜合對比分析，進而得出更合理的高速公路路面結構。

基于上述問題，該文以某高速公路為研究背景，在交通組成分析基礎上，提出可能的路面結構方案，并進行對比分析，最后對路面結構進行驗算。

1 工程背景

某高速公路全線采用雙向四車道高速公路標準，路基寬度為27 m。擬建高速公路沿線溝壑縱橫，高低起伏變化較大，地形條件復雜。沿線不良地質體主要為巖溶塌陷及人工開挖形成的地貌等，工程地質條件總體上較好。

2 交通荷載分析

2.1 交通量及交通組成狀況

根據該高速公路工可報告交通量調查結果，公路交通組成及各特征年交通量如圖1所示。

分析圖1可知，小客車占比最大，每年均在56%以上。

2.2 系數取值

根據《公路瀝青路面設計規范》，方向系數取0.55。新建路面可采用水平二（當地的經驗值）或水平三（規范表A.2.5 車道系數）。該項目車道系數選用0.8。

根據該高速公路可提供的交通量，可確定該高速公路屬TTC3。TTC3的車輛類型分布系數如表1所示。

2.3 當量設計軸載累計作用次數

設計車道上的當量設計軸載累計作用次數按式（1）計算：

式中，r——平均每一年交通量的增長變化率，其值為5.26%；N1值為2 471；t——設計使用年限。代入上述值即可得到當量設計軸載累計作用次數為1.984 725×10⁷（輛），根據交通荷載等級的劃分標準可知，該條高速公路的交通荷載等級為特重交通荷載。

3 路面結構方案比選

3.1 路面結構類型比選

當前高速公路常見的路面結構有瀝青混凝土路面與水泥混凝土路面兩種，兩種路面結構的對比情況如表2所示。

從工程造價、施工技術、使用效果、維修程度以及對環境影響等幾個方面綜合考慮，該高速公路路面結構類型選用瀝青混凝土路面。

3.2 路面結構組成方案比選

3.2.1 路面結構組成初擬

目前國內常用的上面層有AC、SMA等結構，AC結構抗滑性能好，但抗水損害能力較差；SMA結構既密水又抗滑，但造價略高。該高速公路上面層推薦采用4 cm SMA-13瀝青混凝土，在省內多條高速公路上已有成熟的應用經驗。

考慮二灰穩定碎石前期強度低，水穩性較差，且料源供應受人為因素制約，不確定因素多，因此基層擬采用水泥穩定碎石；根據筑路材料的來源情況，底基層擬采用水泥穩定碎石。

3.2.2 初擬路面結構方案比選

結合上述初擬情況，給出了3種路面結構如圖2所示，其對比分析如表3所示。

分析表3可知，該高速公路路面結構推薦采用方案一，該路面結構總厚度為82 cm。

4 路面結構驗算

4.1 材料設計參數

擬定瀝青混合料、基層與底基層材料的設計參數取值如表4所示。

4.2 土基回彈模量

該高速公路所經區域地質由第四系全系統沖洪積含礫粉質黏土及砂礫石組成，下伏燕山期花崗巖，寒武系鳳山組白云質灰巖及白云巖，寒武系張夏組、饅頭組頁巖，灰巖，粉砂巖等為主，該項目土基靜態回彈模量取60 MPa。

4.3 無機結合料穩定層的疲勞開裂驗算

無機結合料穩定層的疲勞開裂壽命一般以無機結合料穩定層最底端在各種荷載作用下的拉應力為驗算指標，拉應力可按式（2）計算：

根據公式計算得：R_a=9.98 mm。

4.5 防凍厚度驗算

季節性凍土地區瀝青面層，應按式（5）驗算其低溫開裂指數CI。

CI=1.95×10^?3S_tlgb?0.075（T +0.07h_a）lgS_t+0.15 （5）

經計算CI=0條

季節性凍土地區路基為中濕或潮濕狀態時，應按式（6）計算公路多年最大凍深：

Z_max=abcZ_d（6）

根據公式計算得：Z_max=0.55 m。

4.6 驗收彎沉值

路基頂面驗收彎沉值，應按式（7）計算：

根據式（7）和（8）可計算得到路基和路面頂面驗收彎沉分為186.7（0.01 mm）和16.3（0.01 mm）。

5 結語

主要結論如下：

（1）根據高速公路工可報告交通量調查結果，公路交通組成及各特征年交通量中，小客車占比最大，每年均在56%以上。瀝青混合料層層底拉應變、瀝青混合料層永久變形量、無機結合料穩定層層底拉應力和路基頂面豎向壓應變對應的設計車道上的當量設計軸載累計作用次數分別為4.55×10⁷、3.41×10⁹和7.80×10⁷。

（2）經路面結構類型和結構組成對比分析，高速路的路面結構采用瀝青混凝土路面，路面結構層主要由上面層、中面層、下面層、柔性基層、下封層、半剛性基層和底基層組成，路面總厚度為82 cm。

（3）經路面結構驗算，路面結構推薦方案的無機結合料穩定層的疲勞開裂壽命、瀝青混合料層永久變形量、防凍厚度、路基頂面驗收彎沉值和路表驗收彎沉值分別為1.267 039×10¹⁰、9.98 mm、0.55 m、186.7（0.01 mm）和16.3（0.01 mm）。

參考文獻

[1]蔡之文. 高速公路路面結構方案設計與受力分析研究[J]. 建筑機械， 2023（6）： 159-162.

[2]魏遠. 超重載作用下瀝青路面結構設計研究[J]. 市政技術， 2023（6）： 42-45+68.

[3]蘇賢鋒， 趙世樂. 基于新版公路瀝青路面設計規范的路面結構計算[J]. 工程與建設， 2019（3）： 430-431+433.

[4]王剛， 田苗旺， 李志飛. 瀝青路面結構驗算存在問題及解決方法研究[J]. 城市建筑， 2020（27）： 173-174.

[5]王方立， 程昊， 孫鴻偉. 多規范體系下柔性路面結構方案對比研究[J]. 公路交通科技（應用技術版）， 2019（8）： 22-24.

收稿日期：2023-12-07

作者簡介：張桓鋮（1990—），男，本科，工程師，研究方向：交通規劃、公路道路施工、橋梁施工等。