高速公路改擴建的路面結構方案分析

楊世勝、王豹

（1.連云港市贛榆區(qū)交通運輸局，江蘇 連云港 222199 2.蘇交科集團股份有限公司，江蘇 南京 210018）

1 路面結構設計理論

1.1 工程概況

A 高速公路的某路段采用雙向四車道的標準建設，設計速度采用120km/h，全線途經3 個區(qū)縣6 個鄉(xiāng)鎮(zhèn)，路線全長40.653km。

根據公路自然區(qū)劃的標準，路線所經區(qū)域公路自然區(qū)劃為Ⅱ5區(qū)，屬魯豫輕凍區(qū)。除收費站及部分連接線采用水泥混凝土路面外，其余主線、匝道及被交道均采用瀝青混凝土路面。

1.2 瀝青路面的設計標準

瀝青路面結構的目標可靠度采用95%，目標可靠度指標采用1.65。瀝青混凝土路面以雙輪組單軸100kN 為標準軸載，設計年限15 年。根據《公路瀝青路面設計規(guī)范》（JTG D50—2017）要求，采用瀝青混合料層疲勞開裂損傷、無機結合料穩(wěn)定層疲勞開裂損壞、瀝青混合料層永久變形量、路基頂面豎向壓應變等指標作為瀝青路面結構設計的核心指標[1]。瀝青混合料層和無機結合料穩(wěn)定層的開裂壽命應小于設計使用年限內當量設計軸載累計作用次數；瀝青混合料層永久變形量不應大于其容許變形量；路基頂面豎向壓應變不應大于規(guī)范計算得到的容許值。

雙圓均布垂直荷載作用下的彈性層狀連續(xù)體系理論是當前瀝青路面結構計算的理論基礎，根據基層、底基層類型，以無機結合料穩(wěn)定層層底拉應力、瀝青混合料層永久變形量為設計指標來計算路面結構厚度。

1.3 交通量分析和計算

以A 高速公路2 個路段的不同位置的現有交通量調查為基礎，對未來一段時間的道路交通量進行預測和計算。將車輛按照《公路瀝青路面設計規(guī)范》（JTG D50—2017）表A.1.2 分為11 類車型，根據交通量調查分析，方向系數取0.55，車道系數取0.75。根據交通觀測資料分析2～11 類車型所占的百分比，得到車輛類型分布系數；根據現場交通荷載數據的調查分析，得到各類車型非滿載與滿載比例。

根據不同結構組合路面的設計指標，該設計路面對應的設計指標為瀝青混合料層永久變形與無機結合料層疲勞開裂。

根據2～11 類車輛當量設計軸載換算系數，可得到在不同設計指標下，各車型對應的非滿載車和滿載車當量設計軸載換算系數。

經計算，得到瀝青混合料層永久變形的當量設計軸載累計作用次數為2.88×107次，對應于無機結合料層疲勞開裂的當量設計軸載累計作用次數為1.51×109次。初始年設計車道大型客車和貨車年平均日交通量為2270 輛/日，設計使用年限內設計車道累計大型客車和貨車交通量為1.87×107輛，設計交通荷載等級為重交通。

2 路面結構設計驗算及結構層厚

2.1 路面結構設計驗算

路面結構計算以瀝青混合料層疲勞開裂壽命、無機結合料層疲勞開裂壽命、瀝青層永久變形量、路基頂面豎向壓應變來算路面結構厚度[2]。

在《公路瀝青路面設計規(guī)范》（JTG D50—2017）的基礎上，結合江蘇省路面結構組合的情況，分析有關試驗資料，并參考已建高速公路路面結構使用情況，計算采用設計參數詳見表1 和表2，各項驗算結果匯總見表3。

表1 瀝青路面面層結構設計參數表

表2 基層、底基層及土基結構設計參數表

表3 路面結構驗算指標

根據表3 的計算結果可知，瀝青層容許永久變形值、半剛性層疲勞開裂對應的累積當量軸次均滿足路面性能要求，路面結構設計合理。根據《公路瀝青路面設計規(guī)范》（JTG D50—2017）確定路基頂面和路表驗收彎沉值，主線路基頂面驗收彎沉值為100（0.01mm）。采用擬定的路面結構以及各層結構模量值，根據彈性層狀體系理論計算得到路表驗收彎沉值la 為22.0（0.01mm）。

2.2 路面結構層厚

對江蘇省近年建設的高速公路路面結構進行了調研，各高速公路采用的瀝青面層和半剛性基層的路面結構[3]。所有高速公路均采用了瀝青路面結構，上面層普遍采用改性SMA-13 結構；中、下面層結構2010 年之前較多采用AC 結構，目前普遍采用了SUP結構。二灰碎石是江蘇省以往路面的主要基層類型，但由于其水穩(wěn)性較差，粉煤灰質量達不到要求且材料缺乏，目前基本不再采用。近年高速公路主要采用水泥穩(wěn)定碎石或抗裂型水泥穩(wěn)定碎石基層。底基層也由以往的二灰土、三灰土改為現在的低劑量水泥穩(wěn)定碎石。瀝青面層厚度為14～20cm，基層厚度為30～40cm（水穩(wěn)或二灰基層），底基層（個別未設）厚度為18～20cm，結構層總厚度在70cm 左右。

因此，結合省內其他高速的路面結構情況和計算分析結果，主線、樞紐匝道上面層采用4cm SMA-13 SBS 改性瀝青瑪蹄脂碎石混合料，黏層采用乳化SBS改性瀝青黏層，中面層采用6cm Sup-20 SBS 改性瀝青混合料，黏層采用乳化SBS 改性瀝青黏層，下面層采用8cm Sup-25 道路石油瀝青混合料，下封層采用SBS 改性乳化瀝青，基層采用36cm 抗裂型水泥穩(wěn)定碎石，底基層采用18cm 低劑量水泥穩(wěn)定碎石，路面結構總厚度為72cm。

3 抗車轍路面方案

3.1 長壽命路面材料的技術要求

隨著我國高等級公路建設規(guī)模的持續(xù)增長，瀝青路面的技術和質量控制水平也得到顯著提升，瀝青路面的早期損壞問題已經基本得到解決，但瀝青路面的設計壽命和使用壽命還未得到明顯提升，與歐美發(fā)達國家還存在一定差距。按照現行行業(yè)標準，我國瀝青路面的設計壽命一般不超過15 年，而歐美發(fā)達國家瀝青路面設計壽命普遍為20—40 年?！丁笆奈濉苯煌I域科技創(chuàng)新規(guī)劃》《“平安百年品質工程”建設研究推進方案》《江蘇省交通運輸科技創(chuàng)新發(fā)展戰(zhàn)略綱要》及《交通強國建設綱要》等政府文件明確要求“提升基礎設施壽命，降低全壽命周期成本”。圍繞目前的行業(yè)建設需求，針對江蘇省高速公路普遍存在的問題，開展長壽命路面相關研究可以適應目前形勢需求。

根據江蘇省部分高速公路路面狀況及取芯調研結果，現階段江蘇省高速公路半剛性基層瀝青路面的橫向裂縫主要以基層反射裂縫為主，top-down 裂縫占比相對較少，統(tǒng)計結果如圖1 和圖2 所示。

圖1 省內不同高速公路的top-down 裂縫占比情況統(tǒng)計結果

圖2 省內高速公路不同斷面車轍貢獻率計算結果

不同斷面的各層位車轍貢獻率基本表現出中面層最大，平均值為47.3%，上面層和下面層車轍貢獻率分別為24.7%和28%。調查表明，目前高速公路瀝青面層下部結構病害明顯。因此，需要對車轍貢獻率最大的中面層材料進行了重點調研，通過采取措施減少路面車轍病害的產生。

3.2 抗車轍混合料的調研

針對車轍病害，高模量瀝青混合料具有良好的抗疲勞特性、抗永久變形能力、抗水損害能力和經濟性，可考慮引用[4]。法國的高模量瀝青混合料（EME）與一般添加劑型高模量的混合料相比，其不僅在抵抗車轍變形方面有比較好的效果，而且在提高抗車轍性能的同時能夠保證瀝青混合料的抗疲勞性能。

3.2.1 高模量瀝青混合料

高模量瀝青路面材料技術源于法國，其設計理念是通過提高瀝青混凝土的模量，減小車輛荷載及高溫作用下瀝青混凝土的應變路面結構的塑性變形，從而提高路面的抗車轍能力、減薄路面的厚度、提高路面的耐久性[5]。高模量瀝青混合料是提高重載交通瀝青抗車轍性能的一種主要技術途徑。大量試驗結果顯示，瀝青路面在超載和重載的作用下，車轍的最大剪應力部分主要是在瀝青路面的中面層。根據國內外的高模量瀝青的研究和使用情況，在中面層使用高模量瀝青能夠顯著減少瀝青路面在行車荷載下的應變和不可恢復變形，降低車轍的發(fā)生速度，從而提高瀝青路面的使用壽命，且高模量瀝青硬度大，高模量瀝青材料放置在中面層，可以優(yōu)化剪應力的分布，削減瀝青面層結構內剪應力的峰值，對于改善瀝青路面抗車轍穩(wěn)定性具有明顯優(yōu)勢，能夠顯著降低路面厚度，從而節(jié)省工程造價。

近年來，高模量瀝青路面在我國得到廣泛應用，通過在基質瀝青中添加硬質瀝青來提高瀝青材料的黏度，從而提升膠結料與集料間的黏結力。高模量瀝青混合料的配合比設計強調采用低空隙率確保礦料形成密實結構，并搭配高抗裂型水泥穩(wěn)定碎石基層結構，能夠提升瀝青路面結構的強度和高溫穩(wěn)定性，而且低空隙率結構對瀝青路面混合料的抗疲勞性能也有顯著的提升。這些年采用高模量瀝青的項目有寧常高速試驗段（2008）、江六高速試驗段中面層（2012）、寧高高速改造工程（2013）、淮安大橋（2017）、江都至廣陵高速公路改擴建工程試驗段（2018）等[6]。

3.2.2 高灰分巖瀝青改性瀝青混合料

相比石油瀝青，巖瀝青、湖瀝青等天然瀝青普遍具有良好的穩(wěn)定性，而且顯著的浸潤性和對自由氧化基的高抵抗性，能夠提升瀝青膠黏材料與集料的黏附性及抗剝離性。高灰分巖瀝青的灰分含量達到70%以上，灰分與瀝青形成更為穩(wěn)定的作用界面，可以起到對石油瀝青改性、改善瀝青膠漿性能的作用，也具有良好的高溫穩(wěn)定性。在江廣擴建工程以及養(yǎng)護工程中，采用了AC-20 的巖瀝青高強瀝青混合料，應用效果良好。但若使用Sup-20 混合料級配，則存在較難壓實的情況，采用AC-20 級配較為合適，相比傳統(tǒng)AC-20 瀝青混合料的抗車轍效果能提升20%～40%。

3.2.3 抗車轍劑

為提高瀝青路面的抗車轍性能，將聚乙烯類熱塑性樹脂類材料制備成顆粒型添加劑加入瀝青混合料中，通過聚乙烯類熱塑性樹脂增加膠黏材料與集料的黏結性能，并在膠黏材料內部起到加筋、填充作用，從而提高瀝青混合料的高溫抗變形效果。不過在實際的工程應用中發(fā)現，部分項目在摻加抗車轍劑以后，混合料的耐久性能不足，混合料的抗剝落性能下降，容易出現水損害；并且加入抗車轍劑以后，拌和難度增加，生產時需適當提高拌和溫度，提高了能耗。除此之外，現在市場上抗車轍種類較多，較難區(qū)別。

綜上所述，從對新型路面材料的調研結果來看，將巖瀝青加入瀝青混合料當中，能改善瀝青膠漿的性能，從而對其抗車轍性能影響顯著。摻加高模量改性劑，對混合料進行改性，在改善瀝青路面抗車轍穩(wěn)定性方面也具有明顯優(yōu)勢。

3.3 材料比選

基于前述調研情況，將高模量瀝青與SBS 改性瀝青中面層優(yōu)缺點進行比較，詳見表4。

表4 中面層瀝青混合料比較表

通過表4 分析，選擇高模量瀝青混合料技術作為模量與抗車轍性能的提升方向，并對滿足模量與抗車轍性能要求的瀝青混合料進行設計與評價。

其一，通過對瀝青混合料類型、材料性質、膠漿作用以及空隙率等影響因素進行分析，明確提升模量與抗車轍性能的關鍵措施：使用硬質瀝青或改性瀝青、調整瀝青混合料的礦料級配、采用瀝青混合料添加劑等。

其二，通過對復合高模量EME-14 混合料進行研究，得到的復合高模量瀝青混合料EME-14 兼具溫拌、抗車轍、高模量的性能特點，動穩(wěn)定度超過11000次/mm；并且20℃動態(tài)壓縮模量大于14000MPa，EME-14 可以提高施工性能、改善路面結構受力狀態(tài)、提升抗車轍性能。

其三，分別從性能、施工以及造價等方面出發(fā)，將所設計的抗車轍材料與常規(guī)中面層材料進行比較，復合高模量EME-14 混合料具有突出的優(yōu)勢，可用于對抗車轍要求較高的瀝青面層中間層。

因此，結合項目起點臨近港區(qū)及與B 高速公路交叉的特點，選擇A 高速公路路段1 作為試驗路段，并選取重載交通量較大位置設置復合高模量EME-14中面層的試驗段。

4 結論

其一，交通量計算是瀝青路面結構設計的基礎，應將各類車輛按照當量設計軸載進行換算，從而確定瀝青混合料層永久變形的當量設計軸載累計作用次數。

其二，結合省內其他高速的路面結構情況和計算分析結果，確定A 高速公路的路面結構方案及結構材料，常規(guī)路段的瀝青面層采用4cm SMA 面層、6cm Sup-20 中面層和8cm Sup-25 下面層，基層采用36cm抗裂型水泥穩(wěn)定碎石，底基層采用18cm 低劑量水泥穩(wěn)定碎石。

其三，采用優(yōu)質的路面結構材料和新技術手段可以提高道路的使用性能，采用復合高模量EME-14 作為在瀝青路面的中面層可提高路面的抗車轍性能，延緩道路的路面病害，實現全路段瀝青路面長壽命路面的設計理念。