半刚性基层沥青路面典型结构设计

半刚性基层沥青路面典型结构设计黄晓明【东南大学交通学院南京210018】摘要：通过对江苏、安徽、浙江三省高等级公路若干线段及沪宁高速公路无锡试验段的调查、测试和分析，提出了高等级公路半刚性基层沥青路面典型结构图式及其注意事项，对半刚性基层沥青路面的结构设计具有较好的参考价值。关键词：半刚性基层沥青路面结构设计1概述我国90%以上的高等级公路沥青路面基层和底基层采用半刚性材料。半刚性基层沥青路面已经成为我国高等级公路沥青路面的主要结构类型。在七•五期间，国家组织开展了“高等级公路半刚性基层、重交通道路沥青面层和抗滑表层的研究”的研究工作，对沥青混合料的高温稳定性、低温抗裂性，沥青面层的开裂机理、车辙和疲劳、抗滑表层设计和应用、半刚性基层材料的强度特性和收缩特性，组成设计要求等进行了深入的研究工作，提出了较为完整的研究报告，为高等级公路半刚性基层沥青路面的设计和施工提供了理论依据和技术保证。由于现行的《柔性路面设计规范》颁布于1986年，随着国家对交通运输业的日益重视和人们筑路经验的不断提高，一致认为1986年版的《柔性路面设计规范》已不能满足高等级公路半刚性基层沥青路面的需要。由于对半刚性基层认识不足，使得设计结果具有一定的盲目性，设计结果要么过分保守，要么因路面结构设计不当而产生早期破坏，造成很大的经济损失。因此，如何利用七•五国家攻关项目取得的成果，结合近十年来半刚性基层沥青路面的设计和施工经验，根据实际使用效果，提出适合本地区特点的路面结构，对路面结构设计方法的更新和路面实际使用效果的改善具有重要的意义。根据江苏、安徽、浙江高等级公路的实际，江苏在镇江、无锡、苏州、徐州、连云港共计4线10段进行调查，安徽在合肥、马鞍山、淮南三市调查了3线8段，浙江在嘉兴和杭州调查了2线5段共计9线23段。调查的路面结构具有一定的典型性。2国内外研究概况2.1国外国道主干线基层的结构特点国外国道主干线基层结构有以下特点：多数采用结合料稳定的粒料(包括各种细粒土和中粒土)及稳定细粒土(如水泥土、石灰土等)只能用作底基层，有的国家只用作路基改善层。法国和西班牙在重交通的高速公路上，要求路面底基层也用结合料处治材料。使用最广泛的结合料是水泥和沥青，石灰使用得较少。此外，还使用当地的低活性慢凝材料和工业废渣，如粉煤灰、粒状矿渣等。有的国家用沥青稳定碎石做基层的上层，而且用沥青做结合料的结构层的总厚度(面层+基层的上层)常大于20cm。经过几十年的总结，国外在半刚性基层沥青路面结构组合上虽有所改进，但半刚性材料仍是常采用的基层和底基层材料。2.2国外典型结构示例国外沥青路面结构设计方法经过几十年的完善，已经提出了比较成熟的设计方法，并且许多国家提出了典型结构设计方法，表1给出了法国典型结构一个范例。表1土的等级交通等级PF1PF2PF3To(750-2000)7BB+7BB+25GC+25GC7BB+7BB+25GC+20GC7BB+7BB+25GC+25GCT1(300-750)8BB+25GC+25GC8BB+25GC+20GC8BB+20GC+20GCT2(150-300)6BB+25GC+22GC6BB+22GC+20GC6BB+20GC+18GCT3(50-150)6BB+22GC+20GC6BB+18GC+18GC6BB+15GC+15GC注：(1)交通等级栏下括号内的数值指一个车道上的日交通量，以载重5t以上的车计⑵PF1,PF2和PF3指土的种类和土基的潮湿状态，PF1相当于一般的土基；(3)BB指沥青混凝土，GC指水泥粒料；(4)表中数字单位为cm。一些国家在高等级公路上实际采用过的半刚性基层沥青路面结构见表2。一些国家在高等级公路上实际采用过的半刚性基层沥青结构表表2国家沥青层厚度(cm)半刚性材料层厚度(cm)备注日本20〜30水泥碎石，30〜20荷兰20〜26水泥碎石，40〜15西德30贫混凝土，15另有防冻层

英国9.5〜16.9贫混凝土，15另有底基层瑞典12.5水泥粒料南非17.5水泥砂砾，30西班牙8水泥粒料当前的规定其它高速公路路面结构沥青路面典型结构设计 表3道路名称长度(km)路面结构面层(cm)基层(cm)底基层(cm)广佛路15.74中粒式5细粒式25水泥碎石或31水泥石屑25-28水泥土沈人路3754中粒式5细粒式6沥青碎石25水泥碎石京津塘142.55中粒式6细粒式12沥青碎石25水泥碎石30石灰土京石144中粒式8沥青碎石15一灰碎石40石灰土济青路15-18开级配中粒式38-40一灰碎石42石灰土正在建设的沪宁高速公路路面结构如表4。表4标段结构层A1B4B5B7C1C4C5C2D1D6D7D9E1E5F1F6F7G1G2G4G5G6面层1616161616161616161616ACACACACACACACACACACAC基层3030252540383020182020LFALFALFALFALFALFALFALFALFALFALFA底基层3030333318203340364040LFLFSLSLFSLFLFSLFSLFSFSLFSLFD注：AC-沥青面层（4cm中粒式，6cm粗粒式，6cm中粒式）；LFA-二灰碎石，LF-二灰，LS-石灰土；LFS-二灰土，LFD-二灰砂。国内七•五期间修筑的主要几条试验路的结构、实体工程及正在建设的一些高等级公路的结构表明，半刚性基层是沥青路面最主要的结构类型，同时，不同设计人员所提出的结构组合相差较大，甚至，对同一条路，不同设计单位设计的路面结构相差也很大。因此，根据设计与施工经验提出的适应不同地区的典型结构具有一定的理论意义和实践意义。3路面结构调查典型结构调查要求选择的路线及路段具有典型性，公路等级要求是二级或二级以上的半刚性基层沥青路面，施工质量达到一定的水平，或者由专业队伍承担施工任务。施工质量检查比较严格，如有相应的试验路段，尽可能根据当时试验目的及原始测试数据进行跟踪调查。选择的调查路段使用年限应达到三年以上，并有一定的交通量。路段应包括不同的路基结构（即填控情况）不同的地带类型，不同的路面结构（含不同材料和不同厚度），不同的使用状态（如完好，临界和破坏）和不同的交通量。被选择的路段的基层结构应符合《公路路面基层施工技术规范》的规定，即不是用稳定细粒土或悬浮式石灰土粒料做的基层。路段长度在100〜500m之间。为此，浙江、江苏和安徽分别选择320国道嘉兴段，104国道萧山段，206国道淮南段，205国道马鞍山段，合蚌路，312国道镇江、无锡、苏州段，310国道新墟段、徐丰线进行全面的调查和测试。根据选择路段的基本情况，本次典型结构调查路段选择具有以下特点：反映了不同地区，不同的道路修建水平；反映了不同地区，不同的路面结构组合类型；包括了表处，贯入式等一般二级公路采用的结构，也包括了高速公路采用的结构；包括中间夹有级配碎石连结层的路面结构；反映了经济和地区水平的差异；包括了不同地区主要使用的半刚性基层材料。路段测试内容及测试方法本次路况测试主要包括：外观、平整度、车辙、弯沉、摩擦系数及构造深度。外观测试是裂缝、松散、变形等破坏的定量描述；弯沉由标准黄河车(后轴重10t)及5.4m(或3.6m)弯沉仪测试；摩擦系数由摆式摩擦系数测定仪测试；构造深度由25ml标准砂(粒径0.15〜0.3mm)摊铺得；平整度为3m直尺每100m路段连续测10尺所得统计结果；车辙是3m直尺在轮迹带上所测沉陷深度。数据采集方法合理性检验。由于实测数据存在偶然误差，因此，在进行误差分析之前，须去除观测数据中那些不合理的数据，代之以较合理的数据，进行合理性检验。实际工作中常用30原则和戈氏准则，30原则较近似，戈氏准则较合理。代表值的确定。代表值是在最不利情况下可能取得的值：X=x±as ⑴式中：a为保证率系数；x为均值；s为标准差。97.7%的保证率，a取2.0；95%的保证率，a取1.645。在后面计算中，代表值确定如下：弯沉取；平整度、车辙为；摩擦系数、构造深度为X=-1645S。路面使用品质分析平整度根据公路养护技术规范，不的道路等级对平整度有不同的要求。但本次调查结果表明：各路段的平整度与结构层组合与施工组织状况有关。由于选择路段路面结构使用了沥青贯入式，沥青贯入式是一种多孔隙结构，整体性较差，在行车荷载的重复作用下被再压实，导致纵向出现不平整现象。同时施工时各层纵向平整度的严格控制对路面表面平整度控制有十分重要的意义。车辙沥青路面车辙是高等级公路重要病害之一。国外设计方法中AI法以控制土基顶面压应变为指标，shell设计方法则通过分层总和法直接从沥青面层厚度及面层材料诸方面控制车辙。我国还没有采用车辙指标，作为设计控制值，而是通过材料动稳定度或其它指标达到减少车辙的目的。对半刚性基层沥青路面，由于土基顶面压应力较小，在重复荷载作用下土基产生的再压实的剪切流动引起的。在调查路段，沥青贯入式结构由于其级配较差，在重复荷载作用下极易产生剪切流动和再压实，同时其高温稳定性较差，调查路段车辙量较大。3.3.3抗滑能力沥青路面抗滑性能评价方法主要是测定面层的摩擦系数和纹理（构造）深度。沥青面层纹理深度与矿料的抗磨能力（磨光值指标）和沥青混合料高温时的内摩阻力和粘聚力有关。纹理深度达到要求必须合理选定矿料级配、沥青材料满足高等级道路石油沥青技术标准。调查路段面层矿质材料为石灰岩，磨光值只有37左右，达不到高等级公路和大于42的要求。面层磨擦系数普遍较小，不满足抗滑性要求。路面结构强度分析调查路段经过两年的弯沉及交通量实测，结果表明：不同调查路段由于承受的交通量不同，虽然路面结构相同，但强度系数不同。因此，只有根据强度系数才能判别路面结构是否达到使用寿命。同时，有些路段其路面结构组合及厚度明显不符合设计要求或施工质量较差，因此必须调整设计厚度及结构组合。沪宁高速公路无锡试验路综合调查沪宁高速公路无锡试验路段是本次调查唯一针对高速公路特点的路面结构，通过近三年的运行和观察，对高速公路设计与施工提出了许多有益的结论。⑴半刚性基层路段弯沉在(2.13〜8.25)(l/100mm)范围，级配碎石段(X、XI)弯沉为0.122mm和0.135mm,但在裂缝边缘弯沉值明显大于没有裂缝处的弯沉，裂缝边缘弯沉最大达20(1/100mm)。因此，在试验路段弯沉绝对值能满足高速公路强度要求，但必须注意裂缝对半刚性路面结构强度影响。路面平整度基本没有改变，并能满足要求。1994年夏季高温持续时间长，对沥青路面高温稳定性提出了严峻的考验。1994年观测结果表明，试验路段车辙较1993年基本没有变化。路表面在行车碾压作用下，行车带渗水很小或根本不渗水。从路面构造深度和摩擦系数二方面分析，面层摩擦系数较1993年减少约(9〜14)，在1993年新铺路段，摩擦系数从65.4(LK-15A),61.9(LH-20I')分别减少到35.4和32.0，减少约30。对同一级配来说，LH-20I'玄武岩径一年行车碾压后的摩擦系数值比行车碾压二年后砂岩(LH-20I')的摩擦系数值还要小，说明玄武岩的抗摩擦能力小于砂岩。对LK-15A加铺层段，LK-15A段的摩擦系数LH-20I'加铺层路段摩擦系数大。对比英国产摩擦系数仪，英国产摩擦仪测试结果较国产摩擦仪增大范围是：(16.6〜23.65)平均约21.0，其回归关系式为f上=1.13Xf东+16.9。式中：f上为上海测试值；f东为东南大学测试值。半刚性路面裂缝较为严重，经二年运行，裂缝间距宽约为70〜90m，窄的约为15〜25m。裂缝宽度在1〜10mm之间。而在'层的开裂是面层开裂的主要原因。调查路段综合结论本次调查涉及高速公路结构，一级公路、二级公路，因此，调查工作可靠，对提出典型结构具有指导意义。调查路段路面结构有许多贯入式结构。虽然这种结构整体稳定性不好，但调查结果表明，由半刚性材料引起的反射裂缝也相应减少。对高速公路路面结构，面层厚度12〜16cm，基层底基层厚度50〜60cm。对一级公路路面结构，面层厚度8〜12cm，基层底基层总厚度40〜55cm1。对二级公路路面结构，面层厚度6〜10cm，基层底基层厚度35〜45cm。4土基等级划分土基是影响沥青路面结构承载能力、结构层厚度和使用性能的重要因素。土基的强弱直接影响路表弯沉值的大小和沥青路面使用寿命的长短。路面力学计算结果表明，沥青路面的回弹弯沉值绝大部分是由土基引起的。合理划分土基等级，保证土基施工质量对路面弯沉控制有重要的意义。《柔规》规定土基必须处于中湿状态以上，Eo的建议值根据土的相对含水量及土质确定。实际上，土基的回弹模量(Eo)值随土的特性、密实度、含水量、路基所处的干湿状态以及加荷方式和受力状态的变化而变化。土基回弹模量Eo值规定以30径刚性承载板在不利季节测定、在现场测定。柔性路面设计规范中的Eo建议表，就是根据全国各地旧路上不利季节在路面完好处，分层得出E1，E0，并在土基测点中心钻孔取土测pd、WWP,同时用手钻在板旁取W校正，得出80cm范围内的平均值，整理得出EP的建议值。该表采用6g锤的液限值，现改用100g锤测定液限。如果用相对含水量确定土基的回弹模量，对重型击实标准，可将原建议值提高30%。如华东地区中湿状态土基加强弹模量最小值23MPa。则高等级公路路基的回弹模量最小值为23X1.3=30MPa这再一次证明土基回弹模量低限取30MPa是合理的。如果路基回弹模量最小值达不到要求，要求采取某种处治方法进行处治。第二种确定土基回弹模量的方法是通过压实度和土的稠度来计算土基的回弹模量。对比土的相对含水量与稠度的关系曲线，当Wc=1.0,0.75和0.50时，相当于地下水对路基湿度影响有关的临界高度的分界相对含水量W1、W2、W3,即当WCV0.5时，相当于过湿状态，Wc=0.5〜0.75时，相当于潮湿状态，Wc=0.75〜1.00时，相当于中湿状态，Wc>1.00时，相当于处于干燥状态。土基强度等级划分结果表明：必须使土基处中湿成干燥状态，否则要作适当处理。如果根据CBR确定土基回弹模量，则第三种方法根据室内试验，用E0=6.4CBR确定土基回弹模量值。综上所述，土基强度等级划分为S1、S2、S3三个等级与各参数间相互关系见表5土基强度等级表5土基强度等级回弹模量范围(MPa)承载比范围(CBR)S130〜454.5〜7.0S245〜657.0〜10.0S3>65>10.05交通量等级的划分影响一条公路的交通量的因素既多又复杂，每个因素的不确定性又较大。因此，不可能较准确地知道公路开放时的平均日交通量，也不可能较可靠地确定交通组成和各自的平均年增长率。其结果是实际交通量与路面结构设计时预估的交通量有很大差异。高等级公路交通量取值范围高等级公路泛指二级汽车专用道以上的公路，二级汽车专用道第一年日平均当量次最小值一般为500，如以8%的增长率增长，15年累计作用次，对于小于该作用次数的公路将不作高等级公路处理。对高速公路而言，通行能力（混合交通）应大于25000辆/日，标准轴次一般为6000〜8000辆/日，因而，若以5%的增长率增长，5年最大累计作用次数一般为15〜1806次左右。划分办法及具体结果交通等级划分将以累计标准轴载作用次数对容许弯沉的均等影响为依据进行划分。交通量等级划分结果见表6。交通等级划分结果表6注：第一年日平均当量轴次由标准累计作用次数计算得，设计年限取为15年，增长率取为8%,且以单车道计。6典型结构图式典型结构推荐的基本原则结合调查路段的路面结构和实际的使用状况,以及国内外半刚性基层沥青路面实体工程设计成果,半刚性基层沥青路面的承载能力主要依靠半刚性基层。因此承载能力改变时主要通过改变基层的厚度来实现。沥青面层的厚薄主要考虑道路等级(交通量)的影响,为此,可得出半刚性基层沥青路面典型结构沥青面层、基层、底基层厚度改变的基本原则。沥青面层总厚度控制在6~16cm。对相同交通等级，不同的路基等级，基层(或底基层)厚度不同，不同的交通等级，相同的土基等级改变沥青面层的厚度。基层(或底基层)厚度变化尽可能考虑施工因素，即施工作业次数最小。不同的交通等级，主要改变基层或底基层的厚度，并且综合考虑造价因素。材料选择应结合华东片区实际，基层采用二灰碎石和水泥稳定粒料，底基层则采用石灰土和二灰土(二灰)为减少面层开裂，推荐结构提出采用级配碎石过渡层。半刚性基层沥青路面典型结构根据参数分析，推荐的基本原则及国内外路面结构设计原则，对半刚性基层沥青路面共推荐60种典型结构，供有关单位设计时直接选用，表7是其中之一。交通量土基强度等级T1T2T3T4S18〜10AC20LFGA30LFS10〜12AC20LFGA35LFS12〜14AC20LFGA37LFS14〜16AC20LFGA40LFSS28〜10AC18LFGA30LFS10〜12AC20LFGA30LFS12〜14AC20LFGA32LFS14〜16AC20LFGA35LFSS38〜10AC20LFGA20LFS10〜12AC18LFGA30LFS12〜14AC18LFGA32LFS14〜16AC20LFGA32LFS注：AC——沥青混凝土；LFGA——二灰碎石；LFS——二灰土。构推荐和验算的几点说明典型结 (1)沥青面层厚度在8〜15cm之间，这主要根据调查结果及我国道路建设的现状和水平。基层和底基层的厚度充分反映了结构的受力特性和结构层的经济合理性要求。推荐的底基层厚度在三种验算方法计算厚度之间，并反映了