非對稱路面結構在高速公路路面設計分析

文/蔣明、黃升

1 前言

路面結構層是路面中各個鋪設層的部分，根據所處的位置和作用不同，可以分為面層、基層與墊層。路面在運營中，因為車輛荷載的逐步作用和自然條件的影響，導致一定深度范圍內影響比較嚴重，威脅到整個結構的性能。因此在路面鋪設施工階段，需要將材料性能好的用于上層結構中，材料品質差的需要將其放在受力面積小的位置上，從而提高整體結構的性能。

2 路面結構層簡述

2.1 面層

2.1.1 剛度和穩定性

面層為路面最上方的一層結構，在運行中，車輛的作用力、重力荷載等直接作用造成了該結構部分的影響很大。同時自然降水、環境溫度產生變化，在一定的范圍內給路面結構產生一定影響，使整體承載力滿足不了設計規范要求。因此，面層在路面施工中最為重要的一方面就是質量的管理。此外，面層和其他結構層進行對比分析，它存在的特點是比較明顯的，無論是在深度或是強度還是耐久性上，都比普通的施工方式要好，所以要提起足夠重視。

2.1.2 瀝青面層

瀝青面層很多情況下都會包含2～3 層，表層一般稱為磨耗層。其主要作用在于將水平面的磨損力抵消，提高整體結構性能。中面層與下面層是瀝青的主要結構部分，能夠保護面層結構，提升結構強度性能。

2.2 基層

一般而言，基層主要處于面層下部位置或是路基結構的上部位置地方?；鶎拥淖饔镁褪浅休d面層傳輸下來的車輪垂直力，同時將該力量傳輸到下層。此外，基層在一定的程度上，還會受到地下水滲漏水產生的腐蝕影響，所以在進行基層鋪設施工環節過程中，需要選擇具備強度、高性能好抗水性良的材料作為基礎材料。就目前而言，在基層鋪設施工材料中常見的材料有石灰材料、瀝青材料、水泥材料等等。這些材料的應用效果比較好，并且在基層施工的過程中可以按照上基層施工底部基層施工兩個位置進行施工，對于上基層施工它的承載力很大，因此在進行基層施工上選擇的材料強度需要按照實際的要求選擇。而在基層下部結構施工的過程中，其主要產生的是輔助作用，對于材料的選擇性比較高。所以應該保證在合理的范圍內，底基層的鋪設材料逐步放寬，有效降低施工成本，達到交通運行的需要[1]。

2.3 墊層

墊層主要位置在基層與土基層結構位置上，墊層的主要目的在于排水、隔水隔溫。在一定程度上將傳遞下來的荷載分散，提高整體路基的強度。在具體施工過程中，對于不同的位置需要設置不同結構的墊層。當路基穩定狀態不穩定時需要設計，而在墊層施工的過程中材料長度選擇的要求不是很高的情況下，只要滿足隔水隔溫的要求即可。通常情況下，都會就近選擇施工材料，應用一些松散度較高的顆粒材料，或者是應用水泥或者石灰煤渣的方式進行。值得注意的是，在采用松散透水性能比較高的材料進行下部結構施工的時候，需要在其位置下設置相應的過濾層，減少外界滲漏水產生的影響，提高整體路面結構的穩定性。

3 非對稱路面結構設計

非對稱路面結構，設計時必須嚴格按照公路路面設計技術標準和構造基礎原理進行，一般需要在雙圓的垂直分布荷載影響下，形成多層彈性結構體系，確保彎沉值再試驗處理，并且需要進行面層、基層、底基層部分實現拉應力的檢測，達到結構性能的使用標準。

3.1 彎沉值的相關計算

在進行彎沉值計算的過程中，需要將彎沉值控制在理想的狀態之上，并且按照車道運行累計次數以及面層還有基層的要求進行控制，達到車輛運行對路面產生負載的要求。一般來說，在標準軸載100kN 的作用下，能夠檢測確定出最大回彈彎沉值數據。

3.2 軸載的換算

軸載換算的過程中，按照我國現有的規范技術要求，以雙輪單主軸的方式進行計算，路面設計標準軸載為雙輪組單軸載100kN，使用BZZ-100 表示。通過和對稱路面設計做出分析，該結構形式在設計中根據上行線和下行線中交通量的不同進行設計，并且需要在各自的設計年限中累計當量軸次以及設計彎沉值完成計算，根據彎沉值實現上行線和下行線的路面厚度計算確定，對瀝青混凝土面層以及半剛性材料基層與底層部分的拉力進行詳細計算分析，保證結構的性能符合標準要求。

4 非對稱路面結構設計方案

4.1 軸次和彎沉值設計計算

路面設計時，進行軸次的數據估算，通常情況下所應用的非對稱結構設計中上行線與下行線中的車道累計單量軸次有著很大的差異。因此，應該通過估算下的車道應用年限內進行車道累計單量軸次作為基礎進行計算，分別確定各自的彎沉值數據。例如，某設計年度車道累積的單量軸數量為5.6×107 次，那么在進行彎沉值計算時，則需要按照16.9（1/100mm）要求計算；當下行線車道累計量次為3.54×107 次時，計算要求則按照18.5（1/100mm）進行。通過對確定數據分析可知，在上下行線路的單量軸計算的過程中，其差異值為2.06×107 次[2]。

4.2 路面結構層厚度的計算

在路面結構層厚度計算的過程中，需要考慮路面層的荷載問題。同時，按照累計軸次與彎沉值數據的要求，根據非對稱路面結構計算，計算后就能夠得到路面結構厚度尺寸。

4.2.1 上行線采用4cm 且采用材料為SBS 瀝青混凝土材料時，配合8cm 的AC25 型號混凝土材料作為面層結構，同時配置52cm的水泥穩定碎石，使其能結合為復合型結構。

4.2.2 行線設置主要采用的是4cm 中型的SBS 材料與8cm 的瀝青混合料配合施工，同時加上水泥穩定碎石基層（47cm）與碎石墊層（20cm）作為結構層。從具體的應用實際情況分析，發現本次設計中的各個層都能夠達到性能的要求和交通的運行需要。

5 非對稱路面結構組合設計要點

5.1 各結構層荷載應用分布特點

新建設路面在正常運營后，各個結構部分承受比較大的荷載，而荷載的大小會伴隨著路面結構層深度的增加而逐步增大。因此，在設計的過程中，必須要結合不同層的使用需要選擇合適的施工方案，達到公路運行荷載的需要。在路面結構的設計中，根據強度從上到下逐步遞減的方式組合設計，這種方式的確定可以通過非對稱的路面結構層設計，取得非常好的效果。同時利用這種設計方式，在今后的施工中，讓材料的選擇更加順利進行，滿足就地取材的目的要求，保證成本控制在合理的范圍內，保護項目的經濟效益。在非對稱路面組合材料以及構件重新組合設計過程中，應該分析材料變化規律。如果發現路面層模量關系相對比較特殊，應該全面控制各個層的拉應力；如果差值超過材料的承受力范圍，就說明該結構出現了斷裂的問題。因此，應該加強各個設計參數的控制?？紤]到設計方案的實際情況，土基在基層模量比設計中，應該保證其參數值設定在0.08～0.40之間，基層和面層的回彈模量比應該限定在0.3 以內，實現非對稱的路面結構組合優化設計中拉應力的全面控制。結合具體的結構層形式，采用符合要求的施工材料，充分了解各個結構層變化的實際情況，最終保證組合設計方案符合要求。

5.2 各結構層特性以及相互影響

從非對稱結構方面分析，其結構中包含很多的材料，在不同的層面中應該使用不同的施工材料，所以材料的強度性能也會給組合層的性能產生比較大的影響。在進行組合設計環節，要分析不同材料所產生的影響，避免出現結構層的差異排除。對新建設的瀝青混凝土路面結構形式分析，都會應用水泥、石灰等材料。該材料溫度會產生相對較大的影響，如果施工工藝有明顯問題存在，就會出現裂縫問題。因此，在設計中必須要采取必要的應對措施，防止基層材料收縮帶來影響。比如在設計中增加部分細料的比例，或者是增加結合料的含量，能夠有效消除反射裂縫的問題。此外，在設計環節，還應該適當增加面層的厚度，或者是根據需要增設瀝青碎石緩沖層等形式。對于潮濕或者黏性的路基結構來說，不能直接進行鋪設施工[3]。在具體操作中，可以選擇合適的路基頂面設計方式，布置土工各層，防止出現摻雜而導致不同層污染的問題。在組合設計階段，各個層都要達到緊密度的要求，避免存在滑移的問題。瀝青面層、半剛性基層和粒料之間應該有相應的透水層，根據技術標準布置多層瀝青材料，符合設計標準，提升工程的質量水平。

6 非對稱路面結構組合設計原則

在非對稱路面結構實施組合設計時，除了應該綜合分析各個結構層的特點之外，還應該根據如下的基本原則開展設計。

6.1 適應行車荷載作用的要求

對形成荷載的作用下給路面造成的應力影響，在路面結構組合設計中，應該根據路面強度與剛度性能自上到下逐步遞減的規律實現路面的分層處理，并且需要考慮到施工工藝、材料規格等方面，層數的控制達到合理性的要求，厚度要符合結構層的標準，不會影響結構性能。

6.2 優選材料的原則

在具體的設計中，為了切實保證非對稱路面穩定性合格，在基層材料的選擇中，應該保證材料性能符合標準要求。如果該地區是季節性冰凍區域，應該在路面結構上布置有翻漿墊層和防止凍脹墊層結構，設計中保證總體的厚度達到基本要求，提升防凍厚度的標準要求。

6.3 滿足各個結構層各自的特點

新建設路面在結構組合設計環節，為了讓整個結構層之間的設計達到連續性的要求，應該進行各個結構之間緊密度的控制，保證路面結構組合設計中，達到結合面耐久性、基層結實、穩定性的標準和綜合性能的要求[4]。

7 非對稱路面結構設計的優缺點

7.1 優點

在非對稱路面結構設計中，上行線與下行線的路面結構設計的厚度應該根據交通道路通行量和結構承載性能設計，防止重載車輛受到嚴重影響導致結構損壞，同時還應該盡量減小輕載車輛的道路厚度，實現成本降低。該結構形式應用到運輸距離比較長、載重量比較大的煤礦以及建筑材料的運輸道路上，可以產生更好的效果。

7.2 缺點

非對稱路面結構形式有著較高的針對性，這就說明使用范圍也會受到較大的影響，并不是所有的高速公路都能夠使用非對稱的路面結構形式施工，一般都是應用到重載路面中。另外一個重要的設計方向就是輕載。因此，該結構設計方式主要是應用到豐富礦藏或者運輸重載材料的地帶中，并不會適應普通的高速公路項目[5]。

8 結語

總體而言，在非對稱路面結構設計的過程中，需要考慮到路面的排水性能與車輛通行荷載的性能，在設計上對設計方式進行創新。高速公路的路面設計不能僅僅使用某一種路面結構形式，而是需要充分考慮到實際情況，結合自然環境、地質條件等因素，考慮到交通量、運輸荷載等選擇合適的結構形式，保證公路工程的質量，降低建設成本，有著較高的經濟價值和社會價值。