原创半刚性基层沥青路面典型结构设计

1、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， 对半刚性关键词：半刚性 基层 沥青路面 结构设计1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

2、， 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 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

3、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。22.1 国外国道主干线基层的结构特点（1）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(2) 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(3)

4、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2.2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)6

5、BB+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 (2)PF1，PF2和 PF3指土的种类和土基的潮湿状态，PF1(3)BB 指沥青混凝土， GC(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 22.3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A1B4B5B7C1C4C5C2D1D6D7D

6、9E1E5F1F6F7G1G2G4G5G6面层161616 AC16 AC16161616161616ACACACACACACACACAC基层30 LFAL3F0AL2F5AL2F5AL4F0AL3F8AL3F0AL2F0A18 LFAL2F0A20 LFA底基层30 LFL3F0SL3S3L3F3SL1F8L2F0SL3F3SL4F0S3F6SL4F0S40 LFD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-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

7、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3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

8、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 100500m 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、(1)(2)(3)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；(4)(5)(6)包括了不同地区主要使用的半刚性基层材料。3.1 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

9、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3.2 数据采集方法（1）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，须去除观实际工作中常用 3 原则和戈氏准则， 3（2）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 式中： 为保证率系数；x 为均值； s97.7

10、%的保证率， 取 2.0； 95%的保证率， 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。3.3 路面使用品质分析3.3.1 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3.3.2 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

11、 A 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

12、青混合料高温时的内摩阻力和粘聚力有关。纹理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。3.4 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，3.5 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(1) 半刚性基层路段弯沉在 (2.138.25)(1/100mm) 范围

13、，级配碎石段 (X、X)弯沉为 0.1 22mm 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(2)(3) 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(4)(5)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 (914)，在1993年新铺路段，摩擦系数从 65.4(LK-15A) ， 61.9(LH-20 )分别减少到 35.4和 32.0，减 少约 30。对同一

14、级配来说， LH-20 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-20 ) 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-20(6)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 21.0f 上 =1.13 f 东 +16.9式中： f 上为上海测试值； f(7)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 2 5m 。裂缝宽度在 110mm 之间。而在 3.6 调查路段综合结论(1) 本次调查涉及高速公路结构，一

15、级公路、二级公路，因此，调查工作可靠，对提出(2) 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(3) 对高速公路路面结构， 面层厚度 12 16cm，基层底基层厚度 50 60cm。(4) 对一级公路路面结构， 面层厚度 812cm，基层底基层总厚度 4055cm1(5) 对二级公路路面结构，面层厚度6 10cm，基层底基层厚度 35 45cm4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，

16、 保证土基施工质量对路面弯沉控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 d、W WP，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 如果用相

17、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 23 1.3=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。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 W c1.00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

18、， 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土基强度等级回弹模量范围 (MPa)承载比范围 (CBR)S130 454.57.0土基强度等级表55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5.1 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

19、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 25 000 辆/日，标准轴次一般为 6 0008 000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 1 518065.2 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累计标准轴次 （次 ）第一年日平均当 量轴次 （次 ）1200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%66.1 典型结构推荐的基本原则结合调查路段的路面结

20、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（1）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）（2）基层 （或底基层 ）（3）(4) 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 )(5) 为减少面层开裂，推荐结构6.2 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。重交通道路沥青路面典型结构图 表 7注：AC 沥青混凝土； LFGA 二灰碎石； LFS 二灰土。6.3 构推荐和验算的几点说明典型结 (1)沥青面层厚度在 815cm 之间，这主要根据调查结果及我国道路建设的现(2) 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。(3) 推荐的底基层厚度在三种验算方法计算厚度之间，并反映了当前我国路面结构的现(4) 基层采用二灰碎石或水泥稳定粒料。 由材料