长永高速公路路面结构和排水方案（全面）

1、长永高速公路路面结构和排水方案论证,长沙交通学院交通设计研究所,地 理 位 置 图,热烈欢迎各位领导和专家光临指导,长永高速公路地理位置图,一、交通量论证,论证的内容： 交通量调查结果； 交通量组成； 增长率分析； 分流情况； 路面结构计算所采用的交通量。,交通量调查结果 实际调查到的交通量为：N=10496辆/日 （双向交通量）。 其中：往永安方向为：5392辆/日；往长沙方向为：5104辆/日。 交通组成 从调查的结果来看，长永高速公路上的小型车辆较多，小客车、中型客 车、小型货车所占的比例为86.09%， 大型客车、中型货车、大型货车、大型双后轴货车、中型货车加挂车、大型货车加挂车所占的

2、比例为13.91%。,交通量增长率 以湖南省交通规划勘测设计院于1993年完成的“国道319线长沙至永安公路两阶段施工图设计”文件的内容作为参考依据，具体交通量增长率为： 1997年-2011年，r=7.15%； 2011年-2027年，r=0。 以湖南省交通规划勘测设计院于2001年完成的“长沙至永安高速公路改造工程”工可的内容作为参考依据，具体交通量增长率为： 2001-2005年， r=7.3%； 2006-2010年， r=6.5%； 2011-2015年， r=5.9%； 2016-2022年， r=5.3%。,交通量分流情况 考虑的因素： 新建机场高速公路已经于2001年6月29号

3、开工，2003年完工。 临长高速公路将于2002年12月完工。 根据规划浏阳到东门的公路即将开工。 浏阳是长沙的一个重要的卫星城市，星沙是长沙市的经济开发区。 319国道对交通量的影响。 分流情况： 改造公路地处长沙东部，沿线经济发达，人口稠密，工农业生产在全省占有重要地位，其交通量的增长是不可避免的，同时考虑的319国道的部分交通量将部分分流到改造公路及规划中的浏东路的通车，将吸引部分大型车辆，由于新建的机场高速公路建成之后，将分流一部分交通量。因此在设计过程中考虑50%的小车、10%的重车分流到新建机场高速公路。增长率由于资料不多，考虑设计院的工可及原施工图设计的可靠性，我们依据不同的情况

4、，对交通量的增长率做了不同的论证处理。,路面结构计算所采用的交通量,二、旧路状况介绍：,1.旧路横断面情况 长永高速公路路基宽度为24.5m，双向四车道， 断面划分为：0.5m土路肩+2.5m硬路肩+3.75m行车道+4.0m的超车道+3.0m中间带+4.0m超车道+3.75m行车道+2.5m硬路肩+0.5m土路肩。 2.沉陷 通过对现有路面的高程调查与原路面竣工标高的对比，现在最大的沉降量为9cm，其平均的年沉降速率为1.5cm/年；考虑到初期沉降速率大于后期的沉降速率，可以认为现在路基的沉降已经基本稳定，可以不对路基进行沉降处理。 3.横坡情况 原设计的路拱横坡为：超车道、行车道、硬路肩的

5、横坡为1.5%；土路肩横坡为3%。通过对现有的路拱横坡进行实测，发现路拱横坡均小于1.5%，且在路基横断面上出现横向不均匀沉陷。横断面的情况如下图。,横断面图,横断面图,横断面图,不同横坡、不同调平层厚度时旧混凝土板处理与调平层费用估算表,在调平层设计过程中，建议采用调平层厚度为6cm（平均厚度5.73cm）、路拱采用三次调坡（即调平层采用1.7%的横坡，下面层采用1.9%，上面层采用2.0%）的结构形式。,4.板破损情况,路面板的损坏情况评定,主线总调查19005块水泥混凝土板，其中折算为较大损坏的板数为4670.5块板，破损率为24.5%，按标准路段评定为差，即路面质量状况不好，暴露出多种

6、问题，只有加强养护才能维持使用。,水泥砼路面的表面功能状况,路面的平整度较差，需要进行罩面以提高路面使用性能,水泥砼路面的抗滑性能状况 路面磨光不严重，摩擦系数大于规范的要求,水泥砼路面的面板厚度情况,板厚度的在雷达测定时，表现不均匀，这对板的应力分布是非常不利的。,水泥砼路面板的强度,换算得混凝土板的抗折强度为4.85Mpa，小于设计强度5.0Mpa。,旧路路面各层模量的计算结果,注：表中的数据为非不利季节测定结果。,5、土基、基层情况,土基和基层长期处于一种饱水状态 ，强度低，不均匀。,调查结论,1.板与基层之间的脱空严重，所占的比例为68%左右。 2.断板较严重，所占的比例为5.58%。

7、 3.混凝土板的强度不均匀，变异系数太大。 4.基层强度较低，变异性较大。 5.路面结构内部长期处于饱水状态，路基模量低。 6.路面整体评价状况为差。 7.原路面的横坡不均匀。,长永高速混凝土板处理统计表,三、罩面层厚度设计方法,1美国沥青协会(AI)的弯沉法 美国沥青协会(AI)认为旧面层接缝(或裂缝)处的弯沉量和弯沉差是引起沥青加铺层开裂的主要原因，因为轮载的施加速度远高于温度变化产生的面层板伸缩位移的速率。因而，此方法以控制接缝或裂缝处的板边平均弯沉量和弯沉差为设计要求，其标准为： 接缝(或裂缝)两侧的板边弯沉差 （L-U）0.05mm 接缝(或裂缝)两侧的板边平均弯沉值（L+U）203

8、6mm. 其中，L和U相应为受荷板和非受荷板的板边弯沉值，由80kN轴载和贝克曼梁测定。 利用本方法计算得到沥青加铺层所需厚125mm，加铺后的平均弯沉量和弯沉差均超过容许值，因而，除了加铺125mm沥青面层外，还需采取其它措施减小板端的弯沉量和弯沉差，例如，板下水泥灌浆封堵空隙等。,2美国陆军工程师部队(COE)的补足厚度缺额法,美国陆军工程师部队(COE)采用与水泥混凝土加铺层设计相同的概念补足厚度缺额，依据强化试验路的观测和分析结果，于50年代中期提出了一个水泥混凝土面层上加铺沥青层的经验厚度设计公式： hov=A ( F hd h ) =3.0 (1.0220.7524) =12cm

9、COE在强化试验期间观测到，沥青加铺层下的混凝土板在荷载作用下逐渐开裂，并继续发展到板碎裂成为046m2065m2的小块。随后，路表弯沉随荷载作用而急剧增长，并在地基内出现剪切破坏。设计公式以未出现小于上述尺寸碎块的完全破坏为标准。为此，在公式中引人了系数F。,3美国AASHTO经验法 美国AASHTO的路面设计指南也采用补足厚度缺额的概念确定沥青加铺层的厚度，但放弃了F修正系数的考虑，也即不考虑加铺后旧混凝土面层板的进一步开裂。其设计公式为： hovA(hdhf) hf=cbj cbd cbf h 于是有：hf0.80.890.9424 16.06cm A22233十0.00153(2216

10、.06)0.0604(2216.06) 1.919 hov1.919(2216.06) 11.40cm,4.按沥青路面规范进行计算,四、路面结构方案比选,1、加铺层设计的原则 (1)表面抗滑性； (2)高温稳定性； (3)水损害问题； (4)泛油问题； (5)延缓和减少裂缝。,2、加铺层层结构沥青面层方案 （1） 沥青的选择 利用美国Superpave的研究成果，对湖南长沙地区所采用的沥青进行选择，必须采用PG70-16沥青。基于湖南高温季节时间较长，由于沥青混合料的散热性能不好，从而使沥青路面结构层内部长期处于高温状态，要求沥青面层内部的高温稳定性更高，因此建议采用双层改性沥青。 （2）上面

11、层沥青混合料类型的选用 SMA方案 SMA这种以沥青、矿粉和纤维稳定剂做结合料的间断级配沥青混合料，既具备开级配混合料的嵌挤能力，提高抗车辙能力和抗滑阻力，又具备密级配混合料的优点，空隙率小、沥青用量多，提高疲劳寿命和抗水损害能力。对湖南长沙高温多雨、潮湿地区尤其适用。 AK-13方案 AK-13是根据I沥青混凝土和II沥青混凝土颗粒组成的特点，结合在一起形成一种新矿料级配，具有构造深度较深，空隙率和透水性都小的特点，同时具有较好的抗形变能力。 SMA在国内还没有得到广泛的应用，施工技术还不成熟，质量得不到有效得保证，且造价较高（SMA比AK-13增加费用为253531元/km）。而AK-13

12、的施工技术较成熟，并且得到了广泛的利用，成本低。对AK-13利用Superpave的级配思想，可以得到更满意的路用性能。,(2)下面层AC-20I方案 AC-20I密级配沥青混凝土具有较小的空隙率和较小的透水性，透水性小和耐久性好是沥青混凝土的优点。在利用原AC-20I沥青混合料优点的基础上，结合Superpave设计思想，提出适宜的材料配合比设计。,方案一,方 案 一 每千平方米材料用量表,（3）路面结构方案比较 1、方案一： 方案一的面层和下面层结合湖南省的气候条件，路面结构具有透水性小（密实性好）、水稳定性优的特点，能足以抵抗自然因素和行车荷载的能力，因此，它的使用寿命长，耐久性好。特别

13、适应高温和温差变化较大的区域使用，由于整个结构采用透水性小（及孔隙率小）的结构，提高其水稳定性，对于湖南长沙的降雨量大的地区有其明显的优点。 采用沥青混凝土作调平层（平均厚度为5.73cm），具有密水性和抗疲劳性能好的优点。众所周知，沥青混凝土的孔隙率的大小与沥青混凝土的抗疲劳性能有较大的关系，孔隙率小，其抗疲劳性能好，沥青混凝土的用油量大，其抗拉强度较高，低温性能较好。 采用AC10的整平层，具有其密水性好，并且为防水土工布铺设提供了较好的施工平台，使土工布铺设平整创造了条件。使土工布在以防水为主要功能的前提下，起到了延缓反射裂缝的控制效应。,方 案 二,方 案 二 每千平方米材料用量表,2

14、、方案二： 采用级配碎石作调平层，具有透水性好、水稳定性好、强度不随温度变化等优点，但其整体强度小，使面层底部的拉应力增大，从而使沥青混凝土的抗疲劳性能降低，整个结构的疲劳寿命缩短，降低其使用周期。同时，由于其刚度小，易产生永久变形，使面层易形成车辙，降低路面的使用功能。 在采用级配碎石作调平层时，由于旧路面有接缝，为使雨水不进入旧路面结构，必须使级配碎石在整个路幅进行铺设，同时，也必须在级配碎石底部设置整平层和防水土工布，以免雨水下渗于旧混凝土板中。 在此方案中，采用15cm级配碎石调平层，从而使沥青面层的厚度达到了15.5cm，考虑由于路拱的不均匀沉降问题，所需的调平层的平均厚度为22cm

15、，而对于长永路目前的情况，有10座天桥的净空不能满足要求，如按此路面结构进行施工，则天桥抬高的难度大、工程量也较大。,方案三,方 案 三 每千平方米材料用量表,3、方案三： 采用级配碎石作调平层，具有透水性好、水稳定性好、强度不随温度变化等优点，但其整体强度小，使面层底部的拉应力增大，从而使沥青混凝土的抗疲劳性能降低，整个结构的疲劳寿命缩短，降低其使用周期。同时，由于其刚度小，易产生永久变形，使面层易形成车辙，降低路面的使用功能。 在采用级配碎石作调平层时，由于旧路面有接缝，为使雨水不进入旧路面结构，必须使级配碎石在整个路幅进行铺设，也必须在级配碎石底部设置整平层和防水土工布，以免雨水下渗于旧

16、混凝土板中。 在此方案中，采用10cm级配碎石调平层，从而使沥青面层的厚度达到了13.5cm，考虑由于路拱的不均匀沉降问题，所需的调平层的平均厚度为17cm，而对于长永路目前的情况，有10座天桥的净空不能满足要求，如按此路面结构进行施工，则天桥抬高的难度大、工程量也较大。,方案四,方 案 四 每千平方米材料用量表,4、方案四： 采用水泥稳定碎石作为调平层，是因为水泥稳定碎石具有良好的整体性、足够的力学特性、抗水性和耐冻性。其初期强度较高，且随龄期增长而增长，应用范围很广。但由于水泥稳定碎石是一种半刚性结构层，其在强度形成过程中，不可避免的会产生收缩裂缝，裂缝在荷载与温度作用下会产生反射裂缝，在

17、湖南长沙多雨的条件下，会使沥青路面产生水损害，使路面出现早期破坏，降低路面的使用寿命。另外，由于水泥稳定碎石的刚度大，变形能力小，对于延缓旧水泥砼板的接缝反射是不利的。 用水泥稳定碎石作为调平层，根据公路沥青路面设计规范（JTJ014-97）的计算结果，所需的路面结构为：4cm细粒式沥青混凝土（AK-13）+3.7cm中粒式沥青混凝土（AC-20）+15cm水泥稳定碎石+旧水泥混凝土板，但在高速公路中，对于半刚性基层上的沥青路面厚度最小要求12cm，水泥稳定碎石的最小厚度为15cm。因而，在采用水泥稳定碎石作调平层的结构应为4cm细粒式沥青混凝土（AK-13）+8cm中粒式沥青混凝土（AC-2

18、0）+15cm水泥稳定碎石+旧水泥混凝土板，加铺层结构的最小总厚度为27cm。而对于长永路目前的情况，有10座天桥的净空不能满足要求，如按此路面结构进行施工，则天桥抬高的难度、工程量较大。,方案五,方 案 五 每千平方米材料用量表,5、方案五： 采用沥青碎石作为调平层，用沥青材料作为胶结料，增强了矿料间的粘接力，提高了混合料的强度和稳定性，沥青碎石比级配碎石的强度高、刚度比水泥稳定碎石小。是优于级配碎石和水泥稳定碎石的结构。根据国内外的研究表明，沥青混合料的孔隙率为6%10%时，与沥青混凝土相比，其抗水损害的能力差。目前，国内专家普遍认为沥青碎石的路用性能不好，表现在其抗拉能力小，疲劳寿命短，

19、水损害严重，不适应高速公路的使用。而且，该结构是我国在早期轻交通条件下发展起来的一种严重违背沥青混合料级配组成原则的结构（它既不是采用密实原则，也不是采用嵌挤原则），在国外，也不存在相同的沥青混合料。由于沥青碎石的孔隙率较大，老化很快，影响该路面的耐久性。 采用沥青碎石作为调平层的设计方案，比采用沥青砼的水稳性、抗疲劳性能和耐久性要差很多,（4）路面结构方案的经济比较,结 论 通过以上计算分析比较，我所认为采用方案一是比较适合于该路的实际情况，无论是从经济上和技术上两方面的比较表明，方案一具有密实、透水性小、耐久性好的优点，其造价也是比较适中，其它几个方案在耐久性方面明显差于方案一。方案二、方

20、案三、方案四的加铺层厚度较厚，必然受到天桥净空的限制，方案一和方案五的造价相差不大（每平方米相差2元），但方案一的使用寿命等路用性能明显优于方案五。,（5）牛角冲立交的路面结构方案 牛角冲立交是京珠高速公路与长永高速公路的交叉处，此处在施工过程由于高程控制不是很理想，因此目前的长永高速公路左右幅的设计标高相差30cm左右，右幅低，左幅高，就目前的情况来看，立交桥下的净空是满足要求的，最小值为5.06m，但进行加铺层设计之后，第一、第五种方案如不考虑纵面线形设计，则只需破除四块混凝土板，在破除之后，恢复时，标高要控制比现有标高低10cm，这样可以降低工程造价。而第二、第三、第四设计方案，由于加铺

21、层厚度较大，仅仅破除四块板是无法满足要求的，这样就使工程造价、施工难度加大。 在牛角冲立交处，如要按路线规范中的线形标准来要求，则必须加大旧路的破板数量，根据线形设计的要求，共需破除旧水泥混凝土路面340m长，破板面积为5950平方米。如按长永高速公路管理处所提供的单价，按90元/平方米的破板单价进行分析，仅破除旧水泥混凝土板的费用需增加53.55万元。从目前长永高速公路管理处的实际情况来看，此种方案很难接受。因此建议，若从控制工程造价上讲，采用前一方案，但从公路的使用来考虑，建议采用破除混凝土板的方案。,（6）对行车道与硬路肩采用不同厚度的方案 将超车道、行车道的路拱横坡度定为1.5%，硬路

22、肩的路拱横坡度定为2%，土路肩的横坡度定为4%。 从排水角度考虑，采用超车道、行车道的路拱横坡度定为1.5%，硬路肩的路拱横坡度定为2%的方案，路面的综合横坡为1.6%，其由于目前高速公路要求路面表面的纹理深度大，其对水流的阻力大，在湖南长沙地区的降雨量大以及暴雨多的条件下，路表的水流速度小，使雨水不能尽快的排除路面，造成行车的不安全。因此，对湖南长沙地区多雨季节和降雨量大的气候条件，应该采用较大的横坡，即取规范的高值2%。 对本方案进行横断面设计，设计时控制行车道和硬路肩相接处沥青加铺层的最小厚度为10cm（计算要求），进行横断面戴帽，根据设计的结果来看，这一方案的设计标高比方案一的设计标高

23、降低了2cm，由于行车道采用的横坡为1.5%，比方案一的横坡2%要平缓，但由于在设计过程中，必须保证最小加铺层的厚度，加上现有水泥混凝土路面路拱的不均匀沉陷、超高方式的不唯一等原因的影响，全线综合分析，计算的加铺层平均厚度为16.14cm，在设计过程中，根据历次专家会议的精神，考虑2cm的整平层，则采用本方案所需的加铺层平均厚度为18.14cm。从计算结果来看，本方案与我们提出的方案一（加铺层平均厚度18.67cm）并没有什么明显的差别，加上由于路拱发生了变化，增加了施工的难度，因此在方案比选中，我们不考虑本方案。,横 断 面 图,横断面图,（7）土工布满铺或缝铺的方案论证 根据工可评审意见，

24、建议将工可中的满铺土工布改为缝铺，缝铺的宽度为60cm，从我们所了解的信息来看，目前生产厂家的产品，土工布的出厂宽度有1.05m、2.10m、4.30m三种类型，因此工可所推荐的缝铺宽度为60cm，在施工中虽然可以节省一些粘层油的数量，但必须将成品的土工布一分为二，剩下的部分就无法利用，这样如将土工布裁开，则按土工布每平方米8.0元、粘层油双层每平方米5.57元的单价来计算，则每平方米损失2.43元，因此建议如采用缝铺，宽度建议为1.05m。 目前国内外使用土工布的情况来看，整体上来说，使用满铺的效果优于缝铺的情况（如公路杂志2000年9月的文章），缝铺一方面使沥青面层与旧砼板形成一个凹型，在

25、没有铺布的地方，如有雨水渗入，在层与层之间的水流不能沿路拱畅通排除，而可能集中在凹型部位，使沥青混凝土受到雨水的侵蚀而损害（根据北京首都机场的改建工程结果），若凹型部位的旧砼板有裂缝，则集聚的水将渗入基础，使该处易出现破坏；采用缝铺时，对于接缝的可采用标记的方法确定位置，而对于旧板的裂缝则难进行标记；另一方面，土工布在纵缝和横缝铺设中，使其搭接部位增多和布的厚度（搭接部位）增大，使面层与旧板的粘接减小，造成层间破坏。,（8）粘层油的必要性与施工的可能性 在公路沥青路面设计规范（JTJ014-97）中规定，路面结构体系是以多层连续体系来进行理论分析的，如不洒粘层油，则结构层之间实际上是一种滑动状

26、态（通过对沥青面层钻芯取样的结果来看，在不洒粘层油的芯样中，100%的分离），这在路面结构设计过程中是一种非常不利的受力状态，据2000年10月在北京召开的沥青路面设计与施工技术规范的修改讨论中，与会的专家均认为应对现行的规范中关于粘层油的规定应进行修改，提出不论什么情况都应洒粘层油，因此，在设计、施工过程中沥青层之间洒粘层油是必须的。 根据河南商开高速公路等实际施工情况来看，采用先进的沥青洒布车（如法国生产的沥青洒布车）喷洒沥青的最小用量为每平方米0.3升，我们提出的沥青洒布量为0.3-0.6升/平方米是符合规范要求的，并且在这样的洒布量的情况下，是不会造成沥青混合料的含油量增高而造成泛油，

27、这通过多条高速公路的实践（如新台高速公路等）表明，在规范用量的情况下是不会造成泛油的。,五、长永高速公路改造工程排水工程方案比选,1、中央分隔带排水方案 方案一： 该方案所采用的中央防撞墙形式从目前的研究成果来看，具有结构新颖、安全，防眩效果好、施工方便等优点。利用混凝土防撞墙将中央分隔带封闭能够有效防止雨水的下渗，中央分隔带内部不需再设置纵向渗沟与横向排水管。 由于在路表面有较多的水需排除，使路表面的水膜较厚，在高速行车过程中，水流对内侧车道行车不利，对行车安全有一定影响。 方案二： 针对方案一超高路段路表排水存在的缺点，超高路段设置纵向排水沟汇集超高段外侧的路表水，每50米设置一个集水井和

28、一道横向排水管将汇集的水进行排除。本方案能够减少方案一中由于超高弯道内侧采用漫流方式对内侧车道行车的影响，可以使行车安全。但将增加因设置纵向排水沟和横向排水管而需破除旧水泥混凝土板的工程数量，挖方路段横向排水管的出口在局部路段有困难，从而使施工的难度加大，同时也增加工程造价，,中央分隔带超高排水方案一,中央分隔带超高排水方案二,方案三： 将现有的波形梁护栏首先进行拆除，然后进行镀锌，再进行重复利用，因此中央分隔带考虑采用波形梁护栏，中央分隔带内部设纵向渗沟，将中央分隔带中渗水首先进行汇集，再通过横向排水管进行排水；在采用本方案时，需在超高路段设置纵向排水沟汇集弯道外侧的路表水，再通过集水井和横向排水管排除。 该方案能充分再利用原有波形梁护栏将降低工程造价，施工较为简单；超高段设纵向排水沟，通过集水井和横向排水管排水，能够减少方案一中泄水孔水流对内侧车道行车的影响，行车安全；中央带底部全线设置纵向盲沟，通过横向排水管排出，能有效排除中央带、路面结构渗水和原有路基水。但将增加因设置横向排水管而需破除旧水泥混凝土板的