半剛性基層瀝青路面典型結(jié)構(gòu)設(shè)計黃曉明【東南大學(xué)交通學(xué)院南京210018】摘要：通過對江蘇、安徽、浙江三省高等級公路若干線段及滬寧高速公路無錫試驗段的調(diào)查、測試和分析，提出了高等級公路半剛性基層瀝青路面典型結(jié)構(gòu)圖式及其注意事項，對半剛性基層瀝青路面的結(jié)構(gòu)設(shè)計具有較好的參考價值。關(guān)鍵詞：半剛性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計1概述我國90%以上的高等級公路瀝青路面基層和底基層采用半剛性材料。半剛性基層瀝青路面已經(jīng)成為我國高等級公路瀝青路面的主要結(jié)構(gòu)類型。在七?五期間，國家組織開展了“高等級公路半剛性基層、重交通道路瀝青面層和抗滑表層的研究”的研究工作，對瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性，瀝青面層的開裂機(jī)理、車轍和疲勞、抗滑表層設(shè)計和應(yīng)用、半剛性基層材料的強(qiáng)度特性和收縮特性，組成設(shè)計要求等進(jìn)行了深入的研究工作，提出了較為完整的研究報告，為高等級公路半剛性基層瀝青路面的設(shè)計和施工提供了理論依據(jù)和技術(shù)保證。由于現(xiàn)行的《柔性路面設(shè)計規(guī)范》頒布于1986年，隨著國家對交通運輸業(yè)的日益重視和人們筑路經(jīng)驗的不斷提高，一致認(rèn)為1986年版的《柔性路面設(shè)計規(guī)范》已不能滿足高等級公路半剛性基層瀝青路面的需要。由于對半剛性基層認(rèn)識不足，使得設(shè)計結(jié)果具有一定的盲目性，設(shè)計結(jié)果要么過分保守，要么因路面結(jié)構(gòu)設(shè)計不當(dāng)而產(chǎn)生早期破壞，造成很大的經(jīng)濟(jì)損失。因此，如何利用七?五國家攻關(guān)項目取得的成果，結(jié)合近十年來半剛性基層瀝青路面的設(shè)計和施工經(jīng)驗，根據(jù)實際使用效果，提出適合本地區(qū)特點的路面結(jié)構(gòu)，對路面結(jié)構(gòu)設(shè)計方法的更新和路面實際使用效果的改善具有重要的意義。根據(jù)江蘇、安徽、浙江高等級公路的實際，江蘇在鎮(zhèn)江、無錫、蘇州、徐州、連云港共計4線10段進(jìn)行調(diào)查，安徽在合肥、馬鞍山、淮南三市調(diào)查了3線8段，浙江在嘉興和杭州調(diào)查了2線5段共計9線23段。調(diào)查的路面結(jié)構(gòu)具有一定的典型性。2國內(nèi)外研究概況2.1國外國道主干線基層的結(jié)構(gòu)特點國外國道主干線基層結(jié)構(gòu)有以下特點：多數(shù)采用結(jié)合料穩(wěn)定的粒料(包括各種細(xì)粒土和中粒土)及穩(wěn)定細(xì)粒土(如水泥土、石灰土等)只能用作底基層，有的國家只用作路基改善層。法國和西班牙在重交通的高速公路上，要求路面底基層也用結(jié)合料處治材料。使用最廣泛的結(jié)合料是水泥和瀝青，石灰使用得較少。此外，還使用當(dāng)?shù)氐牡突钚月牧虾凸I(yè)廢渣，如粉煤灰、粒狀礦渣等。有的國家用瀝青穩(wěn)定碎石做基層的上層，而且用瀝青做結(jié)合料的結(jié)構(gòu)層的總厚度(面層+基層的上層)常大于20cm。經(jīng)過幾十年的總結(jié)，國外在半剛性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)組合上雖有所改進(jìn)，但半剛性材料仍是常采用的基層和底基層材料。2.2國外典型結(jié)構(gòu)示例國外瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計方法經(jīng)過幾十年的完善，已經(jīng)提出了比較成熟的設(shè)計方法，并且許多國家提出了典型結(jié)構(gòu)設(shè)計方法，表1給出了法國典型結(jié)構(gòu)一個范例。表1土的等級交通等級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)交通等級欄下括號內(nèi)的數(shù)值指一個車道上的日交通量，以載重5t以上的車計⑵PF1,PF2和PF3指土的種類和土基的潮濕狀態(tài)，PF1相當(dāng)于一般的土基；(3)BB指瀝青混凝土，GC指水泥粒料；(4)表中數(shù)字單位為cm。一些國家在高等級公路上實際采用過的半剛性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)見表2。一些國家在高等級公路上實際采用過的半剛性基層瀝青結(jié)構(gòu)表表2國家瀝青層厚度(cm)半剛性材料層厚度(cm)備注日本20?30水泥碎石，30?20荷蘭20?26水泥碎石，40?15西德30貧混凝土，15另有防凍層

英國9.5?16.9貧混凝土，15另有底基層瑞典12.5水泥粒料南非17.5水泥砂礫，30西班牙8水泥粒料當(dāng)前的規(guī)定其它高速公路路面結(jié)構(gòu)瀝青路面典型結(jié)構(gòu)設(shè)計 表3道路名稱長度(km)路面結(jié)構(gòu)面層(cm)基層(cm)底基層(cm)廣佛路15.74中粒式5細(xì)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細(xì)粒式6瀝青碎石25水泥碎石京津塘142.55中粒式6細(xì)粒式12瀝青碎石25水泥碎石30石灰土京石144中粒式8瀝青碎石15一灰碎石40石灰土濟(jì)青路15-18開級配中粒式38-40一灰碎石42石灰土正在建設(shè)的滬寧高速公路路面結(jié)構(gòu)如表4。表4標(biāo)段結(jié)構(gòu)層A1B4B5B7C1C4C5C2D1D6D7D9E1E5F1F6F7G1G2G4G5G6面層1616161616161616161616ACACACACACACACACACACAC基層3030252540383020182020LFALFALFALFALFALFALFALFALFALFALFA底基層3030333318203340364040LFLFSLSLFSLFLFSLFSLFSFSLFSLFD注：AC-瀝青面層（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。國內(nèi)七?五期間修筑的主要幾條試驗路的結(jié)構(gòu)、實體工程及正在建設(shè)的一些高等級公路的結(jié)構(gòu)表明，半剛性基層是瀝青路面最主要的結(jié)構(gòu)類型，同時，不同設(shè)計人員所提出的結(jié)構(gòu)組合相差較大，甚至，對同一條路，不同設(shè)計單位設(shè)計的路面結(jié)構(gòu)相差也很大。因此，根據(jù)設(shè)計與施工經(jīng)驗提出的適應(yīng)不同地區(qū)的典型結(jié)構(gòu)具有一定的理論意義和實踐意義。3路面結(jié)構(gòu)調(diào)查典型結(jié)構(gòu)調(diào)查要求選擇的路線及路段具有典型性，公路等級要求是二級或二級以上的半剛性基層瀝青路面，施工質(zhì)量達(dá)到一定的水平，或者由專業(yè)隊伍承擔(dān)施工任務(wù)。施工質(zhì)量檢查比較嚴(yán)格，如有相應(yīng)的試驗路段，盡可能根據(jù)當(dāng)時試驗?zāi)康募霸紲y試數(shù)據(jù)進(jìn)行跟蹤調(diào)查。選擇的調(diào)查路段使用年限應(yīng)達(dá)到三年以上，并有一定的交通量。路段應(yīng)包括不同的路基結(jié)構(gòu)（即填控情況）不同的地帶類型，不同的路面結(jié)構(gòu)（含不同材料和不同厚度），不同的使用狀態(tài)（如完好，臨界和破壞）和不同的交通量。被選擇的路段的基層結(jié)構(gòu)應(yīng)符合《公路路面基層施工技術(shù)規(guī)范》的規(guī)定，即不是用穩(wěn)定細(xì)粒土或懸浮式石灰土粒料做的基層。路段長度在100?500m之間。為此，浙江、江蘇和安徽分別選擇320國道嘉興段，104國道蕭山段，206國道淮南段，205國道馬鞍山段，合蚌路，312國道鎮(zhèn)江、無錫、蘇州段，310國道新墟段、徐豐線進(jìn)行全面的調(diào)查和測試。根據(jù)選擇路段的基本情況，本次典型結(jié)構(gòu)調(diào)查路段選擇具有以下特點：反映了不同地區(qū)，不同的道路修建水平；反映了不同地區(qū)，不同的路面結(jié)構(gòu)組合類型；包括了表處，貫入式等一般二級公路采用的結(jié)構(gòu)，也包括了高速公路采用的結(jié)構(gòu)；包括中間夾有級配碎石連結(jié)層的路面結(jié)構(gòu)；反映了經(jīng)濟(jì)和地區(qū)水平的差異；包括了不同地區(qū)主要使用的半剛性基層材料。路段測試內(nèi)容及測試方法本次路況測試主要包括：外觀、平整度、車轍、彎沉、摩擦系數(shù)及構(gòu)造深度。外觀測試是裂縫、松散、變形等破壞的定量描述；彎沉由標(biāo)準(zhǔn)黃河車(后軸重10t)及5.4m(或3.6m)彎沉儀測試；摩擦系數(shù)由擺式摩擦系數(shù)測定儀測試；構(gòu)造深度由25ml標(biāo)準(zhǔn)砂(粒徑0.15?0.3mm)攤鋪得；平整度為3m直尺每100m路段連續(xù)測10尺所得統(tǒng)計結(jié)果；車轍是3m直尺在輪跡帶上所測沉陷深度。數(shù)據(jù)采集方法合理性檢驗。由于實測數(shù)據(jù)存在偶然誤差，因此，在進(jìn)行誤差分析之前，須去除觀測數(shù)據(jù)中那些不合理的數(shù)據(jù)，代之以較合理的數(shù)據(jù)，進(jìn)行合理性檢驗。實際工作中常用30原則和戈氏準(zhǔn)則，30原則較近似，戈氏準(zhǔn)則較合理。代表值的確定。代表值是在最不利情況下可能取得的值：X=x±as ⑴式中：a為保證率系數(shù)；x為均值；s為標(biāo)準(zhǔn)差。97.7%的保證率，a取2.0；95%的保證率，a取1.645。在后面計算中，代表值確定如下：彎沉?。黄秸?、車轍為；摩擦系數(shù)、構(gòu)造深度為X=-1645S。路面使用品質(zhì)分析平整度根據(jù)公路養(yǎng)護(hù)技術(shù)規(guī)范，不的道路等級對平整度有不同的要求。但本次調(diào)查結(jié)果表明：各路段的平整度與結(jié)構(gòu)層組合與施工組織狀況有關(guān)。由于選擇路段路面結(jié)構(gòu)使用了瀝青貫入式，瀝青貫入式是一種多孔隙結(jié)構(gòu)，整體性較差，在行車荷載的重復(fù)作用下被再壓實，導(dǎo)致縱向出現(xiàn)不平整現(xiàn)象。同時施工時各層縱向平整度的嚴(yán)格控制對路面表面平整度控制有十分重要的意義。車轍瀝青路面車轍是高等級公路重要病害之一。國外設(shè)計方法中AI法以控制土基頂面壓應(yīng)變?yōu)橹笜?biāo)，shell設(shè)計方法則通過分層總和法直接從瀝青面層厚度及面層材料諸方面控制車轍。我國還沒有采用車轍指標(biāo)，作為設(shè)計控制值，而是通過材料動穩(wěn)定度或其它指標(biāo)達(dá)到減少車轍的目的。對半剛性基層瀝青路面，由于土基頂面壓應(yīng)力較小，在重復(fù)荷載作用下土基產(chǎn)生的再壓實的剪切流動引起的。在調(diào)查路段，瀝青貫入式結(jié)構(gòu)由于其級配較差，在重復(fù)荷載作用下極易產(chǎn)生剪切流動和再壓實，同時其高溫穩(wěn)定性較差，調(diào)查路段車轍量較大。3.3.3抗滑能力瀝青路面抗滑性能評價方法主要是測定面層的摩擦系數(shù)和紋理（構(gòu)造）深度。瀝青面層紋理深度與礦料的抗磨能力（磨光值指標(biāo)）和瀝青混合料高溫時的內(nèi)摩阻力和粘聚力有關(guān)。紋理深度達(dá)到要求必須合理選定礦料級配、瀝青材料滿足高等級道路石油瀝青技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。調(diào)查路段面層礦質(zhì)材料為石灰?guī)r，磨光值只有37左右，達(dá)不到高等級公路和大于42的要求。面層磨擦系數(shù)普遍較小，不滿足抗滑性要求。路面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析調(diào)查路段經(jīng)過兩年的彎沉及交通量實測，結(jié)果表明：不同調(diào)查路段由于承受的交通量不同，雖然路面結(jié)構(gòu)相同，但強(qiáng)度系數(shù)不同。因此，只有根據(jù)強(qiáng)度系數(shù)才能判別路面結(jié)構(gòu)是否達(dá)到使用壽命。同時，有些路段其路面結(jié)構(gòu)組合及厚度明顯不符合設(shè)計要求或施工質(zhì)量較差，因此必須調(diào)整設(shè)計厚度及結(jié)構(gòu)組合。滬寧高速公路無錫試驗路綜合調(diào)查滬寧高速公路無錫試驗路段是本次調(diào)查唯一針對高速公路特點的路面結(jié)構(gòu)，通過近三年的運行和觀察，對高速公路設(shè)計與施工提出了許多有益的結(jié)論。⑴半剛性基層路段彎沉在(2.13?8.25)(l/100mm)范圍，級配碎石段(X、XI)彎沉為0.122mm和0.135mm,但在裂縫邊緣彎沉值明顯大于沒有裂縫處的彎沉，裂縫邊緣彎沉最大達(dá)20(1/100mm)。因此，在試驗路段彎沉絕對值能滿足高速公路強(qiáng)度要求，但必須注意裂縫對半剛性路面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度影響。路面平整度基本沒有改變，并能滿足要求。1994年夏季高溫持續(xù)時間長，對瀝青路面高溫穩(wěn)定性提出了嚴(yán)峻的考驗。1994年觀測結(jié)果表明，試驗路段車轍較1993年基本沒有變化。路表面在行車碾壓作用下，行車帶滲水很小或根本不滲水。從路面構(gòu)造深度和摩擦系數(shù)二方面分析，面層摩擦系數(shù)較1993年減少約(9?14)，在1993年新鋪路段，摩擦系數(shù)從65.4(LK-15A),61.9(LH-20I')分別減少到35.4和32.0，減少約30。對同一級配來說，LH-20I'玄武巖徑一年行車碾壓后的摩擦系數(shù)值比行車碾壓二年后砂巖(LH-20I')的摩擦系數(shù)值還要小，說明玄武巖的抗摩擦能力小于砂巖。對LK-15A加鋪層段，LK-15A段的摩擦系數(shù)LH-20I'加鋪層路段摩擦系數(shù)大。對比英國產(chǎn)摩擦系數(shù)儀，英國產(chǎn)摩擦儀測試結(jié)果較國產(chǎn)摩擦儀增大范圍是：(16.6?23.65)平均約21.0，其回歸關(guān)系式為f上=1.13Xf東+16.9。式中：f上為上海測試值；f東為東南大學(xué)測試值。半剛性路面裂縫較為嚴(yán)重，經(jīng)二年運行，裂縫間距寬約為70?90m，窄的約為15?25m。裂縫寬度在1?10mm之間。而在'層的開裂是面層開裂的主要原因。調(diào)查路段綜合結(jié)論本次調(diào)查涉及高速公路結(jié)構(gòu)，一級公路、二級公路，因此，調(diào)查工作可靠，對提出典型結(jié)構(gòu)具有指導(dǎo)意義。調(diào)查路段路面結(jié)構(gòu)有許多貫入式結(jié)構(gòu)。雖然這種結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性不好，但調(diào)查結(jié)果表明，由半剛性材料引起的反射裂縫也相應(yīng)減少。對高速公路路面結(jié)構(gòu)，面層厚度12?16cm，基層底基層厚度50?60cm。對一級公路路面結(jié)構(gòu)，面層厚度8?12cm，基層底基層總厚度40?55cm1。對二級公路路面結(jié)構(gòu)，面層厚度6?10cm，基層底基層厚度35?45cm。4土基等級劃分土基是影響瀝青路面結(jié)構(gòu)承載能力、結(jié)構(gòu)層厚度和使用性能的重要因素。土基的強(qiáng)弱直接影響路表彎沉值的大小和瀝青路面使用壽命的長短。路面力學(xué)計算結(jié)果表明，瀝青路面的回彈彎沉值絕大部分是由土基引起的。合理劃分土基等級，保證土基施工質(zhì)量對路面彎沉控制有重要的意義。《柔規(guī)》規(guī)定土基必須處于中濕狀態(tài)以上，Eo的建議值根據(jù)土的相對含水量及土質(zhì)確定。實際上，土基的回彈模量(Eo)值隨土的特性、密實度、含水量、路基所處的干濕狀態(tài)以及加荷方式和受力狀態(tài)的變化而變化。土基回彈模量Eo值規(guī)定以30徑剛性承載板在不利季節(jié)測定、在現(xiàn)場測定。柔性路面設(shè)計規(guī)范中的Eo建議表，就是根據(jù)全國各地舊路上不利季節(jié)在路面完好處，分層得出E1，E0，并在土基測點中心鉆孔取土測pd、WWP,同時用手鉆在板旁取W校正，得出80cm范圍內(nèi)的平均值，整理得出EP的建議值。該表采用6g錘的液限值，現(xiàn)改用100g錘測定液限。如果用相對含水量確定土基的回彈模量，對重型擊實標(biāo)準(zhǔn)，可將原建議值提高30%。如華東地區(qū)中濕狀態(tài)土基加強(qiáng)彈模量最小值23MPa。則高等級公路路基的回彈模量最小值為23X1.3=30MPa這再一次證明土基回彈模量低限取30MPa是合理的。如果路基回彈模量最小值達(dá)不到要求，要求采取某種處治方法進(jìn)行處治。第二種確定土基回彈模量的方法是通過壓實度和土的稠度來計算土基的回彈模量。對比土的相對含水量與稠度的關(guān)系曲線，當(dāng)Wc=1.0,0.75和0.50時，相當(dāng)于地下水對路基濕度影響有關(guān)的臨界高度的分界相對含水量W1、W2、W3,即當(dāng)WCV0.5時，相當(dāng)于過濕狀態(tài)，Wc=0.5?0.75時，相當(dāng)于潮濕狀態(tài)，Wc=0.75?1.00時，相當(dāng)于中濕狀態(tài)，Wc>1.00時，相當(dāng)于處于干燥狀態(tài)。土基強(qiáng)度等級劃分結(jié)果表明：必須使土基處中濕成干燥狀態(tài)，否則要作適當(dāng)處理。如果根據(jù)CBR確定土基回彈模量，則第三種方法根據(jù)室內(nèi)試驗，用E0=6.4CBR確定土基回彈模量值。綜上所述，土基強(qiáng)度等級劃分為S1、S2、S3三個等級與各參數(shù)間相互關(guān)系見表5土基強(qiáng)度等級表5土基強(qiáng)度等級回彈模量范圍(MPa)承載比范圍(CBR)S130?454.5?7.0S245?657.0?10.0S3>65>10.05交通量等級的劃分影響一條公路的交通量的因素既多又復(fù)雜，每個因素的不確定性又較大。因此，不可能較準(zhǔn)確地知道公路開放時的平均日交通量，也不可能較可靠地確定交通組成和各自的平均年增長率。其結(jié)果是實際交通量與路面結(jié)構(gòu)設(shè)計時預(yù)估的交通量有很大差異。高等級公路交通量取值范圍高等級公路泛指二級汽車專用道以上的公路，二級汽車專用道第一年日平均當(dāng)量次最小值一般為500，如以8%的增長率增長，15年累計作用次，對于小于該作用次數(shù)的公路將不作高等級公路處理。對高速公路而言，通行能力（混合交通）應(yīng)大于25000輛/日，標(biāo)準(zhǔn)軸次一般為6000?8000輛/日，因而，若以5%的增長率增長，5年最大累計作用次數(shù)一般為15?1806次左右。劃分辦法及具體結(jié)果交通等級劃分將以累計標(biāo)準(zhǔn)軸載作用次數(shù)對容許彎沉的均等影響為依據(jù)進(jìn)行劃分。交通量等級劃分結(jié)果見表6。交通等級劃分結(jié)果表6注：第一年日平均當(dāng)量軸次由標(biāo)準(zhǔn)累計作用次數(shù)計算得，設(shè)計年限取為15年，增長率取為8%,且以單車道計。6典型結(jié)構(gòu)圖式典型結(jié)構(gòu)推薦的基本原則結(jié)合調(diào)查路段的路面結(jié)構(gòu)和實際的使用狀況,以及國內(nèi)外半剛性基層瀝青路面實體工程設(shè)計成果,半剛性基層瀝青路面的承載能力主要依靠半剛性基層。因此承載能力改變時主要通過改變基層的厚度來實現(xiàn)。瀝青面層的厚薄主要考慮道路等級(交通量)的影響,為此,可得出半剛性基層瀝青路面典型結(jié)構(gòu)瀝青面層、基層、底基層厚度改變的基本原則。瀝青面層總厚度控制在6~16cm。對相同交通等級，不同的路基等級，基層(或底基層)厚度不同，不同的交通等級，相同的土基等級改變?yōu)r青面層的厚度。基層(或底基層)厚度變化盡可能考慮施工因素，即施工作業(yè)次數(shù)最小。不同的交通等級，主要改變基層或底基層的厚度，并且綜合考慮造價因素。材料選擇應(yīng)結(jié)合華東片區(qū)實際，基層采用二灰碎石和水泥穩(wěn)定粒料，底基層則采用石灰土和二灰土(二灰)為減少面層開裂，推薦結(jié)構(gòu)提出采用級配碎石過渡層。半剛性基層瀝青路面典型結(jié)構(gòu)根據(jù)參數(shù)分析，推薦的基本原則及國內(nèi)外路面結(jié)構(gòu)設(shè)計原則，對半剛性基層瀝青路面共推薦60種典型結(jié)構(gòu)，供有關(guān)單位設(shè)計時直接選用，表7是其中之一。交通量土基強(qiáng)度等級T1T2T3T4S18?10AC20LFGA30LFS10?12AC20LFGA35LFS12?14AC20LFGA37LFS14?16AC20LFGA40LFSS28?10AC18LFGA30LFS10?12AC20LFGA30LFS12?14AC20LFGA32LFS14?16AC20LFGA35LFSS38?10AC20LFGA20LFS10?12AC18LFGA30LFS12?14AC18LFGA32LFS14?16AC20LFGA32LFS注：AC——瀝青混凝土；LFGA——二灰碎石；LFS——二灰土。構(gòu)推薦和驗算的幾點說明典型結(jié) (1)瀝青面層厚度在8?15cm之間，這主要根據(jù)調(diào)查結(jié)果及我國道路建設(shè)的現(xiàn)狀和水平?；鶎雍偷谆鶎拥暮穸瘸浞址从沉私Y(jié)構(gòu)的受力特性和結(jié)構(gòu)層的經(jīng)濟(jì)合理性要求。推薦的底基層厚度在三種驗算方法計算厚度之間，并反映了