高速公路半刚性基层沥青路面结构设计分析

刘家祥

（江西省赣南公路勘察设计院有限公司，江西赣州 341000）

0 引言

在半刚性基层结构投入使用后，发生破坏的形式比较多，比如反射裂缝、低温缩裂、唧浆等，这些早期病害形式并不是单一出现的，因此加强结构设计非常重要。在半刚性基层沥青路面结构设计中，需要充分考虑路面的承载能力、变形特性、抗裂性能以及排水功能等因素，合理选择沥青混合料的配合比例和级配，以满足设计要求和工程环境的实际情况。

1 高速公路半刚性基层沥青路面设计要求

公路半刚性基层沥青路面的设计要求是确保路面具备稳定、耐久、安全和舒适的特性，以应对不同交通荷载和气候条件的挑战，以下是公路半刚性基层沥青路面设计的关键要求。

1.1 承载能力

设计要求基于预计的交通量和车辆类型，确保路面结构能够承受荷载并保持稳定。通过合理的层厚设计和材料选择，保证路面的结构强度和刚度，以满足设计寿命内的荷载要求。

1.2 平顺性和舒适性

设计应追求平稳、舒适的行车条件，减少车辆行驶时的颠簸和振动。通过合理的层厚分配和结构设计，降低路表面的不平整度，提供更好的行车舒适性。

1.3 耐久性和抗老化

设计要求考虑路面结构的长期使用寿命和抗老化能力。选择耐久性好的沥青混合料和基层材料，结合适当的施工工艺，以延长路面的使用寿命，并减少维护和修复的频率。

1.4 排水性能

设计要求合理的路面排水系统，确保雨水能够及时、有效地排除，避免水损害对路面结构的影响。通过设置适当的纵、横向坡度和排水设施，保证路面在降雨情况下的正常排水。

1.5 施工可行性和经济性

设计要求考虑施工的可行性和经济性，选择合适的施工工艺和材料，使设计方案能够在实际工程中得以实施。同时，需要综合考虑设计方案的成本效益，以确保在给定的预算范围内实现设计目标。

1.6 环境友好性

设计要求考虑环境保护和可持续发展的要求。选择低噪声、低污染的材料和工艺，减少对环境的不良影响。同时，鼓励采用再生材料和可回收材料，促进资源的合理利用和循环利用[1]。

2 半刚性基层沥青路面结构的实际情况分析

2.1 结构投入使用后的破坏形式

就目前来看，半刚性基层结构投入使用后，破坏形式比较多，主要包含以下两种：

2.1.1 车辙

半刚性沥青路面结构投入使用后，级配碎石属于松散性材料，导致结构容易受到变形而产生拉应力。但是，由于碎石基层的适应性，使得各个结构层的变形能够传递到上层结构。此外，在半刚性底基层结构上部铺设级配碎石层，由于底基层结构强度相对较高，表面的弯沉较小，有效地控制了级配碎石的适应变形能力。随着长期使用和车辆荷载的作用，结构可能发生严重的变形问题，最终在路面上形成车辙病害。

2.1.2 疲劳开裂

导致半刚性基层沥青路面结构疲劳开裂的主要原因是：

一是车辆荷载。车辆荷载是导致半刚性基层沥青路面结构疲劳开裂的主要原因之一。长期受到车辆重载、频繁交通或超载交通的影响，路面结构会承受巨大的荷载压力，导致路面材料的抗疲劳性能逐渐下降，最终引发疲劳开裂。

二是温度变化。温度变化也是导致半刚性基层沥青路面结构疲劳开裂的重要因素，路面受到昼夜温差、季节变化以及气候变化的影响，会发生温度周期性变化，这种温度变化会导致路面结构内部的热胀冷缩应力，从而引发路面材料的疲劳损伤和开裂。

三是材料性能。半刚性基层沥青路面结构材料的性能也会影响其疲劳开裂的发生。如果路面材料的弹性模量、抗剪强度、耐久性等性能指标不符合要求，就容易出现疲劳开裂的问题。例如，沥青混合料的黏度过高或过低，会使路面材料在荷载作用下发生塑性变形，导致疲劳开裂。

四是施工质量。半刚性基层沥青路面结构的施工质量也是引发疲劳开裂的重要原因之一。如果施工过程中存在不当的压实操作、不合理的施工工艺或材料不均匀等问题，会导致路面结构的不均匀变形和应力集中，增加了疲劳开裂的风险。

五是水分影响。水分的存在对半刚性基层沥青路面结构的疲劳开裂也具有一定影响。如果路面结构存在渗水或排水不畅的问题，会使路面材料受到水分侵入，降低材料的黏结性和稳定性[2]。

2.2 各层应力状态分析

目前我国在高速公路项目施工过程中，沥青路面结构设计环节，其面层厚度通常控制在15～20cm 之间，基层则是在30～40cm 之间。而级配碎石层厚度在8～15cm 之间，设计人员采用有限元分析的方式，掌握各个基层结构的厚度参数，具体可见表1。

表1 基层结构的厚度参数

2.2.1 弯沉

因为级配碎石材料具备较高回弹变形量，因此，在设计中需要按表2 的要求进行取值，弯沉值（0.01mm）见表2。

表2 弯沉值（0.01mm）

2.2.2 沥青

在面层应力计算中，确定沥青面层厚度分别是0cm、4cm、7cm 与10cm 处的应力，可见表3。

表3 应力分析 单位：MPa

夹层结构设置完成后，沥青混凝土结构的面层应力值变化不大，就算随着面层施工厚度的增大，也不会造成影响。在面层底部设置夹层之后，弯拉应力是不设置该结构的两倍左右，此时结构模量的压力为450MPa，通过分析可以了解到，由于面层模量以及级配碎石之间的相对比存在的差异性比较大，那么表面的承受荷载能力也会通过高度变化来承担。这就是混凝土结构面层表面的弯拉硬度升高的原因。

2.3 半刚性基层底弯拉应力

从半刚性基层沥青路面结构分析，由于基层刚度性能比较高，因此需要重视半刚性基层底弯拉应力分析。在对半刚性基层低温拉应力检测后，发现相关的检测参数满足实际需求，具体的检测结果见表4。

表4 基层底面弯拉应力 单位：MPa

通过分析表4 的数据可以了解到，通过级配碎石结构层设置以后，半刚性的应力结构性能得到提升。

2.4 土基顶面压应变

通过数据分析可以了解到，级配碎石存在设置完毕之后的承受能力的扩散荷载应力会增加，那么分布到土地结构的荷载参数就会变小，在一定程度上就会提高应力的控制效果，减少结构承载能力的加剧[3-4]。因此可以判断出，在设置碎石基层结构之后，由于该结构层具备一定的刚度性能，所以能够将上部受到的荷载拉力直接进行扩散，这种情况下，使得表面结构不会受到过大影响，土基顶面受到应力也会发生改变，详见表5。结构层性能得到进一步提升，结构使用的效果也会不断提高，延长使用寿命，高速公路可以更好地满足当前交通通行的需要。

表5 压实度应变（10-4） 单位：MPa

3 半刚性基层沥青面层的设计方案

在高速公路进行方案设计环节，要充分考虑到各个结构的性能，从而才能保证结构使用效果合格，不会发生严重的损坏问题。设计人员根据方案运行的要求，进行各项参数的设计，详细计算各项数据，并且进行现场的测试分析。选择应用半刚性基层沥青面层结构设计方案，在进行技术参数指标计算环节，主要是从下述几个方面进行：

3.1 路表弯沉

从当前我国的沥青路面结构的设计来说，弯沉计算非常重要，确保该指标达到工程要求，才能提升结构的运行性能。在弯沉指标计算环节，其可以反映出各个结构层的强度性能，同时也能够了解整个路面结构的总体性能，分析确定是否能够满足高速公路正常使用的状态标准。加强弯沉值参数的控制，有效预防投入使用之后路面出现沉陷、弹簧、网裂等病害，促进结构运行效果的提升。目前我国在设计环节，通常不会使用国外的土基压应变指标，因为该参数检测的环节难度相对较高，所以根据我国实际情况，选择合适的计算方法，确定相关参数信息，才能更好地满足当前高速公路设计的需要。分析车辆荷载与路面结构损害之间的关系，将弯沉值作为重要的设计指标，虽然可以提升设计水平，但是从结构的整体需求分析可了解到，由于此类设计方案合理性不足，未全面反映出刚度指标，而主要因素来自基层刚度不达标。此类问题的存在，就会导致路面结构容易出现问题。所以在设计过程中，应做好各个方面的分析，才能消除不利影响[5-6]。

3.2 面层底部弯拉应力/应变

由于级配碎石结构的模量不大，在设计过程中，将其看作和面层之间是光滑的形式存在，这样就使得整个结构的弯拉应力相对比较大。从表1 的结构形式分析发现，如果按照二级标准的方法进行设计，累计标准的单量轴就会达到150 万次。在面层结构弯拉应力计算环节，如果使用的是中粒式沥青混凝土材料，得出的数据信息反映出整个结构的弯沉值，达到设计标准，而此时的弯拉应力则不能达到规定标准。如果按照该数据进行计算，得出的面层底部弯拉应力反算设计年限，得出的标准轴次比较小，反算值并不能达到标准轴载150 万次的要求，所以较之弯沉数据来说，面层结构的弯拉应力可以避免结构损坏。

3.3 土基顶面压应变

加强路表弯沉值的计算分析，主要作用是确保路面结构的整体刚度性能合格，从而满足土地结构的控制要求，所以在设计环节，对于路表弯沉、整体结构刚度性的变化参数计算要特别重视，同时，还要按照现行的计算规范对土基底面的应力进行计算，以此来提升设计强度，以更好地满足当前高速公路路面结构的设计需要，提升使用效果。设计人员根据实际情况选择最佳的土基顶面压应变计算参数，获得准确的数据信息，进而可以有效地预防发生结构设计不当的情况。

4 结语

高速公路是重要的交通基础设施，关系到当前的社会发展以及人们出行质量，所以需要加强高速公路的设计和分析，才能更好地提升高速公路总体运行水平，满足当前交通通行需要。就目前来说，高速公路在设计过程中，通常会在面层和基层之间设置一层半刚性基层，加强该结构的设计，确保半刚性基层沥青路面结构的性能合格，达到交通正常使用需要。设计人员根据交通使用的标准，考虑到当前设计要求，做好各项技术参数的计算分析，掌握半刚性基层沥青面层结构的设计标准和要求，提高设计水平，确保高速公路各个结构层的性能合格，不会影响整体的运行效果，提高高速公路运行的质量，延长使用寿命。