城市道路沥青路面改造设计研究——以西宁市新宁路改造项目为例

田旺龙

[上海市政工程设计研究总院（集团）第十市政设计院有限公司，甘肃 兰州 730000]

0 引 言

随着我国城镇化水平的提高，未来城市的建设不再追求规模扩张，而是进入“精细化、品质化”的管理时代；城市道路的发展趋势也由最初新建转向对现有道路的改造提升。目前，我国许多城市老城区的沥青路面普遍存在早期设计标准低，建设年代久远，地下管网老旧、管道渗漏，路面平整度差，病害多等突出问题。路面累计当量轴次已超过原设计值，使用年限远超设计年限。现状沥青路面已无法满足城市日益增长的交通需求和市民的使用要求。对现有城市道路沥青路面进行改造提升，不仅能解决城市交通需求问题，满足市民的使用要求，也有助于推进落实国家的城市更新行动计划。

本文分析了城市道路沥青路面病害类型、破坏机理及处治措施，并通过工程实例验证了改造方案的可行性。

1 沥青路面病害类型及破坏机理

所谓沥青路面病害是指路面建成通车后，在交通荷载和环境温度及其耦合作用下，路面出现的破损、变形及其他各类缺陷的总称。沥青路面常见的病害类型通常可分为裂缝类、泛油类、变形类、松散类。

1.1 裂缝类病害及破坏机理

城市道路沥青路面裂缝形式包括线裂、网裂、龟裂等[1]。根据其成因可分为温度型、荷载型和沉降型裂缝。

温度型裂缝包含温缩裂缝和温度疲劳裂缝。温缩裂缝是指因周围环境温度骤降，沥青路面面层收缩产生的温度应力超过沥青混合料极限抗拉强度而引起的面层开裂（见图1）。温缩裂缝常与行车方向垂直且间距均匀。温度疲劳裂缝是指沥青路面长期暴露在外界环境中，在巨大的温差作用下使沥青混合料产生疲劳破坏而出现的路面开裂。

图1 温缩裂缝形成机理

荷载型裂缝是指沥青路面在其上部各类交通工具的长期荷载作用下，路面基层混合料抗拉强度小于上部荷载的抗压强度，出现疲劳破坏而使基层层底断裂，断裂位置裂缝逐步向上延伸至面层的裂缝（见图2）。

图2 荷载型裂缝形成机理

沉降型裂缝是指城市道路在施工过程中因路基压实度不足，半填半挖路基的填方路段沉降，地下管网上部、桥涵台背端部无法使用大型机械压实等引起地基产生不均匀沉降而出现的路面裂缝，主要包含纵、横向两类裂缝（见图3）。

图3 沉降型横向裂缝形成机理

1.2 泛油类病害及破坏机理

泛油是指沥青路面在环境温度（尤其是夏季高温）和行车荷载及其耦合作用下，面层沥青混合料中沥青膨胀、变稀，从下面层向上面层迁移，使上面层沥青含量增多，下面层沥青含量变少的现象（见图4）。沥青迁移引起面层不同位置空隙率发生变化。其中，上面层因沥青迁移富集，使其空隙率变小；下面层因沥青流失贫集，空隙率增大，下面层空隙中出现负压，在上部汽车荷载作用下路表水极易进入下面层空隙中引起路面出现水损坏。

图4 泛油类病害破坏机理

1.3 变形类病害及破坏机理

沥青路面变形类病害有车辙、波浪、拥包、沉陷、翻浆[1]等。变形类病害主要是沥青混合料热稳定性差引起的，对路面使用性能及交通安全影响巨大。

车辙是指沥青路面在环境温度（尤其是夏季高温）和超、重载车辆荷载及它们的长期耦合作用下，路面凹于正常路面而出现的不可逆的竖向变形（见图5）。引起车辙的因素众多，如高温，超、重载车辆长期荷载作用，沥青混合料油石比过大，路表水侵蚀，磨损等。从筑路材料分析，车辙是在高温季节，沥青路面在其上部超、重载交通车辆的挤压下，沥青混合料抗拉强度低于车辆剪切应力而出现的集料与沥青位置的重新分布。

图5 车辙类病害图

1.4 松散类病害及破坏机理

沥青路面松散是指沥青混合料中集料与沥青之间的黏结力降低，集料之间相互黏结作用减弱或丧失，集料颗粒脱落的现象（见图6）。松散类病害有剥落、坑槽、啃边[1]等，路面松散会缩短其使用年限，易引起行车颠簸及交通事故。

图6 松散类病害图

导致路面松散的因素众多，集料颗粒脱落是根本。另外，集料含泥量超标，高温引起的沥青老化，施工工艺不严，路面压实度不足，路表水损坏，超、重载车辆破坏等也是主要影响因素。

2 沥青路面改造设计要点分析

城市道路沥青路面改造设计影响因素多，既要考虑项目实施后对现有交通的干扰，对沿线景观环境的破坏，对附近居民正常生活的影响等，也需考虑工程开挖后错综复杂的地下管网对项目实施进度的延误及施工期间的交通组织等问题。应根据每条道路的病害类型制定安全可靠、技术先进、经济合理的改造方案。坚持以人为本的改造原则，有效利用旧路材料，提出“一路一方案”，切忌盲目搬抄它路改造方案。根据病害特征及破损程度，沥青路面改造设计中常用的病害处治措施有功能性罩面和结构性补强[2]两类。

功能性罩面是指在路面结构强度满足使用要求的沥青路面上加铺沥青面层，以改善旧路面使用性能。对减少路面裂缝，提高路面平整度和舒适性，增强路面抗滑性能，阻止路表水下渗等具有重要意义。功能性罩面厚度一般小于60 mm，是一种对现状沥青路面浅层病害的处治措施。

结构性补强是指对病害严重，结构强度不满足使用要求而影响正常使用的旧沥青路面挖除面层和基层，换填强度更高的半刚性基层或仅铣刨面层对旧路基层进行压浆处理的工程措施。结构性补强是一种对现有路面深层病害的处治措施，应根据路面病害类型及病害的出现层位、旧路面结构强度等计算确定补强厚度，一般采用的补强厚度不小于60 mm，由2 层或2 层以上路面结构组合而成的结构层，包含直接加铺补强和铣刨加铺补强两类。城市道路加铺补强层时需处理好与沿线现有建、构筑物标高的衔接问题，同时道路两侧不得有积水现象。常见的城市道路沥青路面的病害类型及处治措施见表1[1-3]。

表1 沥青路面病害类型及处治措施表

3 工程案例分析

3.1 项目概况

为响应国家城市更新行动计划，2021 年西宁市对全市旧路面进行改造提升。改造道路新宁路现状为沥青路面，道路南起昆仑西路，北至胜利路，全长1.5 km，红线60 m，主干路，设计时速50 km/h，双向6 车道。

新宁路地理位置示意图见图7。

图7 新宁路地理位置示意图

该道路修建于1975 年，于2001 年进行改建，截至2021 年路面已超过设计使用年限。现状路面平整度差、病害多（见图8）。

图8 现状道路病害图

3.2 沥青路面使用状况调查及评价

现状路面结构：5 cm 中粒式沥青混凝土（AC-16）+7 cm 粗粒式沥青混凝土（AC-25）+20 cm 5%水泥稳定砂砾+68 cm 砂砾垫层，总厚100 cm。

现状新宁路年平均日交通量为15 000 pcu/d，交通量等级为重交通，除五四大街交叉口和胜利路交叉口早晚高峰期间交通拥堵严重外，其余路口及路段交通服务水平良好。改造设计前对现有路面损坏调查主要分为：裂缝类（线裂、网裂、龟裂）、变形类（拥包、车辙、沉陷、翻浆）、松散类（剥落、坑槽、啃边）、其他类（路框差、唧浆、泛油）[4]。根据现状沥青路面各类病害面积和密度，加权计算得到路面状况指数PCI 值。新宁路路面调查评价指标包括：路面行驶质量指数（RQI）、路面状况指数（PCI）、路面回弹弯沉值、抗滑系数（BPN、TD 或SFC）和路面综合评价指数（PQI）[1]。

新宁路路面调查评价表见表2。

3.3 沥青路面改造方案设计

根据路面调查评价结果，新宁路现状年平均日交通量为15 000 pcu/d，属重交通等级，路面回弹弯沉代表值为60～90/(0.01 mm)，其他各类评价指标的评价等级为D 级。根据上述调查数据并结合相关规范，可知新宁路路面结构强度等级为不足。表明道路承载力不足，应进行大修或改扩建。新宁路改造设计采用挖除新建的改造方案。具体改造内容如下：

（1）道路平面线位、纵断面、横断面型式均与现状保持一致。

（2）对五四大街交叉口和胜利路交叉口进口道进行渠化展宽设计，以提高交叉口通行能力（见图9）。

图9 新宁路与五四大街、胜利路交叉口渠化设计图

（3）旧路面采用挖除新建并进行路基处理的改造方案，以确保路基的抗变形能力和整体稳定性。其中昆仑西路- 五四大街段路基土为Ⅲ级（严重）自重湿陷性黄土，路槽以下换填200 cm 8%石灰土；五四大街- 胜利路段路基土为Ⅱ级(中等)自重湿陷性黄土，路槽以下换填150 cm 8%石灰土，分层压实回填。

（4）现状公交停靠站路面病害较多，对沿线3 处港湾式和4 处占路式公交站点处路面结构进行原位加固处理。

（5）改造路面结构垫层与基层应具有较高的强度、水稳定性、较小的温缩和干缩变形、较强的抗冲刷能力及应力扩散能力。沥青面层应具有足够的结构强度、抗车辙、抗裂、抗疲劳、平整、抗滑、耐磨等特性[5]。新宁路路面设计参数见表3。

表3 新宁路路面设计参数表

新宁路改造路面结构图见图10。其中，公交车站处路面结构需结合《西宁市港湾式公交停靠站建设指导意见》进行加固处理，将上基层调整为22 cm C25 水泥混凝土（配连续钢筋网片φ10），其余结构层与标准路段车行道路面结构层保持一致。

图10 新宁路改造路面结构图

（6）对现有绿化带、路缘石、无障碍及交安设施进行更新改造。

4 结 语

（1）研究了城市道路沥青路面的常见病害类型及破坏机理，分析了沥青路面改造设计要点，并结合工程实例阐述了城市沥青路面改造设计内容及流程。最后提出了安全可靠、技术先进、经济合理的改造方案。

（2）新宁路改扩建后通车1 年多，目前路面运行状况良好，无病害。

（3）该方案对提高沥青路面使用性能及使用寿命具有重要意义，可对以后类似改造项目提供借鉴。