某高速公路路面结构类型比选论证及结构验算

摘要 为确定某高速公路路面结构类型，文章首先根据高速公路工可报告交通量调查结果，对公路交通组成及各特征年交通量进行了分析；其次初拟路面结构类型和结构组成，并对初拟的路面结构类型和结构组成进行方案优劣性对比分析，并给出推荐方案；最后对路面结构关键性指标进行验算。研究表明：该高速公路中，小客车占比最大，每年均在56%以上，且沥青混合料层层底拉应变、沥青混合料层永久变形量、无机结合料稳定层层底拉应力和路基顶面竖向压应变对应的设计车道上的当量设计轴载累计作用次数分别为4.55×10⁷、3.41×10⁹和7.80×10⁷；经路面结构类型和结构组成对比分析，高速路的路面结构采用沥青混凝土路面，路面总厚度为82 cm；经路面结构验算，路面结构推荐方案的无机结合料稳定层的疲劳开裂寿命、沥青混合料层永久變形量、防冻厚度、路基顶面验收弯沉值和路表验收弯沉值分别为1.267 039×10¹⁰、9.98 mm、0.55 m、186.7 （0.01 mm）和16.3 （0.01 mm）。

关键词 交通组成分析；路面结构组成；方案对比分析；路面结构验算

中图分类号 U416.2 文献标识码 A 文章编号 2096-8949（2024）04-0087-03

0 引言

高速公路的路面结构方案设计与受力分析^[1]，常常是路面结构设计的重点内容。为确保路面结构设计的合理性，对拟建公路的交通状况、超重载作用^[2]等进行分析是十分有必要的。沥青路面^[3]以其独特的优点常常用于高速公路路面中，沥青路面结构设计和验算时也存在或多或少的问题^[4]，基于多种规范体系^[5]，对路面结构方案进行综合对比分析，进而得出更合理的高速公路路面结构。

基于上述问题，该文以某高速公路为研究背景，在交通组成分析基础上，提出可能的路面结构方案，并进行对比分析，最后对路面结构进行验算。

1 工程背景

某高速公路全线采用双向四车道高速公路标准，路基宽度为27 m。拟建高速公路沿线沟壑纵横，高低起伏变化较大，地形条件复杂。沿线不良地质体主要为岩溶塌陷及人工开挖形成的地貌等，工程地质条件总体上较好。

2 交通荷载分析

2.1 交通量及交通组成状况

根据该高速公路工可报告交通量调查结果，公路交通组成及各特征年交通量如图1所示。

分析图1可知，小客车占比最大，每年均在56%以上。

2.2 系数取值

根据《公路沥青路面设计规范》，方向系数取0.55。新建路面可采用水平二（当地的经验值）或水平三（规范表A.2.5 车道系数）。该项目车道系数选用0.8。

根据该高速公路可提供的交通量，可确定该高速公路属TTC3。TTC3的车辆类型分布系数如表1所示。

2.3 当量设计轴载累计作用次数

设计车道上的当量设计轴载累计作用次数按式（1）计算：

式中，r——平均每一年交通量的增长变化率，其值为5.26%；N1值为2 471；t——设计使用年限。代入上述值即可得到当量设计轴载累计作用次数为1.984 725×10⁷（辆），根据交通荷载等级的划分标准可知，该条高速公路的交通荷载等级为特重交通荷载。

3 路面结构方案比选

3.1 路面结构类型比选

当前高速公路常见的路面结构有沥青混凝土路面与水泥混凝土路面两种，两种路面结构的对比情况如表2所示。

从工程造价、施工技术、使用效果、维修程度以及对环境影响等几个方面综合考虑，该高速公路路面结构类型选用沥青混凝土路面。

3.2 路面结构组成方案比选

3.2.1 路面结构组成初拟

目前国内常用的上面层有AC、SMA等结构，AC结构抗滑性能好，但抗水损害能力较差；SMA结构既密水又抗滑，但造价略高。该高速公路上面层推荐采用4 cm SMA-13沥青混凝土，在省内多条高速公路上已有成熟的应用经验。

考虑二灰稳定碎石前期强度低，水稳性较差，且料源供应受人为因素制约，不确定因素多，因此基层拟采用水泥稳定碎石；根据筑路材料的来源情况，底基层拟采用水泥稳定碎石。

3.2.2 初拟路面结构方案比选

结合上述初拟情况，给出了3种路面结构如图2所示，其对比分析如表3所示。

分析表3可知，该高速公路路面结构推荐采用方案一，该路面结构总厚度为82 cm。

4 路面结构验算

4.1 材料设计参数

拟定沥青混合料、基层与底基层材料的设计参数取值如表4所示。

4.2 土基回弹模量

该高速公路所经区域地质由第四系全系统冲洪积含砾粉质黏土及砂砾石组成，下伏燕山期花岗岩，寒武系凤山组白云质灰岩及白云岩，寒武系张夏组、馒头组页岩，灰岩，粉砂岩等为主，该项目土基静态回弹模量取60 MPa。

4.3 无机结合料稳定层的疲劳开裂验算

无机结合料稳定层的疲劳开裂寿命一般以无机结合料稳定层最底端在各种荷载作用下的拉应力为验算指标，拉应力可按式（2）计算：

根据公式计算得：R_a=9.98 mm。

4.5 防冻厚度验算

季节性冻土地区沥青面层，应按式（5）验算其低温开裂指数CI。

CI=1.95×10^?3S_tlgb?0.075（T +0.07h_a）lgS_t+0.15 （5）

经计算CI=0条

季节性冻土地区路基为中湿或潮湿状态时，应按式（6）计算公路多年最大冻深：

Z_max=abcZ_d（6）

根据公式计算得：Z_max=0.55 m。

4.6 验收弯沉值

路基顶面验收弯沉值，應按式（7）计算：

根据式（7）和（8）可计算得到路基和路面顶面验收弯沉分为186.7（0.01 mm）和16.3（0.01 mm）。

5 结语

主要结论如下：

（1）根据高速公路工可报告交通量调查结果，公路交通组成及各特征年交通量中，小客车占比最大，每年均在56%以上。沥青混合料层层底拉应变、沥青混合料层永久变形量、无机结合料稳定层层底拉应力和路基顶面竖向压应变对应的设计车道上的当量设计轴载累计作用次数分别为4.55×10⁷、3.41×10⁹和7.80×10⁷。

（2）经路面结构类型和结构组成对比分析，高速路的路面结构采用沥青混凝土路面，路面结构层主要由上面层、中面层、下面层、柔性基层、下封层、半刚性基层和底基层组成，路面总厚度为82 cm。

（3）经路面结构验算，路面结构推荐方案的无机结合料稳定层的疲劳开裂寿命、沥青混合料层永久变形量、防冻厚度、路基顶面验收弯沉值和路表验收弯沉值分别为1.267 039×10¹⁰、9.98 mm、0.55 m、186.7（0.01 mm）和16.3（0.01 mm）。

参考文献

[1]蔡之文. 高速公路路面结构方案设计与受力分析研究[J]. 建筑机械， 2023（6）： 159-162.

[2]魏远. 超重载作用下沥青路面结构设计研究[J]. 市政技术， 2023（6）： 42-45+68.

[3]苏贤锋， 赵世乐. 基于新版公路沥青路面设计规范的路面结构计算[J]. 工程与建设， 2019（3）： 430-431+433.

[4]王刚， 田苗旺， 李志飞. 沥青路面结构验算存在问题及解决方法研究[J]. 城市建筑， 2020（27）： 173-174.

[5]王方立， 程昊， 孙鸿伟. 多规范体系下柔性路面结构方案对比研究[J]. 公路交通科技（应用技术版）， 2019（8）： 22-24.

收稿日期：2023-12-07

作者简介：张桓铖（1990—），男，本科，工程师，研究方向：交通规划、公路道路施工、桥梁施工等。