高速公路短路基路面结构设计

王 伟

（山西省交通科学研究院，山西 太原 030006）

随着公路建设的发展，山区高速公路的建设也逐步增加，山区地形地质条件复杂，桥隧比例高，容易出现桥与桥或隧道之间的短路基，短路基段落长度短，位置分散，路基基础与桥、隧等构造物相比差异性很大，且施工困难，容易形成公路病害，因此，山区高速公路短路基路面结构设计应重点研究。本文以某山区高速公路为例，对短路基路面结构组合进行分析。

1 短路基的特点

由于山区地形起伏，路线受地形和线位等因素的制约，位于桥隧等构造物之间的短路基多位于高填或深挖路段，因此，短路基具有如下特点：

a）路基位于桥隧等构造物之间，长度短、位置分散且多数为高填方或深挖方。

b）由于短路基多数位于地势陡峭路段，且里程很短，造成大型机械操作及搬运难度大，必须采用人工或小型机具，因此，施工质量难以控制，尤其是路基压实度难以保证。

c）由于压实度不合格、填料不均匀以及路基与桥隧等构造物之间基础刚度差异性大等因素，容易造成短路基不均匀沉降，从而导致路面结构层损坏，影响公路通行。

d）短路基多位于桥隧等构造物之间，位置分散且长度短，大型施工机械运输及操作困难，因此，短路基路段施工只能使用小型机具。

e）目前山区高速公路短路基路面结构与普通路基段落相同，通车后易出现路基不均匀沉降和路面开裂，从而说明目前短路基路段的路面结构并不合理。

2 短路基路面结构组合设计

2.1 面层

2.1.1 面层型式选择

水泥混凝土路面刚度大，可以弥补短路基压实控制难的不足，同时可以减缓路基不均匀沉降带来的路面损坏，因此，水泥混凝土路面应用于短路基是合理的。然而由于短路基的不利因素较多，如压实度不足、不均匀沉降严重等，易使水泥混凝土面板局部应力过度集中，导致水泥混凝土路面过早损坏，影响公路通行，因此，必须增强水泥混凝土的抗弯拉性能。

目前水泥混凝土路面主要是掺入钢纤维、减水剂或设置钢筋网以提高路用性能。对于短路基来说，路面工程量小，位置分散，不适合复杂的施工工艺，因此，在混凝土中掺加钢纤维，这种方式既操作简便又能达到大幅度提高抗折强度的要求，同时钢纤维水泥混凝土的搅拌、摊铺等工艺与普通水泥混凝土基本一致，且钢纤维混凝土具有较高的抗裂、抗弯拉、抗疲劳性能，减少了接缝设置。

由于本项目其他路段是沥青混凝土路面，而短路基路段是钢纤维混凝土路面，会使沥青路面施工时摊铺作业中断，且两种路面型式在同一公路中交替出现，既影响公路美观又影响行车舒适性，因此，短路基路段宜采用复合式路面，即钢纤维水泥混凝土（SFRC）上加铺沥青混凝土（AC）。

复合式路面应用于短路基部分，具有以下优点：

a）沥青混凝土面层行车舒适性高、噪声小、施工连续性好。

b）沥青混凝土面层减小了钢纤维混凝土面板的荷载应力，降低了温度梯度，减小了温度翘曲应力，延长了钢纤维混凝土面板的使用寿命。

c）钢纤维混凝土刚度大、抗折强度高，克服了短路基部分压实度和不均匀沉降带来的不利因素。

综上所述，短路基路段使用复合式路面较为合理，下面对复合式路面进行分析设计。

2.1.2 钢纤维混凝土面层

2.1.2.1 接缝设置

根据水泥混凝土路面的温缩、干缩特性，需设置接缝以防止混凝土板断裂；然而接缝过多影响路面使用性能和车辆舒适性，应尽量少设。

钢纤维混凝土面板长一般为6～10 m，最大面板尺寸不应大于6×12 m[1]，而在本项目中，钢纤维混凝土上面有沥青混凝土层，受温度和湿度影响小，可不设接缝，以避免在沥青面层上产生反射裂缝。

2.1.2.2 厚度设计

钢纤维混凝土面层的厚度受其掺量影响。根据水泥混凝土路面设计规范可知，钢纤维体积率一般为0.6%～1.0%，重交通时的最小厚度为16 cm；中等交通时的最小厚度为14 cm[2]。本项目为复合式路面，钢纤维混凝土面板受温度和车辆荷载的影响都有不同程度的减小，同时结合本项目的特点、交通量预测及组成、钢纤维种类及相关试验等，确定钢纤维的掺量为40 kg/m3（体积率0.5%）（该掺量下钢纤维混凝土28 d抗折强度可达6.0 MPa）。

综合以上因素并参照以往该地区修建高速公路的成功经验，建议短路基路段钢纤维混凝土板的厚度为22 cm。

2.1.3 沥青混凝土面层

短路基段落在全线的占比较小，没有必要单独设计，因此，短路基复合式路面中的沥青混凝土上面层厚度可参考普通路段。根据《复合式路面设计原理与施工技术》中关于对沥青混凝土+碾压混凝土（AC+RCC）复合式路面的研究得知，在高速公路中沥青面层厚度不小于7 cm[3]。而本项目普通路段的沥青混凝土路面结构层为4 cm细粒式改性沥青混凝土（AC-13）+6 cm中粒式沥青混凝土（AC-20）+6 cm中粒式沥青混凝土（AC-20），桥面铺装采用4 cm细粒式改性沥青混凝土（AC-13）+6 cm中粒式沥青混凝土（AC-20），隧道路面同样采用（4+6）cm的双层沥青面层（上面层添加阻燃剂）。因此，短路基路段的沥青面层宜采用4 cm细粒式改性沥青混凝土（AC-13）+6 cm中粒式沥青混凝土（AC-20）双层结构，以保证沥青路面施工的方便性和经济性。

综上所述，短路基路段的路面结构层宜采用4 cm细粒式改性沥青混凝土（AC-13）+6 cm中粒式沥青混凝土（AC-20）+22 cm钢纤维水泥混凝土的结构型式，不仅克服了短路基的缺点，而且保证了沥青层施工的连续性。

2.2 基层

短路基高填、深挖段落多，路基状况复杂。填方路段基层直接铺筑在路基上面，受地下水影响较小，但是由于填方高度较高，受现场条件限制和施工质量影响，填方的压实质量无法保证，不均匀沉降较为严重，因此，基层必须选用刚度大、扩散能力强的材料，以减少路基的不均匀沉降。水泥稳定碎石属于半刚性材料，高速公路中应用广泛，施工技术成熟，应用于填方路段的短路基非常合适，且本项目普通路段基层材料也是水泥稳定碎石，有利于施工。

山区挖方路基由于开挖较大，还应考虑地下水的影响。如果挖方路床距地下水位线较大，受地下水影响小，短路基挖方段的路基状况与填方路基相似，为方便施工，路面基层宜采用水泥稳定碎石。如果局部路段地下水位较高，尤其是路基开挖至水位线以下时，由于地下水的毛细作用，加上地表水下渗，容易使水进入基层底部或基层与钢纤维混凝土板之间，导致底部脱空，在车辆荷载作用下，造成混凝土板块断裂，形成反射裂缝损坏沥青面层，因此，地下水丰富的挖方路段基层材料须具有良好的透水性。而级配碎石基层具有良好的透水性，在高速公路中使用较多，技术成熟，可应用于地下水丰富的挖方路段。

综上所述，对于短路基路段的基层，应根据填挖情况分别考虑，如果短路基位于高填方或距地下水位线较大的挖方路段，受水的影响较小，为方便施工，宜采用水泥稳定碎石基层；如果挖方路段开挖至水位线以下，宜采用级配碎石基层。

2.3 垫层

垫层位于基层与土基之间，其主要作用是隔水、排水、防冻、扩散荷载及减少路基变形。

垫层的设置应根据短路基的地形、水文地质情况进行考虑：

a）在季节性冰冻地区，当路面总厚度小于最小防冻厚度时，应设置垫层，以防止冻胀翻浆现象的发生。

b）地下水丰厚的路段，应设置垫层以利于排水。

c）短路基填方段落不均匀沉降严重，应设置半刚性垫层。

3 结论

通过对短路基路段的分析，并结合本项目特点，得出其合理路面结构型式：

a）短路基路段宜采用AC+SFRC复合式路面，沥青面层应与普通路段一致，采用4 cm细粒式改性沥青混凝土（AC-13）+6 cm中粒式沥青混凝土（AC-20），钢纤维混凝土路面不设接缝，厚度建议值22 cm。

b）基层根据地下水情况分别考虑，当短路基位于高填方或距地下水位线较大的挖方路段，宜采用水泥稳定碎石基层；当挖方路段开挖至水位线以下时，宜采用级配碎石基层。

c）根据水文地质条件及防冻要求合理设置垫层。