非对称路面结构在高速公路路面设计分析

文/蒋明、黄升

1 前言

路面结构层是路面中各个铺设层的部分，根据所处的位置和作用不同，可以分为面层、基层与垫层。路面在运营中，因为车辆荷载的逐步作用和自然条件的影响，导致一定深度范围内影响比较严重，威胁到整个结构的性能。因此在路面铺设施工阶段，需要将材料性能好的用于上层结构中，材料品质差的需要将其放在受力面积小的位置上，从而提高整体结构的性能。

2 路面结构层简述

2.1 面层

2.1.1 刚度和稳定性

面层为路面最上方的一层结构，在运行中，车辆的作用力、重力荷载等直接作用造成了该结构部分的影响很大。同时自然降水、环境温度产生变化，在一定的范围内给路面结构产生一定影响，使整体承载力满足不了设计规范要求。因此，面层在路面施工中最为重要的一方面就是质量的管理。此外，面层和其他结构层进行对比分析，它存在的特点是比较明显的，无论是在深度或是强度还是耐久性上，都比普通的施工方式要好，所以要提起足够重视。

2.1.2 沥青面层

沥青面层很多情况下都会包含2～3 层，表层一般称为磨耗层。其主要作用在于将水平面的磨损力抵消，提高整体结构性能。中面层与下面层是沥青的主要结构部分，能够保护面层结构，提升结构强度性能。

2.2 基层

一般而言，基层主要处于面层下部位置或是路基结构的上部位置地方。基层的作用就是承载面层传输下来的车轮垂直力，同时将该力量传输到下层。此外，基层在一定的程度上，还会受到地下水渗漏水产生的腐蚀影响，所以在进行基层铺设施工环节过程中，需要选择具备强度、高性能好抗水性良的材料作为基础材料。就目前而言，在基层铺设施工材料中常见的材料有石灰材料、沥青材料、水泥材料等等。这些材料的应用效果比较好，并且在基层施工的过程中可以按照上基层施工底部基层施工两个位置进行施工，对于上基层施工它的承载力很大，因此在进行基层施工上选择的材料强度需要按照实际的要求选择。而在基层下部结构施工的过程中，其主要产生的是辅助作用，对于材料的选择性比较高。所以应该保证在合理的范围内，底基层的铺设材料逐步放宽，有效降低施工成本，达到交通运行的需要[1]。

2.3 垫层

垫层主要位置在基层与土基层结构位置上，垫层的主要目的在于排水、隔水隔温。在一定程度上将传递下来的荷载分散，提高整体路基的强度。在具体施工过程中，对于不同的位置需要设置不同结构的垫层。当路基稳定状态不稳定时需要设计，而在垫层施工的过程中材料长度选择的要求不是很高的情况下，只要满足隔水隔温的要求即可。通常情况下，都会就近选择施工材料，应用一些松散度较高的颗粒材料，或者是应用水泥或者石灰煤渣的方式进行。值得注意的是，在采用松散透水性能比较高的材料进行下部结构施工的时候，需要在其位置下设置相应的过滤层，减少外界渗漏水产生的影响，提高整体路面结构的稳定性。

3 非对称路面结构设计

非对称路面结构，设计时必须严格按照公路路面设计技术标准和构造基础原理进行，一般需要在双圆的垂直分布荷载影响下，形成多层弹性结构体系，确保弯沉值再试验处理，并且需要进行面层、基层、底基层部分实现拉应力的检测，达到结构性能的使用标准。

3.1 弯沉值的相关计算

在进行弯沉值计算的过程中，需要将弯沉值控制在理想的状态之上，并且按照车道运行累计次数以及面层还有基层的要求进行控制，达到车辆运行对路面产生负载的要求。一般来说，在标准轴载100kN 的作用下，能够检测确定出最大回弹弯沉值数据。

3.2 轴载的换算

轴载换算的过程中，按照我国现有的规范技术要求，以双轮单主轴的方式进行计算，路面设计标准轴载为双轮组单轴载100kN，使用BZZ-100 表示。通过和对称路面设计做出分析，该结构形式在设计中根据上行线和下行线中交通量的不同进行设计，并且需要在各自的设计年限中累计当量轴次以及设计弯沉值完成计算，根据弯沉值实现上行线和下行线的路面厚度计算确定，对沥青混凝土面层以及半刚性材料基层与底层部分的拉力进行详细计算分析，保证结构的性能符合标准要求。

4 非对称路面结构设计方案

4.1 轴次和弯沉值设计计算

路面设计时，进行轴次的数据估算，通常情况下所应用的非对称结构设计中上行线与下行线中的车道累计单量轴次有着很大的差异。因此，应该通过估算下的车道应用年限内进行车道累计单量轴次作为基础进行计算，分别确定各自的弯沉值数据。例如，某设计年度车道累积的单量轴数量为5.6×107 次，那么在进行弯沉值计算时，则需要按照16.9（1/100mm）要求计算；当下行线车道累计量次为3.54×107 次时，计算要求则按照18.5（1/100mm）进行。通过对确定数据分析可知，在上下行线路的单量轴计算的过程中，其差异值为2.06×107 次[2]。

4.2 路面结构层厚度的计算

在路面结构层厚度计算的过程中，需要考虑路面层的荷载问题。同时，按照累计轴次与弯沉值数据的要求，根据非对称路面结构计算，计算后就能够得到路面结构厚度尺寸。

4.2.1 上行线采用4cm 且采用材料为SBS 沥青混凝土材料时，配合8cm 的AC25 型号混凝土材料作为面层结构，同时配置52cm的水泥稳定碎石，使其能结合为复合型结构。

4.2.2 行线设置主要采用的是4cm 中型的SBS 材料与8cm 的沥青混合料配合施工，同时加上水泥稳定碎石基层（47cm）与碎石垫层（20cm）作为结构层。从具体的应用实际情况分析，发现本次设计中的各个层都能够达到性能的要求和交通的运行需要。

5 非对称路面结构组合设计要点

5.1 各结构层荷载应用分布特点

新建设路面在正常运营后，各个结构部分承受比较大的荷载，而荷载的大小会伴随着路面结构层深度的增加而逐步增大。因此，在设计的过程中，必须要结合不同层的使用需要选择合适的施工方案，达到公路运行荷载的需要。在路面结构的设计中，根据强度从上到下逐步递减的方式组合设计，这种方式的确定可以通过非对称的路面结构层设计，取得非常好的效果。同时利用这种设计方式，在今后的施工中，让材料的选择更加顺利进行，满足就地取材的目的要求，保证成本控制在合理的范围内，保护项目的经济效益。在非对称路面组合材料以及构件重新组合设计过程中，应该分析材料变化规律。如果发现路面层模量关系相对比较特殊，应该全面控制各个层的拉应力；如果差值超过材料的承受力范围，就说明该结构出现了断裂的问题。因此，应该加强各个设计参数的控制。考虑到设计方案的实际情况，土基在基层模量比设计中，应该保证其参数值设定在0.08～0.40之间，基层和面层的回弹模量比应该限定在0.3 以内，实现非对称的路面结构组合优化设计中拉应力的全面控制。结合具体的结构层形式，采用符合要求的施工材料，充分了解各个结构层变化的实际情况，最终保证组合设计方案符合要求。

5.2 各结构层特性以及相互影响

从非对称结构方面分析，其结构中包含很多的材料，在不同的层面中应该使用不同的施工材料，所以材料的强度性能也会给组合层的性能产生比较大的影响。在进行组合设计环节，要分析不同材料所产生的影响，避免出现结构层的差异排除。对新建设的沥青混凝土路面结构形式分析，都会应用水泥、石灰等材料。该材料温度会产生相对较大的影响，如果施工工艺有明显问题存在，就会出现裂缝问题。因此，在设计中必须要采取必要的应对措施，防止基层材料收缩带来影响。比如在设计中增加部分细料的比例，或者是增加结合料的含量，能够有效消除反射裂缝的问题。此外，在设计环节，还应该适当增加面层的厚度，或者是根据需要增设沥青碎石缓冲层等形式。对于潮湿或者黏性的路基结构来说，不能直接进行铺设施工[3]。在具体操作中，可以选择合适的路基顶面设计方式，布置土工各层，防止出现掺杂而导致不同层污染的问题。在组合设计阶段，各个层都要达到紧密度的要求，避免存在滑移的问题。沥青面层、半刚性基层和粒料之间应该有相应的透水层，根据技术标准布置多层沥青材料，符合设计标准，提升工程的质量水平。

6 非对称路面结构组合设计原则

在非对称路面结构实施组合设计时，除了应该综合分析各个结构层的特点之外，还应该根据如下的基本原则开展设计。

6.1 适应行车荷载作用的要求

对形成荷载的作用下给路面造成的应力影响，在路面结构组合设计中，应该根据路面强度与刚度性能自上到下逐步递减的规律实现路面的分层处理，并且需要考虑到施工工艺、材料规格等方面，层数的控制达到合理性的要求，厚度要符合结构层的标准，不会影响结构性能。

6.2 优选材料的原则

在具体的设计中，为了切实保证非对称路面稳定性合格，在基层材料的选择中，应该保证材料性能符合标准要求。如果该地区是季节性冰冻区域，应该在路面结构上布置有翻浆垫层和防止冻胀垫层结构，设计中保证总体的厚度达到基本要求，提升防冻厚度的标准要求。

6.3 满足各个结构层各自的特点

新建设路面在结构组合设计环节，为了让整个结构层之间的设计达到连续性的要求，应该进行各个结构之间紧密度的控制，保证路面结构组合设计中，达到结合面耐久性、基层结实、稳定性的标准和综合性能的要求[4]。

7 非对称路面结构设计的优缺点

7.1 优点

在非对称路面结构设计中，上行线与下行线的路面结构设计的厚度应该根据交通道路通行量和结构承载性能设计，防止重载车辆受到严重影响导致结构损坏，同时还应该尽量减小轻载车辆的道路厚度，实现成本降低。该结构形式应用到运输距离比较长、载重量比较大的煤矿以及建筑材料的运输道路上，可以产生更好的效果。

7.2 缺点

非对称路面结构形式有着较高的针对性，这就说明使用范围也会受到较大的影响，并不是所有的高速公路都能够使用非对称的路面结构形式施工，一般都是应用到重载路面中。另外一个重要的设计方向就是轻载。因此，该结构设计方式主要是应用到丰富矿藏或者运输重载材料的地带中，并不会适应普通的高速公路项目[5]。

8 结语

总体而言，在非对称路面结构设计的过程中，需要考虑到路面的排水性能与车辆通行荷载的性能，在设计上对设计方式进行创新。高速公路的路面设计不能仅仅使用某一种路面结构形式，而是需要充分考虑到实际情况，结合自然环境、地质条件等因素，考虑到交通量、运输荷载等选择合适的结构形式，保证公路工程的质量，降低建设成本，有着较高的经济价值和社会价值。