高速公路路面结构设计

孟金磊

（中交远洲交通科技集团有限公司，河北石家庄 050000）

1 工程概况

我国某市拟修建一段高速公路，设计行车速度100km/h，该公路位于城市边缘地带，周围地形条件复杂，为保证公路施工后的行车安全，要求做好该公路路面结构的设计，提升路面的使用性能，延长公路的使用寿命，本文基于此进行分析。

2 公路路面结构设计

2.1 垫层设计

（1）路面结构中主要分为垫层、基层与面层，其中垫层主要位于路面与路基，属于路面结构的一种，通过设置垫层可以避免路面积水渗透至路基结构中，也能避免地下水反浸入路面结构层，从而实现隔水的作用。同时，垫层还具有隔温的作用，避免路基因遭受冷空气影响而发生冻胀，本工程垫层的设计并非贯穿于全线公路结构，主要设置于部分地基土质较差的位置，以提升公路的整体性能。

（2）路面垫层采用的材料从工程场地选取即可，可以使用的材料包括水泥、石灰、煤渣等，当采用松散透水的材料作为路面垫层时，需在垫层上方设置反滤层，以提升垫层的性能，避免其结构内部遭受破坏，垫层的设计厚度根据公路的实际情况综合确定，本工程垫层的实际厚度在10～15cm[1]。

2.2 基层设计

2.2.1 基层结构

基层作为路面的承重层，用于提供路面所需的全部承载力，根据我国现行的路面设计规范可得，路面的承载力利用轴重100kN路面的弯沉值表示，如路面承载力不足，则路面弯沉值会过大，从而导致基层底部的拉应力超过容许值，并将因拉应力引起的破坏向上延伸，直至整个路面结构遭受破坏，面层表面出现严重的裂缝、变形。

因此，本工程路面基层结构设计时采用半刚性基层，半刚性基层分为基层与底基层两部分，其中基层为主要承重层，底基层作为辅助承重层，利用两者的相互衔接提供路面所需的全部承载力。

2.2.2 基层材料

（1）基层设计为半刚性基层结构，选用的基层材料应具有收缩性小、抗冲刷能力强的特点，目前常用的基层材料包括水泥粒料、石灰粉煤灰粒料，材料的配比形式分为密实性和悬浮式两种。其中，悬浮式配比形式与密实性相比，虽然成本较低，但性能差距较大，不适用于高等级公路。因此，本工程设计基层材料选用水泥稳定粒料，材料配比形式设计为密实性[2]。

（2）选用水泥稳定粒料作为基层材料时，其性能及粒径大小应满足《公路路面基层施工技术细则》（JTG/T F20—2015）规范的要求，其中稳定粒料中的粗集料其压碎值应不小于26，水泥材料的初凝时间应大于3h，终凝时间应大于6h且小于10h。

（3）底基层作为半刚性基层的底层，主要作用与基层不一致，因此，对底基层材料的要求没有那么严格，底基层的材料选用稳定的细粒土即可。如施工场地内存在粉煤灰土质的区域，则为节约施工成本，底基层可选用二灰土或二灰砂材料。

2.2.3 基层厚度

基层厚度的设计主要分为底基层厚度与基层厚度两部分。其中基层采用的材料为水泥稳定粒料，材料本身的抗冲刷能力较强，其厚度对基层本身性能影响不大，但底基层位于基层下方，其采用的材料为细粒土，此类材料的抗冲刷能力较差。当设置的基层厚度较薄时，路面积水经行车荷载冲刷至基层后，会很快透过基层而对底基层造成直接影响，进而导致路面出现唧泥的问题。

因此，本工程基层厚度的设计主要是避免积水对底基层材料的冲刷影响，根据多次试验以及国内相关公路的实例分析得知，当基层厚度与路面面层厚度保持在27～30cm时，已经可以避免底基层遭受冲刷问题。为此，本工程采用两层基层，基层设计为每层20cm，底基层厚度与基层一致设计为20cm[3]。

2.3 面层设计

2.3.1 面层结构

（1）基层设计完成后开始路面面层的设计工作，本公路面层设计为沥青面层结构。在沥青面层设计中，我国多采用2 种形式，分别为2 层沥青面层与3 层沥青面层，其中2 层沥青面层分为底面层与表面层，3 层的沥青面层分为底面层、中面层和表面层，各面层的性能均不相同，但其主要作用均是保证路面的使用性能，本工程路面面层设计为3层结构。

（2）表面层主要位于路面的最顶层，与行驶的车辆直接接触。因此，表面层结构的设计中，应使其具有一定的抗滑能力、平整度，以保证行车安全，同时还可以减少因行车而产生的噪声，避免对周围的居民产生噪声污染。此外，表面层会直接遭受自然环境的侵蚀，如雨水的冲刷，温度变化而发生的形变等，因此，表面层结构的设计还应具有一定的抗渗性能、抗变形能力[4]。

（3）中面层位于路面面层下方，其不与行驶车辆直接接触，但要承受表面层因行车荷载而传递下来的剪应力。因此，在中面层的设计中应通过合理的设计保证中面层的抗剪切变形能力，提升中面层的抗剪强度。若设计工作中其抗剪切能力不足，公路施工完成且投入使用后，路面将无法承受行车荷载而产生的剪应力，从而导致剪应力容易破坏路面内部结构，最终导致路面表层出现严重的车辙、坑槽等问题。

（4）在路面结构中底面层位于基层上方，即面层的最下方，其与基层直接接触，但由于本工程基层设计为半刚性基层结构，基层传递至面层的拉应力值较小，一般难以直接对底面层结构造成破坏。

因此，在底面层的结构设计中主要是保证其抗剪切能力，避免面层上方传递的剪切力对底面层结构造成破坏。此外，还要做好底面层的防水设计，避免在高温季节，自由水侵入面层后长期滞留于底面层，从而导致低面层材料被冲刷，产生剥落、松散的问题并进一步反馈至表面层，形成严重的危害[5]。

2.3.2 面层材料

（1）表面层：为满足表面层设计结构的性能要求，表面层材料应使用优质的沥青材料，具有高强度、抗压碎值、高磨光值、高磨耗值且颗粒含量小的立方体碎石材料，同时还要严格控制沥青的级配。目前，表面层中常用的沥青级配分为半开级配沥青混合料与密实型沥青级配混合料，其中半开级配沥青混合料适用于温度较低的寒冷地区，在温度较高的区域使用会导致自由水长期存在于路面的表面层空隙中，长时间侵蚀下会发生沥青剥落、松散等问题，而密实性沥青混合料级配的热稳定性及抗渗性能均要优于半开级配。因此，本工程路面表面层的沥青混合料设计采用密级配沥青混合料。

（2）中面层：路面中面层混合料的设计，应保证中面层的抗剪切能力，同时还应考虑沥青混合料的高温稳定性，根据《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40-2004）规范得知，通过调整中面层混合料碎石级配和含量，便可以增加中面层的高温稳定性及抗剪切能力。因此，中面层能材料设计时可以适当调整碎石的级配和含量，以减少沥青混合料的孔隙率与不透水性，提升其高温稳定性和抗剪切能力[6]。

（3）底面层：目前在我国公路沥青路面底面层材料的设计中，多采用沥青碎石材料，但经科学研究调查表明，采用沥青碎石作为底面层，当基层出现开裂问题后，裂缝会从沥青路面的表面层开始产生，沥青碎石基层根本起不到预防作用。因此，本工程沥青路面底面层以设计为密实性的沥青混凝土材料，且底面层混合料的沥青含量可以更高，宜比表面层最佳沥青含量高出0.2%～0.3%，以增加底面层的抗荷载疲劳性能、抗剪切能力以及防水性能。

2.3.3 面层厚度

首先，根据对公路路面采用的半刚性基层设计结构的调查结果得知，路面半刚性基层完全可以满足路面车辆行驶所需的承载能力，路面面层的厚度对路面承载力不会造成任何影响；

其次，路面面层使用过程中出现的裂缝病害，大多属于温度裂缝，此类裂缝的产生是因为表面层沥青遭受温度的变化而发生形变，其病害程度与使用的沥青质量相关，与面层厚度并无直接关联；

最后，沥青各面层的性能均与采用的材料质量息息相关，与面层厚度关系不大。因此，本公路路面面层厚度的设计不会直接对路面的使用性能造成影响，基于对施工成本、面层的施工工艺以车辆行驶面层的磨损考虑，本工程路面表面层厚度设计为4mm，中面层厚度设计为5mm，底面层厚度设计为6mm[7]。

2.4 设计注意事项

2.4.1 注意抗滑性能

在本工程路面设计工作中，设计人员应注意路面表面层的抗滑性能。抗滑性能的强弱主要与表面层的摩擦系数相关，如设计后路面的抗滑性能低，则路面的摩擦系数就会偏小。当车辆在路面行驶时，若遭遇紧急情况就会导致刹车距离过长，一旦控制不到位就容易发生安全事故。如果设计后路面的抗滑性能过高，则路面的摩擦系数就会偏大，当车辆行驶时会对车的轮胎及路面造成极大的磨耗，既影响车的性能，又影响路面的性能。因此，路面表面层的抗滑性能十分重要，设计过程中可通过控制碎石材料的纹理深度，即碎石的磨光值以及面层的构造深度进行控制。

2.4.2 注意平整度

（1）路面平整度是公路的关键使用性能指标之一，平整度的好坏会决定人们的行车体验以及安全，如设计的路面平整度差，则车辆行驶中的颠簸感越强，驾驶人员的体验感就越差，同时车辆的油耗也会越高。而路面越平整，则行车体验就越好，油耗也就越低，同时路面养护工作也就越少。因此，本工程路面设计中应注意对平整度的控制。

（2）路面设计中可能会影响平整度的因素有很多。首先，针对路面的表面层，若采用的碎石材料级配不合理，则大粒径的碎石会凸出，从而导致路面不平整；其次，路面设计中如基层设计不合理，则基层的平整度会遭受影响，从而进一步反应至表面层，导致表面层的平整度遭受影响；最后，如设计中对平整度的要求不合理，导致施工后虽然满足设计要求，但仍不平整，也会导致路面不平整。

2.4.3 注意配合比设计

本工程路面设计中要注意对材料配合比的设计，其中针对基层材料的配合比，要注意做好水泥的用量控制，避免因水泥材料的用量过少而导致基层的强度不足，难以满足承载力的要求，或因水泥材料用量过大，导致混合料的其他性能遭受影响，对基层材料的配比可每间隔0.5%含量进行一次试验分析，从而确定最佳水泥含量；

针对密级配沥青混合料的配合比，要注意控制在沥青材料的用量，如采用的沥青含量或设计的油石比过大，则会发生泛油问题，并降低沥青混合料的抗变形能力，从而导致路面出现车辙病害，如采用的沥青含量或油石比过小，则会导致混合料的黏结性差，容易发生松散形成坑槽，对沥青含量的控制可以采用马歇尔试验进行确定[8]。

2.4.4 注意路面排水设计

路面使用过程中发生的很多病害均与水的侵蚀有关，因为自由式的侵蚀会导致路面面层、基层内部材料遭受冲刷，从而发生各种病害。因此，在本工程路面结构设计中应注意做好路面的排水设计，在结构内部合理设计排水层，同时可采用适量的透水材料，以及时将结构内部的水分排出，保证路面的使用性能。

3 结语

路面结构的合理设计对保证公路的使用性能具有重要意义，合理的路面结构不仅可以降低施工成本，提高经济效益，还可以有效地改善人们的行车体验，延长公路的使用寿命。因此，在高速公路路面结构的设计过程中，设计人员应综合考虑各种因素，密切结合当地的地质条件、交通量及气候变化等情况，选择适合当地使用的公路路面结构，从而保证公路的综合性能。