依托实体工程的高速公路下面层结构优化分析★

杨 勇，王志亮，罗有栋

（1.太原西北二环高速公路发展有限公司，山西 太原 030025；2.长安大学特殊地区教育部公路工程重点实验室，陕西 西安 710061）

0 引言

随着我国国民经济的高速健康发展，我国的高速公路网不断完善，高速公路交通量增长和重载车辆剧增已成为必然，从而对路面结构的要求越来越高［1］。由于我国高速公路建设初期经济基础薄弱，资金匮乏，而半刚性基层具有整体强度高、造价低、材料易得等优点而成为我国高等级公路采用最多的结构形式［2-3］。但其在交通荷载和温度荷载的重复作用下，路面普遍存在着反射裂缝，从而导致路面抗车辙能力不足和耐久性差，这样就使得高速公路后期养护和维修费用大幅度增加［4-5］。

针对半刚性基层沥青路面的缺点，国内采取了多种措施，但效果均不明显［6-8］。因此对沥青稳定碎石这一种柔性材料的研究和应用越来越重视［9］。沥青稳定碎石具有较高的强度和刚度、较好的水稳性和高温稳定性，不易产生收缩开裂等优点［10-11］，但作为柔性基层建设费用比半刚性基层高。因此一种新的结构组合形式是将半刚性基层与柔性基层结合，采用沥青稳定碎石这种柔性层作为高速公路下面层，而基层仍然采用水泥稳定碎石作为半刚性基层，从而发挥两者的优点［12］。本文依托实体工程，将沥青稳定碎石ATB-25和AC-25作为路面下面层时的性能进行比较评价，探究了优化路面结构的合理性。

1 依托工程概况

本文依托工程建设里程全长约为94 km，作为山西省 “三纵十二横十二环十五条连接线” 高速公路网规划中的第七条连接线，它的建设能有效地缓减S313，S218，S252，S217和G209国省干线公路的通行压力，起到较大的分流作用，交通等级属于渠化特重交通与重交通，项目所在区域昼夜温差较大，夏季短暂炎热多雨，冬季漫长寒冷，从而对高速公路沥青路面结构和材料有更高的要求。

选择合理的高速公路路面结构方案，可以防止路面早期出现裂缝、车辙等病害，提升路面结构力学性能、路用性能，降低工程造价。图1为原设计路面面层结构图。原设计路面面层结构基本合理，下面层采用AC-25，路面结构总体设计完全满足现行规范要求。但通过多方面分析后，将图1路面结构优化为图2的路面结构。本文对由图1优化为图2过程所考虑的几方面因素进行了以下分析。

图1 原设计路面面层结构

图2 优化设计后路面面层结构

2 两种可选混合料级配对比

表1，表2分别为下面层ATB-25和AC-25配合比设计级配范围与合成级配。如表1，表2所示，相比于粗粒式沥青混凝土AC-25，粗粒式沥青稳定碎石ATB-25同样具备骨架结构，且粗粒式ATB-25细集料较少，粗骨料较多，因而有更好的高温稳定性，不易出现车辙、壅包和波浪等病害。ATB-25是密级配结构，所以兼具有AC-25良好的低温性能、水稳性能和抗疲劳性能，在行车荷载作用下裂缝较少，冬季不易产生温缩裂缝。整体上看，依托工程项目下面层采用ATB-25具有较好的骨架结构，同时结合了密实原则，形成 “骨架-密实” 型结构，能够克服粗粒式沥青混凝土AC-25由于油石比偏高、矿料级配偏细从而造成抗车辙能力较差的缺点。

表1 粗粒式ATB-25配合比设计级配范围与矿料合成级配

表2 粗粒式AC-25配合比设计级配范围与矿料合成级配

3 两种混合料性能对比

3.1 水稳定性

本研究采用沥青混合料浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验评价ATB-25和AC-25的水稳定性能。试验方法分别参照T 0709—2011和T 0729—2000［13］，试验结果分别见表3，表4。

表3 ATB-25和AC-25浸水马歇尔试验结果

表4 ATB-25和AC-25冻融劈裂试验结果

由表3，表4可以看出ATB-25和AC-25残留稳定度与冻融劈裂强度比均满足规范要求。通过比较沥青稳定碎石ATB-25、沥青混凝土AC-25混合料的浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验结果，可以知道两者试验数据相差不大，表明它们具有类似的抗水损害能力。

3.2 高温稳定性

沥青混合料的高温稳定性采用车辙试验进行评价。参照T 0729—2000成型300 mm×300 mm×50 mm试件，模拟实际车辆对路面的碾压作用。试验温度为60℃，轮压为0.7 MPa，采用动稳定度评价沥青混合料的抗车辙能力。表5为沥青混合料ATB-25和AC-25高温车辙试验结果。可以看出，作为骨架嵌挤结构的沥青稳定碎石ATB-25的动稳定度比AC-25高62%左右，ATB-25比AC-25的高温抗车辙能力好。

表5 ATB-25和AC-25车辙试验结果

4 两种混合料动态压缩模量对比

沥青路面结构设计指标与模量的取值关系密切，其取值的合理与否是沥青路面结构设计的前提与基础，同时关系到路面的使用寿命和工程的造价。2017年颁布的《公路沥青路面设计规范》［14］采用动态模量替代旧规范中的抗压回弹模量作为设计参数进行路面结构设计，这是因为动态模量能够更合理地反映沥青混合料的特性，更真实地反映路面的实际工作状态。

ATB-25和AC-25压缩动态模量参考已有文献试验结果如表6［15］所示。可以看出，在两个温度下，ATB-25在相同频率下的动态压缩模量均比AC-25大，说明ATB-25具有良好的力学性能，能有效地扩散交通荷载，减少路面病害。

表6 ATB-25和AC-25在不同加载频率下的动态压缩模量

5 两种混合料经济性对比

从工程造价角度分析，沥青稳定碎石ATB-25油石比范围约为3.4%～3.6%，比沥青混凝土AC-25用油量少约0.3%～0.5%，结合材料、人工和机械等单价综合计算，虽然采用的ATB-25的厚度比AC-25厚度要大1 cm，但预算仍比AC-25低，可以预计依托工程下面层采用ATB-25能降低路面造价，获得较好的经济效益。

6 结论

1）设计的沥青稳定碎石ATB-25为骨架密实结构，与AC-25相比，细集料较少，粗集料较多。同时，ATB混合料油石比较低，有较好的经济效益。

2）ATB-25与AC-25抗水损害能力相当，但ATB-25的高温稳定性能比AC-25的更好，有着较高的抗车辙能力，不容易出现车辙、壅包和波浪。

3）ATB-25的动态模量比AC-25的要大，有着更好的力学性能，能有效的扩散应力，减少病害。

4）本文依托实体工程高速公路对路面结构下面层的优化分析成果，对我国其他高速公路路面结构的优化具有重要的参考价值。