高速公路改扩建的路面结构方案分析

杨世胜、王豹

（1.连云港市赣榆区交通运输局，江苏 连云港 222199 2.苏交科集团股份有限公司，江苏 南京 210018）

1 路面结构设计理论

1.1 工程概况

A 高速公路的某路段采用双向四车道的标准建设，设计速度采用120km/h，全线途经3 个区县6 个乡镇，路线全长40.653km。

根据公路自然区划的标准，路线所经区域公路自然区划为Ⅱ5区，属鲁豫轻冻区。除收费站及部分连接线采用水泥混凝土路面外，其余主线、匝道及被交道均采用沥青混凝土路面。

1.2 沥青路面的设计标准

沥青路面结构的目标可靠度采用95%，目标可靠度指标采用1.65。沥青混凝土路面以双轮组单轴100kN 为标准轴载，设计年限15 年。根据《公路沥青路面设计规范》（JTG D50—2017）要求，采用沥青混合料层疲劳开裂损伤、无机结合料稳定层疲劳开裂损坏、沥青混合料层永久变形量、路基顶面竖向压应变等指标作为沥青路面结构设计的核心指标[1]。沥青混合料层和无机结合料稳定层的开裂寿命应小于设计使用年限内当量设计轴载累计作用次数；沥青混合料层永久变形量不应大于其容许变形量；路基顶面竖向压应变不应大于规范计算得到的容许值。

双圆均布垂直荷载作用下的弹性层状连续体系理论是当前沥青路面结构计算的理论基础，根据基层、底基层类型，以无机结合料稳定层层底拉应力、沥青混合料层永久变形量为设计指标来计算路面结构厚度。

1.3 交通量分析和计算

以A 高速公路2 个路段的不同位置的现有交通量调查为基础，对未来一段时间的道路交通量进行预测和计算。将车辆按照《公路沥青路面设计规范》（JTG D50—2017）表A.1.2 分为11 类车型，根据交通量调查分析，方向系数取0.55，车道系数取0.75。根据交通观测资料分析2～11 类车型所占的百分比，得到车辆类型分布系数；根据现场交通荷载数据的调查分析，得到各类车型非满载与满载比例。

根据不同结构组合路面的设计指标，该设计路面对应的设计指标为沥青混合料层永久变形与无机结合料层疲劳开裂。

根据2～11 类车辆当量设计轴载换算系数，可得到在不同设计指标下，各车型对应的非满载车和满载车当量设计轴载换算系数。

经计算，得到沥青混合料层永久变形的当量设计轴载累计作用次数为2.88×107次，对应于无机结合料层疲劳开裂的当量设计轴载累计作用次数为1.51×109次。初始年设计车道大型客车和货车年平均日交通量为2270 辆/日，设计使用年限内设计车道累计大型客车和货车交通量为1.87×107辆，设计交通荷载等级为重交通。

2 路面结构设计验算及结构层厚

2.1 路面结构设计验算

路面结构计算以沥青混合料层疲劳开裂寿命、无机结合料层疲劳开裂寿命、沥青层永久变形量、路基顶面竖向压应变来算路面结构厚度[2]。

在《公路沥青路面设计规范》（JTG D50—2017）的基础上，结合江苏省路面结构组合的情况，分析有关试验资料，并参考已建高速公路路面结构使用情况，计算采用设计参数详见表1 和表2，各项验算结果汇总见表3。

表1 沥青路面面层结构设计参数表

表2 基层、底基层及土基结构设计参数表

表3 路面结构验算指标

根据表3 的计算结果可知，沥青层容许永久变形值、半刚性层疲劳开裂对应的累积当量轴次均满足路面性能要求，路面结构设计合理。根据《公路沥青路面设计规范》（JTG D50—2017）确定路基顶面和路表验收弯沉值，主线路基顶面验收弯沉值为100（0.01mm）。采用拟定的路面结构以及各层结构模量值，根据弹性层状体系理论计算得到路表验收弯沉值la 为22.0（0.01mm）。

2.2 路面结构层厚

对江苏省近年建设的高速公路路面结构进行了调研，各高速公路采用的沥青面层和半刚性基层的路面结构[3]。所有高速公路均采用了沥青路面结构，上面层普遍采用改性SMA-13 结构；中、下面层结构2010 年之前较多采用AC 结构，目前普遍采用了SUP结构。二灰碎石是江苏省以往路面的主要基层类型，但由于其水稳性较差，粉煤灰质量达不到要求且材料缺乏，目前基本不再采用。近年高速公路主要采用水泥稳定碎石或抗裂型水泥稳定碎石基层。底基层也由以往的二灰土、三灰土改为现在的低剂量水泥稳定碎石。沥青面层厚度为14～20cm，基层厚度为30～40cm（水稳或二灰基层），底基层（个别未设）厚度为18～20cm，结构层总厚度在70cm 左右。

因此，结合省内其他高速的路面结构情况和计算分析结果，主线、枢纽匝道上面层采用4cm SMA-13 SBS 改性沥青玛蹄脂碎石混合料，黏层采用乳化SBS改性沥青黏层，中面层采用6cm Sup-20 SBS 改性沥青混合料，黏层采用乳化SBS 改性沥青黏层，下面层采用8cm Sup-25 道路石油沥青混合料，下封层采用SBS 改性乳化沥青，基层采用36cm 抗裂型水泥稳定碎石，底基层采用18cm 低剂量水泥稳定碎石，路面结构总厚度为72cm。

3 抗车辙路面方案

3.1 长寿命路面材料的技术要求

随着我国高等级公路建设规模的持续增长，沥青路面的技术和质量控制水平也得到显著提升，沥青路面的早期损坏问题已经基本得到解决，但沥青路面的设计寿命和使用寿命还未得到明显提升，与欧美发达国家还存在一定差距。按照现行行业标准，我国沥青路面的设计寿命一般不超过15 年，而欧美发达国家沥青路面设计寿命普遍为20—40 年。《“十四五”交通领域科技创新规划》《“平安百年品质工程”建设研究推进方案》《江苏省交通运输科技创新发展战略纲要》及《交通强国建设纲要》等政府文件明确要求“提升基础设施寿命，降低全寿命周期成本”。围绕目前的行业建设需求，针对江苏省高速公路普遍存在的问题，开展长寿命路面相关研究可以适应目前形势需求。

根据江苏省部分高速公路路面状况及取芯调研结果，现阶段江苏省高速公路半刚性基层沥青路面的横向裂缝主要以基层反射裂缝为主，top-down 裂缝占比相对较少，统计结果如图1 和图2 所示。

图1 省内不同高速公路的top-down 裂缝占比情况统计结果

图2 省内高速公路不同断面车辙贡献率计算结果

不同断面的各层位车辙贡献率基本表现出中面层最大，平均值为47.3%，上面层和下面层车辙贡献率分别为24.7%和28%。调查表明，目前高速公路沥青面层下部结构病害明显。因此，需要对车辙贡献率最大的中面层材料进行了重点调研，通过采取措施减少路面车辙病害的产生。

3.2 抗车辙混合料的调研

针对车辙病害，高模量沥青混合料具有良好的抗疲劳特性、抗永久变形能力、抗水损害能力和经济性，可考虑引用[4]。法国的高模量沥青混合料（EME）与一般添加剂型高模量的混合料相比，其不仅在抵抗车辙变形方面有比较好的效果，而且在提高抗车辙性能的同时能够保证沥青混合料的抗疲劳性能。

3.2.1 高模量沥青混合料

高模量沥青路面材料技术源于法国，其设计理念是通过提高沥青混凝土的模量，减小车辆荷载及高温作用下沥青混凝土的应变路面结构的塑性变形，从而提高路面的抗车辙能力、减薄路面的厚度、提高路面的耐久性[5]。高模量沥青混合料是提高重载交通沥青抗车辙性能的一种主要技术途径。大量试验结果显示，沥青路面在超载和重载的作用下，车辙的最大剪应力部分主要是在沥青路面的中面层。根据国内外的高模量沥青的研究和使用情况，在中面层使用高模量沥青能够显著减少沥青路面在行车荷载下的应变和不可恢复变形，降低车辙的发生速度，从而提高沥青路面的使用寿命，且高模量沥青硬度大，高模量沥青材料放置在中面层，可以优化剪应力的分布，削减沥青面层结构内剪应力的峰值，对于改善沥青路面抗车辙稳定性具有明显优势，能够显著降低路面厚度，从而节省工程造价。

近年来，高模量沥青路面在我国得到广泛应用，通过在基质沥青中添加硬质沥青来提高沥青材料的黏度，从而提升胶结料与集料间的黏结力。高模量沥青混合料的配合比设计强调采用低空隙率确保矿料形成密实结构，并搭配高抗裂型水泥稳定碎石基层结构，能够提升沥青路面结构的强度和高温稳定性，而且低空隙率结构对沥青路面混合料的抗疲劳性能也有显著的提升。这些年采用高模量沥青的项目有宁常高速试验段（2008）、江六高速试验段中面层（2012）、宁高高速改造工程（2013）、淮安大桥（2017）、江都至广陵高速公路改扩建工程试验段（2018）等[6]。

3.2.2 高灰分岩沥青改性沥青混合料

相比石油沥青，岩沥青、湖沥青等天然沥青普遍具有良好的稳定性，而且显著的浸润性和对自由氧化基的高抵抗性，能够提升沥青胶黏材料与集料的黏附性及抗剥离性。高灰分岩沥青的灰分含量达到70%以上，灰分与沥青形成更为稳定的作用界面，可以起到对石油沥青改性、改善沥青胶浆性能的作用，也具有良好的高温稳定性。在江广扩建工程以及养护工程中，采用了AC-20 的岩沥青高强沥青混合料，应用效果良好。但若使用Sup-20 混合料级配，则存在较难压实的情况，采用AC-20 级配较为合适，相比传统AC-20 沥青混合料的抗车辙效果能提升20%～40%。

3.2.3 抗车辙剂

为提高沥青路面的抗车辙性能，将聚乙烯类热塑性树脂类材料制备成颗粒型添加剂加入沥青混合料中，通过聚乙烯类热塑性树脂增加胶黏材料与集料的黏结性能，并在胶黏材料内部起到加筋、填充作用，从而提高沥青混合料的高温抗变形效果。不过在实际的工程应用中发现，部分项目在掺加抗车辙剂以后，混合料的耐久性能不足，混合料的抗剥落性能下降，容易出现水损害；并且加入抗车辙剂以后，拌和难度增加，生产时需适当提高拌和温度，提高了能耗。除此之外，现在市场上抗车辙种类较多，较难区别。

综上所述，从对新型路面材料的调研结果来看，将岩沥青加入沥青混合料当中，能改善沥青胶浆的性能，从而对其抗车辙性能影响显著。掺加高模量改性剂，对混合料进行改性，在改善沥青路面抗车辙稳定性方面也具有明显优势。

3.3 材料比选

基于前述调研情况，将高模量沥青与SBS 改性沥青中面层优缺点进行比较，详见表4。

表4 中面层沥青混合料比较表

通过表4 分析，选择高模量沥青混合料技术作为模量与抗车辙性能的提升方向，并对满足模量与抗车辙性能要求的沥青混合料进行设计与评价。

其一，通过对沥青混合料类型、材料性质、胶浆作用以及空隙率等影响因素进行分析，明确提升模量与抗车辙性能的关键措施：使用硬质沥青或改性沥青、调整沥青混合料的矿料级配、采用沥青混合料添加剂等。

其二，通过对复合高模量EME-14 混合料进行研究，得到的复合高模量沥青混合料EME-14 兼具温拌、抗车辙、高模量的性能特点，动稳定度超过11000次/mm；并且20℃动态压缩模量大于14000MPa，EME-14 可以提高施工性能、改善路面结构受力状态、提升抗车辙性能。

其三，分别从性能、施工以及造价等方面出发，将所设计的抗车辙材料与常规中面层材料进行比较，复合高模量EME-14 混合料具有突出的优势，可用于对抗车辙要求较高的沥青面层中间层。

因此，结合项目起点临近港区及与B 高速公路交叉的特点，选择A 高速公路路段1 作为试验路段，并选取重载交通量较大位置设置复合高模量EME-14中面层的试验段。

4 结论

其一，交通量计算是沥青路面结构设计的基础，应将各类车辆按照当量设计轴载进行换算，从而确定沥青混合料层永久变形的当量设计轴载累计作用次数。

其二，结合省内其他高速的路面结构情况和计算分析结果，确定A 高速公路的路面结构方案及结构材料，常规路段的沥青面层采用4cm SMA 面层、6cm Sup-20 中面层和8cm Sup-25 下面层，基层采用36cm抗裂型水泥稳定碎石，底基层采用18cm 低剂量水泥稳定碎石。

其三，采用优质的路面结构材料和新技术手段可以提高道路的使用性能，采用复合高模量EME-14 作为在沥青路面的中面层可提高路面的抗车辙性能，延缓道路的路面病害，实现全路段沥青路面长寿命路面的设计理念。