城市中心城区快速通道道路工程路面结构设计探讨

刘淑芬

摘要 路面结构设计是城市快速道路设计的重要内容，对道路造价、施工、服务期限及使用的安全性、舒适性有至关重要的影响。文章依托南阳市中心城区快速通道项目，综合考虑不同面层和基层的受力变形规律、施工难易程度、使用寿命、行驶舒适性、造价等特点，对路面结构进行分析设计，提出以下结论：（1）考虑南阳地区气候情况及拟建项目交通量，采用沥青混凝土路面，路面结构层应适当加强，加厚基层；为提高路面的耐久性和高温稳定性，上面层采用SBS改性沥青。（2）针对主线机动车道、地面辅道机动车道、非机动车道，考虑不同的受力特点，选择不同的半刚性基层以降低造价，延长路面使用寿命。（3）使用阶段，应结合现场情况调查分析，针对可能出现的裂缝、车辙等病害及时治理，延长道路服务周期。

关键词 城区快速通道；路面结构；对比分析；设计选型

中图分类号 U416文献标识码 A文章编号 2096-8949（2023）24-0068-04

0 引言

路面结构设计是城市快速道路设计的重要内容，对造价、施工、道路服务期限及使用的安全性、舒适性有至关重要的影响。林缘祥等[1]采用安定极限分析方法，研究了道路结构的安定性问题。陈毅超[2]以厦门滨海东大道快速路为例，提出城市快速路应近远期结合设计。朱渊[3]对比市政道路和公路工程的沥青混凝土路面，分析了道路的渗水破坏问题。于欢[4]基于太原市中环快速路，分析出现的横向裂缝、纵向裂缝、网状裂缝、车辙等病害，针对不同病害提出了相应的养护措施。该文依托南阳市中心城区快速通道项目，综合考虑不同面层和基层的受力变形规律、施工难易程度、使用寿命、行驶舒适性、造价等特点，对路面结构进行设计、计算分析，可供相似工程参考。

1 工程概况与地质条件

1.1 工程概况

项目连接鸭河工区和南阳市中心城区，北起龙祥路立交南侧，南至人民路与两相路交叉口处北侧约350 m处，路线全长约1 740 m，如图1所示。主线高架设计速度60 km/h，标准段宽度25.5 m，布置为双向6车道；地面辅道与匝道设计速度均为40 km/h，规划红线标准宽度50 m。50 m宽标准段横断面如图2所示。

1.2 地质条件

场地自上而下共分为九个工程地质层：即①层杂填土（层厚0.7～4.6 m）、②层粉质黏土（层厚6.5～16.3 m）、③层含泥中砂（层厚0.3～5.2 m）、④层含卵砾粗砂（层厚1.3～9.3 m）、⑤层黏土（层厚0.5～6.5 m）、⑥层泥质粗砂（层厚0.5～4.2 m）、⑦层黏土（层厚10 ～24.4 m）、⑧层粉质黏土（层厚13.5～17.4 m）、⑨层黏土。

场地内地下水位埋深在8.7～17.3 m之间。场地内②层粉质黏土中存在上层滞水。属临时性悬挂，无统一水位，水量较小，旱季水位较深或消失，受季节性降水及场地周边沟、管排水的影响较大。

2 路面结构设计

2.1 路面结构设计原则

路面是机动车通行的行为场所，路面质量的优劣也将通过车辆在路面的状态演变为人的身体感受[5-6]。不同的路面材料、路面结构带来不同的路面使用功能、使用寿命、行驶舒适性[7]。路面结构方案的最终目标是根据工程所在区域的特点以及自身的功能定位、服务性质，选择合适材料，保证路面的整体质量。

2.2 路面结构类型选择

2.2.1 面层沥青混合料比选

我国城市道路沥青面层常用的材料有：密级配沥青混凝土（AC）、沥青玛碲脂碎石混合料（SMA）和高性能沥青路面材料（Sup）。SMA路面热稳定性好、水稳定性好、对温度敏感性小，但施工工艺复杂，造价较高；Sup需要特别仪器进行设计。AC水稳性、抗裂性、耐久性较好，费用低，通过SBS改性和掺入少量沥青改良剂，可以提高沥青混合料的高温稳定性[8]。

通过对比沥青面层方案的优势，参考南阳市与该工程相似的其他工程对沥青面层的选取，该项目拟采用密级配沥青混凝土（AC）面层方案。考虑南阳地区气候情况，参考降雨量、年平均溫度与该快速通道的交通量，路面结构层应适当加强，上面层拟采用SBS改性沥青。

2.2.2 基层方案比选

（1）刚性基层。刚性基层由于其材料组成同水泥混凝土接近，甚至需要配筋，其工程造价与一般的半刚性基层相比过高，目前已基本被半刚性基层所替代。

（2）半刚性基层。半刚性基层具有一定抗拉强度、抗疲劳强度，水稳定特性较好，路面基层受力性能、稳定性良好。

（3）复合式基层。复合式基层常规做法是下基层采用半刚性基层材料，上基层用沥青碎石材料或级配碎石材料。理论上可减缓半刚性基层的反射裂缝，提高路面使用性能和寿命。但该种结构施工质量难以控制，国内设计和施工经验都不多，使用效果待定。

结合南阳当地的通用做法，该次鸭河工区至南阳市中心城区快速通道城区段项目拟采用半刚性基层，基层材料根据需要采用不同水泥掺量的水稳和级配碎石。

2.3 沥青路面结构设计

道路路面结构采用沥青混凝土柔性路面，路面结构设计指标采用路表容许回弹弯沉、容许弯拉应力及容许剪应力。

2.3.1 设计交通量

根据周边交通量调查及预测，项目建成后运营第一年（2023年）交通量如表1所示。

结合大客车、小客车、中货车、小货车四种车型所占比重及标准轴载换算系数，计算得到主线与辅道2023年单向日平均当量轴次分别为3 741、2 089。

一个车道在设计基准年内的累计当量轴次（Ne）：

式中，t——设计基准期（年），该项目取15年；N1——路面运营第一年（2023年）单向日平均当量轴次（次/d），Ne=3 741和2 089；γ——设计基准期内交通量的年平均年增长率，前五年取5%，中间五年取3%，最后五年取2%；f——设计车道分布系数，该项目取0.6。

计算得出城区段主线Ne=1.61×107次/车道，辅道Ne=8.99×106次/车道。确定主线、辅道路面设计交通等级分别为重交通、中等交通。

2.3.2 土基回弹模量

根据路基土类、干湿类型及沿线填挖情况确定，不小于30 MPa。

2.3.3 方案设计

该项目路面结构初步拟定如下：

（1）主线机动车道。主线机动车道结构如表2所示。

（2）地面辅道机动车道。地面辅道机动车道结构如表3所示。

（3）非机动车道。非机动车道结构如表4所示。

沥青面层之间设置PC-2乳化沥青黏层，沥青路面层与水稳基层之间设置PC-3乳化沥青透层。

2.3.4 路面材料参数

结合规范与国内已建成路面数据调查情况，确定各层材料抗压回弹模量和劈裂强度设计参数如表5所示。

2.3.5 路面结构厚度计算

路面设计层选取水泥稳定碎石上基层，设计层最小厚度为150 mm。由URPDS2011软件计算，主线上基层厚172 mm，辅道上基层厚172 mm，可同时满足弯沉和层底拉应力要求，结合工程实际，取180 mm。

2.3.6 指标验算

计算得主线、辅道道路表面的设计弯沉值ld分别为0.217 mm、0.244 mm。主線、辅道沥青顶面交工验收弯沉值ls分别为0.203 mm、0.227 mm，可靠度系数γa取1.05，计算弯沉值可以满足γa·ls≤ld的要求。

沥青表面层的最大剪应力0.333 MPa，小于容许剪应力0.667 MPa，主线及辅道沥青表面层材料的抗剪强度满足设计要求。

路面结构设计是一个比较成熟的课题，已有无数的实操案例。即便如此，常见的路面问题，如道路开裂等仍层出不穷，这一方面与道路结构设计有关，道路结构设计没有针对性，如对车流量、荷载大小、天气状况等缺乏考虑；另一方面可能与施工有关，施工质量不满足设计要求；也可能与运营养护有关，如车辆超载等。从全寿命周期分析，三个因素也是相互关联的。设计是各因素的源头，如设计材料、结构厚度等选择不当，会造成施工困难。虽然理论上安全、适用、耐久，但如因施工难度大导致质量难以控制，则属于设计考虑不周。同样，针对道路超载，也不能完全依赖管理手段。从全寿命角度，需结合道路通行车辆的情况综合考虑。如超载频次过高，则可能是前期设计考虑不足，需及时进行加固处理。

值得注意的是，当前道路结构设计工作，因建设单位工期要求等因素，留给设计单位的时间并不充裕，设计单位基于已有大量工程、设计经验的情况，存在偏重经验、轻视力学计算的情况。因力学计算需针对不同材料，选择适用的本构模型，如弹性模型、弹塑性模型、黏弹塑性模型等。选取的本构模型越精确，需要的参数越多，计算也越复杂，路面结构设计时往往不考虑，或者仅考虑简单的弹性本构模型，这可能导致道路在耐久性方面存在缺陷，需引起足够重视。道路工程服务周期长，高架等投入大的市政项目，实际服务周期可能远超设计年限（该项目设计年限为15年）。针对城市快速通道到达设计年限如何维护修补，目前初始设计阶段一般不予考虑。而修补阶段，为加快修补速度，一般也仅针对面层进行修补，忽视基层的状况。如何从道路全寿命周期以及经济的角度，在初始设计阶段考虑营业维护、修复方案，也应是道路路面结构设计应该考虑的内容之一。

路面结构设计，不仅仅是施工图完成或者工程竣工就完成的一项工作。从设计的角度，设计工作应关注道路整个服务期，甚至进一步考虑如何延长道路生命周期。如果仅仅是基于经验、现有规范，机械式、程序式的设计，从设计到施工再到运营，可能会导致道路性能低于设计者预期。因此，设计者不能仅专注于施工图之前或者竣工图之前的工作，应该密切关注道路在运营阶段的性能，根据实测数据分析道路的性能，不断优化设计成果。

3 结论

依托南阳市中心城区快速通道项目，综合考虑不同面层和基层的受力变形规律、施工难易程度、使用寿命、行驶舒适性、造价等特点，得到的主要结论有：

（1）考虑南阳地区气候情况及拟建项目交通量，路面结构层适当加强，加厚基层；面层采用密级配沥青混凝土面层方案，为提高路面的耐久性和高温稳定性，上面层采用40 mm厚SBS改性沥青。

（2）针对主线机动车道、地面辅道机动车道、非机动车道，考虑不同的受力特点，选择不同的半刚性基层以降低造价，延长路面使用寿命。

（3）使用阶段，应结合现场情况调查分析，针对可能出现的裂缝、车辙等病害，及时治理，延长道路服务周期。

参考文献

[1]林缘祥， 郑俊杰， 后如意， 等. 移动简谐荷载作用下层状道路结构的安定下限分析[J]. 岩土工程学报， 2022（11）： 2026-2034.

[2]陈毅超. 城市快速路近远期结合设计的研究[J]. 科学技术创新， 2022（32）： 129-132.

[3]朱渊. 浅谈市政道路沥青混凝土路面渗水破坏——形成原因及防治对策[J]. 四川建材， 2022（8）： 136-137.

[4]于欢. 城市快速路沥青路面病害分析及养护方案[J]. 四川建筑， 2021（3）： 61-62.

[5]王继. 城市道路路面结构设计原则及要点分析[J]. 四川水泥， 2022（10）： 239-241.

[6]谢文辉. 市政道路工程沥青路面结构设计分析[J]. 江西建材， 2021（11）： 239-240.

[7]郭礼照. 浅谈市政道路路面结构及路基设计的探讨[J]. 黑龙江交通科技， 2020（11）： 10-11.

[8]李艳萍. 浅谈道路路面结构及路基设计[J]. 四川建材， 2020（8）： 107+137.