常安高速公路路面结构优化设计分析

覃 翔，杨方伟

(长沙榕源交通技术咨询有限公司)

1 项目概述

1.1 项目概况

湖南省常德至安化的高速公路工程位于湖南省中北部的常德市和益阳市辖区内，工程总长96.361 km，项目纵贯湖南省中部地区，将横向的常张、长常、岳常、常吉、潭邵、邵怀、衡邵等多条高速公路及多条国道、省道连接起来，形成纵横交织的交通网络，有利于缓解京珠国道主干线的交通压力。

1.2 气候、水文条件

工程项目所属区域为亚热带季风湿润气候区，四季分明，冬短夏长，最高温达到43 ℃，最低温达到－13.3 ℃，四季温差变化较大。雨量丰富，年均降水量为1 324～1 551 mm，并由平原向山区递增。且在这一区域内，水量丰富，河流属长江水系，洞庭湖流域，主要河流有阮水、资水、东风河、沧水。

1.3 技术标准

结合项目工程的相关资料，在路面结构优化设计中，分为双向四车道高速公路，设计速度为100 km/h，整体式路基宽26 m，其中，行车道宽设计为2 ×2 ×3.75 m，硬路肩宽2 ×3 m，中间带宽3.0 m(中央分隔带宽2.0 m，左侧路缘带宽2 ×0.5 m)，土路肩宽2 ×0.75 m;分离式路基宽13 m，其中:左侧土路肩宽0.75 m，左侧硬路肩宽1.0 m，行车道宽2×3.75 m，右侧硬路肩宽3 m，右侧土路肩宽0.75 m，其技术标准符合各项规程、制度。

2 常安高速公路路面优化设计需要解决的难点分析

2.1 高温稳定性

常安高速公路工程项目所处地区为最高气温超过40 ℃的夏炎热区。在这种苛刻的环境下，必须要求路面混合料拥有极高的抗变形性能。同时，因为在这一个高速公路段，交通量较大且重载车比例高，这些都加重了公路路面负荷。此外，有部分路段为长大纵坡路段，高温条件下重载交通对长大纵坡段层间剪切滑动也产生不利影响。因此，在进行路面结构优化方案设计时，需要重点关注在高温条件下路面的抗车辙性能与抗剪性能。

2.2 水稳定性

工程项目沿线年降雨量约为1 500 mm 左右，属于年降雨量＞1 000 mm 的潮湿区。通过对湖南地区整体高速公路使用情况的分析，可看出部分路段的早期水损害问题仍然比较严重。因而，在进行路面结构优化设计时，必须充分考虑到混合料设计、原材料指标控制等对水稳定性方面问题。

2.3 低温抗裂性

常安高速公路工程项目所处地区的年极端最低气温低于－10.0 ℃，属于冬冷区。因此，进行优化设计时，既要保证路面拥有足够高温稳定性，又要确保其具备一定的低温抗裂性能。

2.4 抗疲劳性

高速公路的交通量大，且重载车较多，极易造成沥青路面结构层疲劳破坏现象的形成，因此，需在优化方案中采取相应的措施提高其抗疲劳性能。

总之，在常安高速公路路面结构优化设计方案中，需要以解决重载交通下车辙病害问题和早期水损害的问题为主要方向。通过优化路面结构、合理设计混合料、严格控制施工质量，并对特殊路段特殊处理，达到减少早期病害、提高路面耐久性、降低全寿命周期成本的目的。

3 沥青结构层的优化分析

在原设计中，沥青路面结构层为:上面层为4 cm 改性沥青SMA－13;中面层为6 cm 改性沥青AC－20C;下面层为8 cm 普通沥青AC－25C。进行优化设计时，结合路面结构层的厚度及路用性能，对沥青路面结构层进行如下优化。

3.1 沥青上面层优化

根据常安高速公路通车后的交通量预测，在初期没有太大交通量的情况下，路面荷载的影响深度主要在于中面层，因此从功能性和经济性这两方面考虑，在优化中，在上面层采用4 cm 厚AC－13C，沥青采用SBS 改性沥青，在有效降低工程造价成本的同时，也能充分满足其功能要求。

AC－13C 采用石质较坚硬、耐磨耗的集料，如玄武岩和辉绿岩等，以确保抗滑磨耗表层的功能(如表1)。在此基础上，将地产的辉绿岩材料用于上面层，相比于SMA－13 所需要的外购的玄武岩便宜，造价有所降低。并且，考虑到工程项目所在地为高温多雨潮湿区，在上面层采用AC－13C 型沥青混凝土。

表1 AC－13C 混合料试验技术指标

3.2 沥青中、下面层优化

原施工图设计方案的中、下面层结构为:中面层6 cm 的AC－20C、下面层8 cm 的AC－25C，沥青的中面层所在层处于整个路面结构的高剪应力受力区域，在高温地区重载交通条件下，中面层应具有较好的高温稳定性，因此，中面层需要采用高温稳定性较好的沥青混合料，沥青胶结料采用SBS 改性沥青。沥青的下面层主要起承重层及粘结层的作用，同时还必须具有较好的抗疲劳性能和抗水损害性能，因此需要采用50#A 级道路石油沥青。

在优化设计中，将原方案中面层6 cm 的AC－20C 调整为6.0 cm 的Sup－20，胶结料采用改性沥青，并要求达到PG 70－22 级性能标准;下面层8 cm 的AC－25C 调整为8 cm的Sup－25，采用50#道路石油沥青，要求达到PG 64－16 级性能标准。

3.3 水稳基层优化

在原路面结构设计中，由于水泥剂量用量较高，水稳易产生裂缝，1 cm 的石油沥青表处不能起到抗反射裂缝的作用。因此，在优化设计中，水稳基层通过降低水泥剂量的方式来控制水稳裂缝的产生，同时采取有效的工程措施来延缓沥青路面的反射裂缝。在水稳基层和沥青面层之间设置防水粘接层，以便沥青面层的应力和应变因离开应力集中的接缝或者裂缝端部而得到降低。同时，加强加铺层结构的抗拉能力与抗剪能力。其中，在防水粘接层类型的选择方面，结合高性能聚酯玻纤布、稀浆封层、橡胶沥青应力吸收层(SAMI)等三类防水粘接层的特点分析，优先选用1 cm 橡胶沥青应力吸收层来延缓沥青路面的反射裂缝。

4 常安高速公路路面优化设计的对比分析

4.1 技术分析

传统的AC 型沥青混合料采用悬浮密实型连续级配，高温稳定性较差，即使对其级配进行调整，也难以避免传统设计方法的缺陷。而传统的马歇尔设计方法采用击实成型试件，不能准确模拟路面压路机实际碾压的揉搓效果，因此导致试件油石比往往较实际路面大0.3%至0.5%。而在优化设计方案中，引入Super pave 技术从施工检测及工程应用效果来看，Super pave 设计的沥青混合料表面均匀、密实，高温性能有较大程度的提高，抗水损害性能良好，其各方面性能均优于传统的悬浮密实型AC 混合料，能提高整体的路面性能，特别是高温抗车辙性能。

4.2 路面基本建设费用分析

优化方案较原设计方案将有效提高路面性能和延长路面使用寿命。并且，通过清单报价计算，优化后的主线路面结构比原设计路面结构可节约基本建设费用2 219 万元。

4.3 使用效果分析

目前，我国高速公路沥青路面的研究和发展方向是，延长沥青路面的使用寿命，减少早期损害，更好的体现全寿命周期成本设计理念。通过上述分析所得，常安高速公路路面结构优化将在解决原工程项目中的特点及难点问题，在保证路面优质服务功能的基础上，实现路面“耐久、节约、环保”的目标。

5 结束语

优化设计的目的在于，在保证使用功能的前提下，能有效降低造价。而通过综合评估得出，原设计路面结构建筑安装工程费预算为83 556.84 万元;优化后路面结构建筑安装工程费预算为80 450.27 万元，优化后路面结构比原设计路面结构节省造价3 106.57 万元。二者对比可看出，常安高速的路面结构优化方案既节约了投资，也保证了路面结构的使用功能，在经济上和技术上均是可行的，且技术经济效益明显，能有效降低工程造价。

［1］彭宏图.混合式基层沥青路面的疲劳特性分析研究［J］.公路工程，2013，(4).