從瀝青路面設計分析我國山區高速公路路面設計方案

摘 要：截至2013年底，我國高速公路通車總里程已超過美國躍居世界第一。隨著高速公路的里程的增加，高速公路的建設不斷向山區推進。我國大量的采用的是瀝青混凝土路面，針對山區高速公路的特點，路面使用中，面臨著很大的挑戰并出現了多種病害。本文從設計的角度提出四種真對我國山區高速公路的瀝青路面設計方案，并比較其各自的優缺點，以資在進行山區高速公路的建設中借鑒。

關鍵詞：瀝青路面；設計；山區高速公路；路面；設計方案

一、我國高速公路現狀及山區高速公路建設面臨的問題已超過美國躍居世界第一

中國高速公路發展從1988年滬嘉高速公路的建成通車實現中國大陸高速公路零的突破，到2013年底，高速公路通車總里程達到10.4萬公里，已超過美國躍居世界第一。中國地域遼闊，地形地貌差別極大，給高速公路的建設帶來很大的挑戰性。在初期，高速公路的建設從經濟發達同時修建難度比較小的地區開始建設，隨著國家主干道計劃（“五縱七橫”規劃）的逐步而實施，為實現成網的要求，建設重點也向地形復雜的地區轉移，長大隧道及高跨、長跨橋梁占的比例也起來越大，同時高速公路的平均造價也大幅度提高。

隨著高速公路的里程的增加，高速公路的建設不斷向山區推進，所謂山區通常是指山地、丘陵和地形比較崎嶇的地區。在山區高速公路建設中遇到不少問題，由于地形的限制，在路線線性選擇上就無可避免的出現許多橋、隧道、陡坡等結構形式，然而這些往往是路面結構形式的薄弱環節。而且隨著交通量的不斷增大，并伴隨著許多超載超限的車輛，使得路面結構出現車轍、裂縫、擁抱、泛油、水損害等早期破壞，給國家帶來了許多的經濟損失。

我國是一個多山的國家，我國的山地占國土面積的 33%，丘陵占 10%，崎嶇高原占 10%以上，大體上講，山區面積占國土 50%以上，并且山區大部分地區經濟滯后，為提高人民生活水平，交通便利是一個必要條件，因此，解決好山區的交通狀況非常的重要。 同時，山區高速公路的建設遇到了一些經濟技術問題。因山區受地質和經濟因素的制約，在高速公路設計建造時受到一定的阻力，而且山區高速公路建設成套技術的發展相對滯后。山區高速公路地質復雜，環境難以預測，路面病害多發。比如陡坡路段車轍嚴重，凌冰路段抗滑性能差以及路面結構水損害嚴重等。面對我國現階段的國情，我國大量的采用的是瀝青混凝土路面，針對山區高速公路的特點，路面使用中，面臨著很大的挑戰。根據調查和數據分析，我們發現山區高速公路瀝青路面在使用過程中，出現了大量的不同程度的早期病害，比如裂縫、車轍、沉陷、龜裂等。山區高速公路的建設如此嚴峻，有必要從最常用的瀝青路面的角度分析我國高速公路路面的設計問題。

二、山區高速公路特點

隨著經濟的快速發展，內地的開發，原有的普通公路已難以承受大量的運輸需求，現在山區都已開始大規模的高速公路建設。 我國是一個多山的國家，所謂山區通常是指山地、丘陵和地形比較崎嶇的高原。我國的山地占國土面積的 33%，丘陵占 10%，崎嶇高原占 10%以上，大體上講，山區面積占國土 50%以上，并且山區大部分地區經濟滯后，為提高人民生活水平，交通便利是一個必要條件，因此，解決好山區的交通狀況非常的重要。 由于獨特的地形地貌，使得山區高速公路有著與一般高速公路不同之處。山區高速公路有以下幾個特點：（1）地形地質復雜。山區高速公路，地勢變化多樣，地質復雜多變，對工程建設來說是一個巨大的考驗。

（2）陡坡路段多。由于山區的典型特點，地勢高差大而且范圍廣，陡坡路段出現頻繁，由于上下坡車輛制動頻繁，加上重車作用，對路面產生嚴重影響。

（3）橋隧比例高。通常山區高速公路橋梁隧道的比例大，借助于橋梁跨線，隧道穿越的高速公路形式在山區中應用顯著。

（4）海拔高，凌冰路段多。山區海拔高，高差明顯，高者可達幾百以上，而海拔越高，氣候越寒冷，凌冰路段時有出現，對瀝青路面具有重大影響。

三、我國高速公路主要形式之瀝青路面的病害

瀝青路面在使用過程中，由于荷載和環境因素的影響，將使路面逐漸產生各種破損。路面的破損可以分為兩類：一是結構性損壞，包括路面結構整體或部分結構層的破損，使路面失去支承行車荷載的能力；二是功能性損壞，它也有可能并不伴隨著結構性損壞而發生，但由于平整性和抗滑能力等的下降，使其不再具有預定的服務功能，從而影響服務質量。

（1）裂縫。瀝青路面產生裂縫的原因很復雜，按其成因可分為荷載型裂縫和非荷載型裂縫，按其形式分則有縱向裂縫、橫向裂縫、龜裂與網裂幾種。

（2）坑槽。坑槽是由于路面松散、龜裂等破損后在行車作用下不斷擴展惡化形成的一種路面損壞。

（3）沉陷。沉陷是由于路基、路面產生豎向變形而導致路面下沉的現象。可以分為三類：均勻沉降、不均勻沉降、局部沉降。

（4）車轍。車轍是瀝青路面的一種主要損壞形式，大都發生在實行渠化交通的高等級公路上。路面在車輪荷載的反復作用下，由于路面面層、基層和路基的進一步壓密、沉降，特別是高溫下瀝青面層的壓密和側向流動隆起，使路面沿行車輪跡逐漸產生縱向帶狀凹槽變形，在車道橫斷面方向上多呈W型。當車轍到達一定的深度，轍槽內就會積水并影響車速和行車的舒適和安全性。

（5）滑溜。滑溜主要起因于路面光滑，這是由于路面在行車水平力的作用下表層骨料被磨光或瀝青路面泛油所造成。

（6）麻面。面層混合料瀝青用量不足，礦料級配偏粗或嵌縫料規格不當，以及低溫、雨季施工時路面未能成型，致使粒料脫落，即形成麻面。

（7）松散。松散多發生在瀝青里面使用的初期，其原因是使用的瀝青稠度偏低，用量偏少，與礦料的粘附力不足；或瀝青加熱溫度過高造成瀝青老化等。

（8）泛油。泛油多數是由于瀝青面層的瀝青用量過大、稠度太低或熱穩定性差等原因所致，但有時候有可能因為低溫季節施工，層鋪法瀝青路面的嵌縫料散失過多，在氣溫轉暖后，在行車作業下多余的瀝青溢至表面而形成。

（9）油包。油包時由于局部泛油處理不當，細料過多，瀝青含量過大，或因瀝青滴流在路面街成油污而形成面積不大的包裝物。

（10）擁包。擁包就是由于材料本身以及設計的原因到時高溫抗剪強度不足，或層內含水量過大難以蒸發，或粘結層不合格等原因，在行車荷載下，路面產生推擁、擠壓在路面形成局部隆起變形的現象。

（11）波浪。波浪是路面表面沿縱向形成的有規則的凹凸起伏的一種變形。

（12）脫皮。脫皮是瀝青面層在行車作用下產生大塊的片狀剝落現象。

（13）啃邊。路面寬度過窄，邊緣強度不足，路肩碾壓不密實，路肩和路面銜接不當以致路肩積水滲入使其濕軟，在行車作用下，路面邊緣剝落，并逐漸向路中發展而形成啃邊。

四、從瀝青路面設計分析我國山區高速公路路面設計方案比較

方案一、采用厚瀝青層的半剛性基層瀝青路面結構設計。該設計方案可采用 SMA-13 和雙層改性瀝青，路面結構具有較強的表面抗滑性能和抗車轍性能；較厚的瀝青層提高了路面的抗疲勞性能，使路面結構具有較好的耐久性；采用骨架密實型水穩碎石可減少基層裂縫，較厚的瀝青層則可抑制和延緩半剛性基層裂縫在瀝青層的反射，從而有效減少路面的裂縫類病害；采用封層和較厚瀝青層，可減小動水壓力對半剛性基層的沖刷破壞，從而減少路面的早期水損壞。推薦方案總體具有較好的抗滑、抗車轍、抗裂縫和抗水損壞性能，能較好地滿足廣樂高速高溫多雨和重載交通對路面結構性能的需求，同時具有較好的長期耐久性，與傳統結構相比壽命周期內的直接費用減少 30%～38%，具有良好的長期經濟效益。 推薦方案新建費用比傳統半剛性結構增加約 5.4%。

方案二、采用傳統半剛性基層瀝青路面設計。該設計方案路面結構具有較強的表面抗滑性能和抗車轍性能；采用骨架密實型水穩碎石可在一定程度上減少基層裂縫，從而減少路面的裂縫類病害；采用改性乳化瀝青稀漿封層，可在一定程度上減小動水壓力對半剛性基層的沖刷破壞，從而減少路面的早期水損壞。總體來說，該方面總體上具有較好的抗滑和抗車轍性能，但抗裂縫和抗水損壞性能一般，路面的耐久性也一般。方案二路面各項性能在短期內基本能滿足廣樂高速高溫多雨環境和重載交通的需求，但由于瀝青層厚度較薄，基層收縮裂縫向上反射容易形成貫穿型反射裂縫，裂縫進一步則引起其他病害，半剛性基層作為主要承重層，在重載交通作用下容易產生結構性破壞，維修養護比較困難。該方案壽命周期內的直接費用最高，用戶間接成本也最高，長期的經濟性最差。

方案三、采用柔性基層瀝青路面結構設計。該設計方案采用 SMA-13 和雙層改性瀝青，路面結構具有較強的表面抗滑性能和抗車轍性能；38cm 厚的瀝青層將瀝青層層底水平拉應變減小到疲勞極限以下，避免了瀝青層產生由下至上的疲勞裂縫，路面結構符合長壽命路面設計理念的要求，具有非常良好的耐久性；基層采用級配碎石柔性基層，因此完全避免了半剛性基層的裂縫反射問題；1.0cm 厚的封層和較厚瀝青層，有效阻隔了動水壓力對基層的影響，從而避免了因動水壓力沖刷引起的基層破壞；38cm 厚的瀝青層還可起到明顯的應力擴散作用，減小級配碎石基層和路基頂面壓應變，避免基層和路基在荷載作用下產生過大變形。該方案總體具有非常良好的抗滑、抗車轍、抗裂縫和抗水損壞性能，能很好地滿足廣樂高速高溫多雨和重載交通對路面結構性能的需求，同時具有非常好的長期耐久性，與傳統結構相比壽命周期內的直接費用減少 28%～37%，具有良好的長期經濟效益。 該方案初期投資較高，路面新建費用比傳統結構增加約 15%，該結構在國內大規模應用的經驗不夠多，對級配碎石基層施工質量和路基強度要求也比較高。

方案四，采用復合式路面結構。 該設計方案為復合式路面，采用 SMA-13 和雙層改性瀝青，瀝青面層具有較強的表面抗滑性能和抗車轍性能；溶劑型粘結劑提高了瀝青層與基層的粘結力，同時有利于路面防水；SBS 改性瀝青封層可對基層形成有效的保護，減小動水壓力對基層的沖刷。該方案總體具有良好的抗滑、抗車轍和抗水損壞性能，對重載交通和路基不均勻沉降具有非常良好的適應性，同時也具有非常好的長期耐久性，與傳統結構相比壽命周期內的直接費用減少 21%～32%，具有較好的長期經濟效益。 該方案的主要缺點是混凝土剛性基層需要設置施工縫和縮縫，裂縫對瀝青層的長期使用壽命有較大的影響；造價較高，新建費用比傳統結構增加26%，混凝土路面施工要求較高，維修比較困難。

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作者簡介：周全智（1981-6），男，漢，謝克斯特（天津）海洋船舶工程有限公司，碩士研究生，工程師，主要研究方向：船舶與海洋工程結構設計與研究。