瀝青-級配粒料鋪面在境外欠發達地區港口上的應用

王鵬飛，田 淵，蔡 偉

(1.中交水運規劃設計院有限公司，北京 100007；2.中國水產科學研究院漁業工程研究所，北京 100141)

瀝青混合料面層-水泥穩定碎石基層(瀝青-水穩)結構是港口堆場道路的常見鋪面結構形式，水穩基層為半剛性結構，主要起承重和擴散荷載的作用。某項目原設計堆場道路采用瀝青-水穩結構，斷面形式為150 mm 瀝青混合料面層、300 mm 水穩基層、150 mm 級配粒料底基層，其中瀝青基層下設有格柵，防止瀝青面層開裂。原設計瀝青鋪面結構見圖1。

圖1 原設計瀝青-水穩結構斷面(單位:mm)

原設計對水穩層的抗壓強度要求較高，7 d 最小抗壓強度需達到8 MPa。而國內對于該等級的路面，《公路瀝青路面設計規范》[1]要求7 d 抗壓強度標準值為4～6 MPa(一級公路，重交通)，《港口道路與堆場設計規范》[2]要求28 d 抗壓強度設計值不宜低于6 MPa。考慮到當地原材料供應不穩定的市場條件，水穩的施工質量、進度難以把控。

由于水穩材料對運輸、鋪設時間有較高要求，應自建水穩站，但是建水穩站所需的時間和費用成本很高。另外，水穩的壓實度檢測需要核密度儀，存在較大進關風險。因此，采用其他材料代替水穩，成為推動瀝青鋪面進度的核心技術問題。

1 復核水穩基層厚度

本項目設計以英標為主，鋪面計算采用海外項目認可度較高的The Structural Design of Heavy Duty Pavements for Ports and Other Industries[3](簡稱HDP)。HDP 假定鋪面為聯鎖塊-水穩結構，以C8∕10水穩為基層的基準材料，根據車輛荷載及鋪面設計年限內的作用次數計算水穩厚度，并引入材料等價系數MEF(即轉換系數)計算各類替換材料所需厚度，可快速得到多種鋪面結構方案。

首先對原設計瀝青-水穩方案進行計算，復核水穩層厚度。鋪面設計使用年限為25 a，主要考慮集裝箱拖掛車(最大軸壓196 kN)行駛，設計使用年限內的累計交通量為243.3 萬次。集裝箱拖掛車荷載圖示按英標碼頭設計規范BS 6349[4]中的roll trailer(牽引車＋半掛車)考慮，見圖2。由于BS 6349中所列Roll trailer 軸壓與設計所采用的196 kN 不匹配，參照歐標EN 1991-2[5]中軸壓90、190、140、140 kN 的frequent lorry(集卡)荷載進行后續計算。

圖2 集裝箱拖掛車荷載圖示(單位:m)

牽引車前軸軸壓90 kN、后軸軸壓190 kN，半掛車軸壓(雙軸)140 kN。鋪面結構所受輪壓需考慮相近輪間作用以及行駛過車中剎車、過彎等瞬間因素的影響。

當車輪足夠接近時，輪壓的輻射應力因彼此互相重疊而增大，HDP 通過相近系數(proximity factor)考慮該作用。相近系數與輪間距和反映地基CBR(加州承載比)的鋪面有效厚度Deff有關，Deff計算公式為:

式中:CBR 為加州承載比(California bearing ratio)，即標準試件在貫入量為2.5 mm 時所施加的試驗荷載與標準碎石材料在相同貫入量時所施加的荷載之比值(%)，現場地基CBR 為15%。根據式(1)得到鋪面有效厚度Deff為1 847 mm。

根據HDP 表19 計算相近系數，對牽引車前軸輪距(2 m)相近系數為1，對牽引車后軸輪距(每側兩輪等效為單個，1.8 m)相近系數為1.16，對半掛車軸距(1.2 m)相近系數為1.4，對半掛車輪距(取一側兩輪中線，0.35、1.05、1.75 m)相近系數為1.87、1.47、1.38。

HDP 引入動力系數fd以考慮剎車、過彎、加速和道路不平坦等因素對鋪面所受輪壓的影響。對于集裝箱拖掛車，以上4 項因素的動力系數分別為±10%、±30%、±10%和±20%。考慮剎車、過彎、加速屬于車輛特殊行駛情況，不存在特定路面一直承受相關動力荷載的問題，而表面不平整的路面則會一直受到動力沖擊，因此選定道路不平坦為最不利情況時fd＝20%。

根據相近系數和動力系數計算有效輪壓，W1、W2、W3分別為牽引車前軸、后軸和半掛車有效輪壓，分別為54、132、125 kN。

集裝箱拖掛車最大有效輪壓為W2。通過將各軸單次有效輪壓等效為最大有效輪壓的作用次數，可以得到車輛單次通過時總的單次有效輪壓(SEWL)次數。對于集裝箱拖掛車，單次W1相當于(54∕132)3.75＝0.035 次W2，單 次W3相當于(125∕132)3.75＝0.815 次W2；單次集裝箱拖掛車駛過，相當于鋪面受到0.035 ＋1.000 ＋0.815 ＋0.815 ＝2.665 次最大有效輪壓W2的作用，鋪面設計使用年限內集裝箱拖掛車SEWL 作用次數為650 萬次。

根據HDP 設計圖表，得到在650 萬次132 kN荷載作用下，所需C8∕10水穩層厚度為250 mm。地基CBR 為15%，根據HDP 表20，無需進行額外處理，鋪設150 mm 粒料底基層即可。計算得到鋪面結構為80 mm 聯鎖塊、30 mm 砂墊層、250 mm C8∕10水穩層、150 mm 級配粒料底基層。

用150 mm 瀝青混合料面層代替聯鎖塊，根據HDP，聯鎖塊、瀝青磨耗層(按HRA 熱軋瀝青考慮)、瀝青基層(礦粉含量約為4%，按DBM 密瀝青碎石考慮)與C8∕10水穩層的轉換系數分別為1.00、1.25、1.00，等效替換后調整鋪面結構為150 mm瀝青面層、220 mm C8∕10水穩層、150 mm 級配粒料底基層。可見原設計300 mm 水穩基層較厚，存在一定的優化空間。

2 計算水穩替代材料厚度

針對C8∕10水穩層的替代材料，HDP 中給出了混凝土、瀝青結合料及相應的轉換系數。混凝土基層通常用于荷載等級P4 及以上的情況，以使鋪面獲得較高的承載力，但混凝土基層不具備成本優勢，且混凝土板在接縫處易開裂，產生的反射裂縫對瀝青面層影響較大，導致面層容易出現裂縫、變形等；瀝青結合料基層無反射裂縫問題，但其與水穩一樣受到原材料供應不穩定的市場條件制約，施工進度難以把控。綜合判斷適用性、成本、市場原材料供應、質量控制等因素，項目選用級配粒料作為水穩基層替代材料。

對于級配粒料，HDP 僅對碎石底基層給出了MEF 轉換系數為3，如果直接采用該系數則會得到220 mm×3 ＝660 mm 的等效厚度。基于一般工程經驗，該厚度過大、方案不經濟。另外，考慮水穩和級配粒料基層的破壞控制因素不同，對水穩等無機結合料半剛性基層，其橫向拉應變為破壞控制因素；而對于粒料基層等柔性基層，控制因素則是地基的豎向壓應變。HDP 基于材料的抗拉強度得到MEF 轉換系數，認為其等效原則已不適用于粒料基層。

AASHTO Guide for Design of Pavement Structures[6](簡稱AASHTO)也提供了轉換系數的計算方法。對粒料基層基于回彈模量(或CBR 等)確定結構層系數(圖3)，對水穩基層基于彈性模量(或抗壓強度等)確定結構層系數(圖4)，再將粒料基層與水穩基層的結構層系數相除即得到兩者間的轉換系數。查圖可得，級配粒料(要求CBR 不低于80%)的結構層系數為0.135，C8∕10水穩(7 d 抗壓強度8 MPa，即1 160 psi)的結構層系數為0.27。計算得到級配粒料對C8∕10水穩的轉換系數為0.27∕0.135 ＝2，等效厚度220 mm×2 ＝440 mm。確定級配粒料基層厚度為450 mm。

圖3 粒料基層結構層系數(a2)與其CBR、回彈模量等的統計關系

圖4 水穩基層結構層系數(a2)與其7 d 抗壓強度、彈性模量的統計關系

替代方案確定為:150 mm 瀝青混合料面層、450 mm 級配粒料基層、150 mm 級配粒料底基層。由于替代方案采用粒料類基層，無需考慮反射裂縫問題，原設計中瀝青混合料面層底部的格柵已失去作用，予以取消。替代方案斷面見圖5。

圖5 替代方案設計斷面(單位:mm)

以上計算方法充分結合了HDP 以及AASHTO的優點，基于級配粒料材料及受力特性，充分分析HDP 中部分轉化系數的不足并選擇AASHTO 中更為合理、精細的轉換系數計算方法，從而得到較為優化的級配粒料基層厚度。

3 級配粒料特性及應用效果評價

有別于國內常用的級配碎石、級配礫石等粒料類基層材料，結合當地條件，對級配粒料的組成和級配進行優化。基層由碎石、角礫和較大量的石屑組成，底基層則混合有卵石、圓礫和大量的砂土。級配粒料基層和底基層的級配見表1，同時附以國內對級配碎石的級配要求以供對比。

表1 材料級配

由表1 可見，國內級配碎石對材料的級配控制更為嚴格，篩孔總共分12 級，多于級配粒料的7 級，且級配碎石每級篩孔的允許通過質量浮動范圍更小。級配粒料中砂土(0.075～2 mm)、粉土或黏土(0.075 mm 以下)含量顯著高于級配碎石，尤其底基層中含量更大；通過2 mm 篩孔的質量百分率平均值級配粒料基層和底基層分別為27.5%和35%，而實際配比中為達到設計壓實度，小于2 mm的顆粒通常要占35%～40%。另一方面，級配粒料允許混有更大粒徑的碎石，尤其是底基層，甚至允許粒徑超過25 mm 的碎石占比達到45%。

級配碎石鋪設對CBR 的要求很高，《公路瀝青路面設計規范》要求基層、底基層CBR 不應小于180、100(一級公路，重交通)，《港口道路與堆場設計規范》要求用作基層時CBR 不應小于120，用作底基層時不應小于120、80。而對級配粒料，由于細顆粒占比較大，很難通過碾壓獲得較高的CBR；根據AASHTO，CBR 在達到80%之后繼續增大對提高結構層系數的作用有限(圖3)。因此，選取80%CBR 作為級配粒料的控制指標較為合理。

綜上，級配粒料與國內粒料類材料在級配組成上存在較大差異。由于細顆粒含量較多，級配粒料壓實后能形成較強的板結效果，其壓實性也在實踐中得到了驗證。現場基層、底基層實測壓實度分別達到100%及98%，滿足項目質量控制要求。已移交部分堆場瀝青道路使用狀況優異，瀝青表面無裂縫、車轍，道路無明顯差異性沉降，級配粒料基層承重和荷載擴散作用良好。

由于級配粒料對材料級配的要求較低，更適宜在原材料供應不穩定的境外欠發達地區推廣應用。相較于級配碎石、級配礫石等常用粒料，級配粒料在經濟性上更具優勢。

另外與水穩層對比，級配粒料可以大量儲存，便于大面積施工，而水穩施工的推進速度依賴攪拌站的供應能力，難以有效控制。所用的級配粒料供給保障率高，材料在供應商處就已經拌合完畢，送達現場后經過篩分試驗滿足級配要求即可用于施工，若不滿足可以根據實際級配情況相應添加粗料或細料，現場不必大量堆料，進而節省了貯存空間。

4 結論

1)瀝青-水穩結構是港口堆場道路常見鋪面結構形式，而海外欠發達地區往往缺乏穩定的原材料供應，水穩質量難以把控。

2)水穩材料可由粒料類材料、混凝土、瀝青結合料等代替，選擇替代材料可根據材料適用性、成本、市場原材料供應、質量控制等因素綜合判斷。

3)本項目級配粒料供應充足，通過將水穩材料替換為級配粒料，有效降低了施工難度和風險，同時節省了水穩站建站成本。

4)HDP 假定鋪面為聯鎖塊-水穩結構，根據車輛荷載及作用次數計算C8∕10水穩基層厚度。計算過程中引入相近系數、動力系數考慮相近輪間作用，并考慮行駛過車中剎車、過彎等瞬間因素對鋪面所受輪壓的影響。

5)HDP 給出了常見鋪面材料與C8∕10水穩間的轉換系數，通過合理選取替代材料，可以快速得到多種鋪面結構方案。但級配粒料不適用于HDP對碎石底基層的轉換系數，通過對材料及受力特性的分析，選擇AASHTO 對轉換系數的計算方法，進一步優化級配粒料層厚度，可以得到更為經濟、合理的設計斷面。

6)對于級配粒料，其與級配碎石等國內常用粒料類材料在級配組成上存在較大差異；相較國內嚴格的級配要求，級配粒料對材料級配的要求較低，更適宜在原材料供應不穩定的境外欠發達地區推廣應用。級配粒料細顆粒含量較多，壓實后能形成較強的板結效果。