依托實體工程的高速公路下面層結構優化分析★

楊 勇，王志亮，羅有棟

（1.太原西北二環高速公路發展有限公司，山西 太原 030025；2.長安大學特殊地區教育部公路工程重點實驗室，陜西 西安 710061）

0 引言

隨著我國國民經濟的高速健康發展，我國的高速公路網不斷完善，高速公路交通量增長和重載車輛劇增已成為必然，從而對路面結構的要求越來越高［1］。由于我國高速公路建設初期經濟基礎薄弱，資金匱乏，而半剛性基層具有整體強度高、造價低、材料易得等優點而成為我國高等級公路采用最多的結構形式［2-3］。但其在交通荷載和溫度荷載的重復作用下，路面普遍存在著反射裂縫，從而導致路面抗車轍能力不足和耐久性差，這樣就使得高速公路后期養護和維修費用大幅度增加［4-5］。

針對半剛性基層瀝青路面的缺點，國內采取了多種措施，但效果均不明顯［6-8］。因此對瀝青穩定碎石這一種柔性材料的研究和應用越來越重視［9］。瀝青穩定碎石具有較高的強度和剛度、較好的水穩性和高溫穩定性，不易產生收縮開裂等優點［10-11］，但作為柔性基層建設費用比半剛性基層高。因此一種新的結構組合形式是將半剛性基層與柔性基層結合，采用瀝青穩定碎石這種柔性層作為高速公路下面層，而基層仍然采用水泥穩定碎石作為半剛性基層，從而發揮兩者的優點［12］。本文依托實體工程，將瀝青穩定碎石ATB-25和AC-25作為路面下面層時的性能進行比較評價，探究了優化路面結構的合理性。

1 依托工程概況

本文依托工程建設里程全長約為94 km，作為山西省 “三縱十二橫十二環十五條連接線” 高速公路網規劃中的第七條連接線，它的建設能有效地緩減S313，S218，S252，S217和G209國省干線公路的通行壓力，起到較大的分流作用，交通等級屬于渠化特重交通與重交通，項目所在區域晝夜溫差較大，夏季短暫炎熱多雨，冬季漫長寒冷，從而對高速公路瀝青路面結構和材料有更高的要求。

選擇合理的高速公路路面結構方案，可以防止路面早期出現裂縫、車轍等病害，提升路面結構力學性能、路用性能，降低工程造價。圖1為原設計路面面層結構圖。原設計路面面層結構基本合理，下面層采用AC-25，路面結構總體設計完全滿足現行規范要求。但通過多方面分析后，將圖1路面結構優化為圖2的路面結構。本文對由圖1優化為圖2過程所考慮的幾方面因素進行了以下分析。

圖1 原設計路面面層結構

圖2 優化設計后路面面層結構

2 兩種可選混合料級配對比

表1，表2分別為下面層ATB-25和AC-25配合比設計級配范圍與合成級配。如表1，表2所示，相比于粗粒式瀝青混凝土AC-25，粗粒式瀝青穩定碎石ATB-25同樣具備骨架結構，且粗粒式ATB-25細集料較少，粗骨料較多，因而有更好的高溫穩定性，不易出現車轍、壅包和波浪等病害。ATB-25是密級配結構，所以兼具有AC-25良好的低溫性能、水穩性能和抗疲勞性能，在行車荷載作用下裂縫較少，冬季不易產生溫縮裂縫。整體上看，依托工程項目下面層采用ATB-25具有較好的骨架結構，同時結合了密實原則，形成 “骨架-密實” 型結構，能夠克服粗粒式瀝青混凝土AC-25由于油石比偏高、礦料級配偏細從而造成抗車轍能力較差的缺點。

表1 粗粒式ATB-25配合比設計級配范圍與礦料合成級配

表2 粗粒式AC-25配合比設計級配范圍與礦料合成級配

3 兩種混合料性能對比

3.1 水穩定性

本研究采用瀝青混合料浸水馬歇爾試驗和凍融劈裂試驗評價ATB-25和AC-25的水穩定性能。試驗方法分別參照T 0709—2011和T 0729—2000［13］，試驗結果分別見表3，表4。

表3 ATB-25和AC-25浸水馬歇爾試驗結果

表4 ATB-25和AC-25凍融劈裂試驗結果

由表3，表4可以看出ATB-25和AC-25殘留穩定度與凍融劈裂強度比均滿足規范要求。通過比較瀝青穩定碎石ATB-25、瀝青混凝土AC-25混合料的浸水馬歇爾試驗和凍融劈裂試驗結果，可以知道兩者試驗數據相差不大，表明它們具有類似的抗水損害能力。

3.2 高溫穩定性

瀝青混合料的高溫穩定性采用車轍試驗進行評價。參照T 0729—2000成型300 mm×300 mm×50 mm試件，模擬實際車輛對路面的碾壓作用。試驗溫度為60℃，輪壓為0.7 MPa，采用動穩定度評價瀝青混合料的抗車轍能力。表5為瀝青混合料ATB-25和AC-25高溫車轍試驗結果。可以看出，作為骨架嵌擠結構的瀝青穩定碎石ATB-25的動穩定度比AC-25高62%左右，ATB-25比AC-25的高溫抗車轍能力好。

表5 ATB-25和AC-25車轍試驗結果

4 兩種混合料動態壓縮模量對比

瀝青路面結構設計指標與模量的取值關系密切，其取值的合理與否是瀝青路面結構設計的前提與基礎，同時關系到路面的使用壽命和工程的造價。2017年頒布的《公路瀝青路面設計規范》［14］采用動態模量替代舊規范中的抗壓回彈模量作為設計參數進行路面結構設計，這是因為動態模量能夠更合理地反映瀝青混合料的特性，更真實地反映路面的實際工作狀態。

ATB-25和AC-25壓縮動態模量參考已有文獻試驗結果如表6［15］所示。可以看出，在兩個溫度下，ATB-25在相同頻率下的動態壓縮模量均比AC-25大，說明ATB-25具有良好的力學性能，能有效地擴散交通荷載，減少路面病害。

表6 ATB-25和AC-25在不同加載頻率下的動態壓縮模量

5 兩種混合料經濟性對比

從工程造價角度分析，瀝青穩定碎石ATB-25油石比范圍約為3.4%～3.6%，比瀝青混凝土AC-25用油量少約0.3%～0.5%，結合材料、人工和機械等單價綜合計算，雖然采用的ATB-25的厚度比AC-25厚度要大1 cm，但預算仍比AC-25低，可以預計依托工程下面層采用ATB-25能降低路面造價，獲得較好的經濟效益。

6 結論

1）設計的瀝青穩定碎石ATB-25為骨架密實結構，與AC-25相比，細集料較少，粗集料較多。同時，ATB混合料油石比較低，有較好的經濟效益。

2）ATB-25與AC-25抗水損害能力相當，但ATB-25的高溫穩定性能比AC-25的更好，有著較高的抗車轍能力，不容易出現車轍、壅包和波浪。

3）ATB-25的動態模量比AC-25的要大，有著更好的力學性能，能有效的擴散應力，減少病害。

4）本文依托實體工程高速公路對路面結構下面層的優化分析成果，對我國其他高速公路路面結構的優化具有重要的參考價值。