城市中心城區(qū)快速通道道路工程路面結(jié)構(gòu)設(shè)計探討

劉淑芬

摘要 路面結(jié)構(gòu)設(shè)計是城市快速道路設(shè)計的重要內(nèi)容，對道路造價、施工、服務(wù)期限及使用的安全性、舒適性有至關(guān)重要的影響。文章依托南陽市中心城區(qū)快速通道項目，綜合考慮不同面層和基層的受力變形規(guī)律、施工難易程度、使用壽命、行駛舒適性、造價等特點，對路面結(jié)構(gòu)進行分析設(shè)計，提出以下結(jié)論：（1）考慮南陽地區(qū)氣候情況及擬建項目交通量，采用瀝青混凝土路面，路面結(jié)構(gòu)層應(yīng)適當加強，加厚基層；為提高路面的耐久性和高溫穩(wěn)定性，上面層采用SBS改性瀝青。（2）針對主線機動車道、地面輔道機動車道、非機動車道，考慮不同的受力特點，選擇不同的半剛性基層以降低造價，延長路面使用壽命。（3）使用階段，應(yīng)結(jié)合現(xiàn)場情況調(diào)查分析，針對可能出現(xiàn)的裂縫、車轍等病害及時治理，延長道路服務(wù)周期。

關(guān)鍵詞 城區(qū)快速通道；路面結(jié)構(gòu)；對比分析；設(shè)計選型

中圖分類號 U416文獻標識碼 A文章編號 2096-8949（2023）24-0068-04

0 引言

路面結(jié)構(gòu)設(shè)計是城市快速道路設(shè)計的重要內(nèi)容，對造價、施工、道路服務(wù)期限及使用的安全性、舒適性有至關(guān)重要的影響。林緣祥等[1]采用安定極限分析方法，研究了道路結(jié)構(gòu)的安定性問題。陳毅超[2]以廈門濱海東大道快速路為例，提出城市快速路應(yīng)近遠期結(jié)合設(shè)計。朱淵[3]對比市政道路和公路工程的瀝青混凝土路面，分析了道路的滲水破壞問題。于歡[4]基于太原市中環(huán)快速路，分析出現(xiàn)的橫向裂縫、縱向裂縫、網(wǎng)狀裂縫、車轍等病害，針對不同病害提出了相應(yīng)的養(yǎng)護措施。該文依托南陽市中心城區(qū)快速通道項目，綜合考慮不同面層和基層的受力變形規(guī)律、施工難易程度、使用壽命、行駛舒適性、造價等特點，對路面結(jié)構(gòu)進行設(shè)計、計算分析，可供相似工程參考。

1 工程概況與地質(zhì)條件

1.1 工程概況

項目連接鴨河工區(qū)和南陽市中心城區(qū)，北起龍祥路立交南側(cè)，南至人民路與兩相路交叉口處北側(cè)約350 m處，路線全長約1 740 m，如圖1所示。主線高架設(shè)計速度60 km/h，標準段寬度25.5 m，布置為雙向6車道；地面輔道與匝道設(shè)計速度均為40 km/h，規(guī)劃紅線標準寬度50 m。50 m寬標準段橫斷面如圖2所示。

1.2 地質(zhì)條件

場地自上而下共分為九個工程地質(zhì)層：即①層雜填土（層厚0.7～4.6 m）、②層粉質(zhì)黏土（層厚6.5～16.3 m）、③層含泥中砂（層厚0.3～5.2 m）、④層含卵礫粗砂（層厚1.3～9.3 m）、⑤層黏土（層厚0.5～6.5 m）、⑥層泥質(zhì)粗砂（層厚0.5～4.2 m）、⑦層黏土（層厚10 ～24.4 m）、⑧層粉質(zhì)黏土（層厚13.5～17.4 m）、⑨層黏土。

場地內(nèi)地下水位埋深在8.7～17.3 m之間。場地內(nèi)②層粉質(zhì)黏土中存在上層滯水。屬臨時性懸掛，無統(tǒng)一水位，水量較小，旱季水位較深或消失，受季節(jié)性降水及場地周邊溝、管排水的影響較大。

2 路面結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 路面結(jié)構(gòu)設(shè)計原則

路面是機動車通行的行為場所，路面質(zhì)量的優(yōu)劣也將通過車輛在路面的狀態(tài)演變?yōu)槿说纳眢w感受[5-6]。不同的路面材料、路面結(jié)構(gòu)帶來不同的路面使用功能、使用壽命、行駛舒適性[7]。路面結(jié)構(gòu)方案的最終目標是根據(jù)工程所在區(qū)域的特點以及自身的功能定位、服務(wù)性質(zhì)，選擇合適材料，保證路面的整體質(zhì)量。

2.2 路面結(jié)構(gòu)類型選擇

2.2.1 面層瀝青混合料比選

我國城市道路瀝青面層常用的材料有：密級配瀝青混凝土（AC）、瀝青瑪碲脂碎石混合料（SMA）和高性能瀝青路面材料（Sup）。SMA路面熱穩(wěn)定性好、水穩(wěn)定性好、對溫度敏感性小，但施工工藝復(fù)雜，造價較高；Sup需要特別儀器進行設(shè)計。AC水穩(wěn)性、抗裂性、耐久性較好，費用低，通過SBS改性和摻入少量瀝青改良劑，可以提高瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性[8]。

通過對比瀝青面層方案的優(yōu)勢，參考南陽市與該工程相似的其他工程對瀝青面層的選取，該項目擬采用密級配瀝青混凝土（AC）面層方案?？紤]南陽地區(qū)氣候情況，參考降雨量、年平均溫度與該快速通道的交通量，路面結(jié)構(gòu)層應(yīng)適當加強，上面層擬采用SBS改性瀝青。

2.2.2 基層方案比選

（1）剛性基層。剛性基層由于其材料組成同水泥混凝土接近，甚至需要配筋，其工程造價與一般的半剛性基層相比過高，目前已基本被半剛性基層所替代。

（2）半剛性基層。半剛性基層具有一定抗拉強度、抗疲勞強度，水穩(wěn)定特性較好，路面基層受力性能、穩(wěn)定性良好。

（3）復(fù)合式基層。復(fù)合式基層常規(guī)做法是下基層采用半剛性基層材料，上基層用瀝青碎石材料或級配碎石材料。理論上可減緩半剛性基層的反射裂縫，提高路面使用性能和壽命。但該種結(jié)構(gòu)施工質(zhì)量難以控制，國內(nèi)設(shè)計和施工經(jīng)驗都不多，使用效果待定。

結(jié)合南陽當?shù)氐耐ㄓ米龇ǎ摯硒喓庸^(qū)至南陽市中心城區(qū)快速通道城區(qū)段項目擬采用半剛性基層，基層材料根據(jù)需要采用不同水泥摻量的水穩(wěn)和級配碎石。

2.3 瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計

道路路面結(jié)構(gòu)采用瀝青混凝土柔性路面，路面結(jié)構(gòu)設(shè)計指標采用路表容許回彈彎沉、容許彎拉應(yīng)力及容許剪應(yīng)力。

2.3.1 設(shè)計交通量

根據(jù)周邊交通量調(diào)查及預(yù)測，項目建成后運營第一年（2023年）交通量如表1所示。

結(jié)合大客車、小客車、中貨車、小貨車四種車型所占比重及標準軸載換算系數(shù)，計算得到主線與輔道2023年單向日平均當量軸次分別為3 741、2 089。

一個車道在設(shè)計基準年內(nèi)的累計當量軸次（Ne）：

式中，t——設(shè)計基準期（年），該項目取15年；N1——路面運營第一年（2023年）單向日平均當量軸次（次/d），Ne=3 741和2 089；γ——設(shè)計基準期內(nèi)交通量的年平均年增長率，前五年取5%，中間五年取3%，最后五年取2%；f——設(shè)計車道分布系數(shù)，該項目取0.6。

計算得出城區(qū)段主線Ne=1.61×107次/車道，輔道Ne=8.99×106次/車道。確定主線、輔道路面設(shè)計交通等級分別為重交通、中等交通。

2.3.2 土基回彈模量

根據(jù)路基土類、干濕類型及沿線填挖情況確定，不小于30 MPa。

2.3.3 方案設(shè)計

該項目路面結(jié)構(gòu)初步擬定如下：

（1）主線機動車道。主線機動車道結(jié)構(gòu)如表2所示。

（2）地面輔道機動車道。地面輔道機動車道結(jié)構(gòu)如表3所示。

（3）非機動車道。非機動車道結(jié)構(gòu)如表4所示。

瀝青面層之間設(shè)置PC-2乳化瀝青黏層，瀝青路面層與水穩(wěn)基層之間設(shè)置PC-3乳化瀝青透層。

2.3.4 路面材料參數(shù)

結(jié)合規(guī)范與國內(nèi)已建成路面數(shù)據(jù)調(diào)查情況，確定各層材料抗壓回彈模量和劈裂強度設(shè)計參數(shù)如表5所示。

2.3.5 路面結(jié)構(gòu)厚度計算

路面設(shè)計層選取水泥穩(wěn)定碎石上基層，設(shè)計層最小厚度為150 mm。由URPDS2011軟件計算，主線上基層厚172 mm，輔道上基層厚172 mm，可同時滿足彎沉和層底拉應(yīng)力要求，結(jié)合工程實際，取180 mm。

2.3.6 指標驗算

計算得主線、輔道道路表面的設(shè)計彎沉值ld分別為0.217 mm、0.244 mm。主線、輔道瀝青頂面交工驗收彎沉值ls分別為0.203 mm、0.227 mm，可靠度系數(shù)γa取1.05，計算彎沉值可以滿足γa·ls≤ld的要求。

瀝青表面層的最大剪應(yīng)力0.333 MPa，小于容許剪應(yīng)力0.667 MPa，主線及輔道瀝青表面層材料的抗剪強度滿足設(shè)計要求。

路面結(jié)構(gòu)設(shè)計是一個比較成熟的課題，已有無數(shù)的實操案例。即便如此，常見的路面問題，如道路開裂等仍層出不窮，這一方面與道路結(jié)構(gòu)設(shè)計有關(guān)，道路結(jié)構(gòu)設(shè)計沒有針對性，如對車流量、荷載大小、天氣狀況等缺乏考慮；另一方面可能與施工有關(guān)，施工質(zhì)量不滿足設(shè)計要求；也可能與運營養(yǎng)護有關(guān)，如車輛超載等。從全壽命周期分析，三個因素也是相互關(guān)聯(lián)的。設(shè)計是各因素的源頭，如設(shè)計材料、結(jié)構(gòu)厚度等選擇不當，會造成施工困難。雖然理論上安全、適用、耐久，但如因施工難度大導(dǎo)致質(zhì)量難以控制，則屬于設(shè)計考慮不周。同樣，針對道路超載，也不能完全依賴管理手段。從全壽命角度，需結(jié)合道路通行車輛的情況綜合考慮。如超載頻次過高，則可能是前期設(shè)計考慮不足，需及時進行加固處理。

值得注意的是，當前道路結(jié)構(gòu)設(shè)計工作，因建設(shè)單位工期要求等因素，留給設(shè)計單位的時間并不充裕，設(shè)計單位基于已有大量工程、設(shè)計經(jīng)驗的情況，存在偏重經(jīng)驗、輕視力學計算的情況。因力學計算需針對不同材料，選擇適用的本構(gòu)模型，如彈性模型、彈塑性模型、黏彈塑性模型等。選取的本構(gòu)模型越精確，需要的參數(shù)越多，計算也越復(fù)雜，路面結(jié)構(gòu)設(shè)計時往往不考慮，或者僅考慮簡單的彈性本構(gòu)模型，這可能導(dǎo)致道路在耐久性方面存在缺陷，需引起足夠重視。道路工程服務(wù)周期長，高架等投入大的市政項目，實際服務(wù)周期可能遠超設(shè)計年限（該項目設(shè)計年限為15年）。針對城市快速通道到達設(shè)計年限如何維護修補，目前初始設(shè)計階段一般不予考慮。而修補階段，為加快修補速度，一般也僅針對面層進行修補，忽視基層的狀況。如何從道路全壽命周期以及經(jīng)濟的角度，在初始設(shè)計階段考慮營業(yè)維護、修復(fù)方案，也應(yīng)是道路路面結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)該考慮的內(nèi)容之一。

路面結(jié)構(gòu)設(shè)計，不僅僅是施工圖完成或者工程竣工就完成的一項工作。從設(shè)計的角度，設(shè)計工作應(yīng)關(guān)注道路整個服務(wù)期，甚至進一步考慮如何延長道路生命周期。如果僅僅是基于經(jīng)驗、現(xiàn)有規(guī)范，機械式、程序式的設(shè)計，從設(shè)計到施工再到運營，可能會導(dǎo)致道路性能低于設(shè)計者預(yù)期。因此，設(shè)計者不能僅專注于施工圖之前或者竣工圖之前的工作，應(yīng)該密切關(guān)注道路在運營階段的性能，根據(jù)實測數(shù)據(jù)分析道路的性能，不斷優(yōu)化設(shè)計成果。

3 結(jié)論

依托南陽市中心城區(qū)快速通道項目，綜合考慮不同面層和基層的受力變形規(guī)律、施工難易程度、使用壽命、行駛舒適性、造價等特點，得到的主要結(jié)論有：

（1）考慮南陽地區(qū)氣候情況及擬建項目交通量，路面結(jié)構(gòu)層適當加強，加厚基層；面層采用密級配瀝青混凝土面層方案，為提高路面的耐久性和高溫穩(wěn)定性，上面層采用40 mm厚SBS改性瀝青。

（2）針對主線機動車道、地面輔道機動車道、非機動車道，考慮不同的受力特點，選擇不同的半剛性基層以降低造價，延長路面使用壽命。

（3）使用階段，應(yīng)結(jié)合現(xiàn)場情況調(diào)查分析，針對可能出現(xiàn)的裂縫、車轍等病害，及時治理，延長道路服務(wù)周期。

參考文獻

[1]林緣祥， 鄭俊杰， 后如意， 等. 移動簡諧荷載作用下層狀道路結(jié)構(gòu)的安定下限分析[J]. 巖土工程學報， 2022（11）： 2026-2034.

[2]陳毅超. 城市快速路近遠期結(jié)合設(shè)計的研究[J]. 科學技術(shù)創(chuàng)新， 2022（32）： 129-132.

[3]朱淵. 淺談市政道路瀝青混凝土路面滲水破壞——形成原因及防治對策[J]. 四川建材， 2022（8）： 136-137.

[4]于歡. 城市快速路瀝青路面病害分析及養(yǎng)護方案[J]. 四川建筑， 2021（3）： 61-62.

[5]王繼. 城市道路路面結(jié)構(gòu)設(shè)計原則及要點分析[J]. 四川水泥， 2022（10）： 239-241.

[6]謝文輝. 市政道路工程瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計分析[J]. 江西建材， 2021（11）： 239-240.

[7]郭禮照. 淺談市政道路路面結(jié)構(gòu)及路基設(shè)計的探討[J]. 黑龍江交通科技， 2020（11）： 10-11.

[8]李艷萍. 淺談道路路面結(jié)構(gòu)及路基設(shè)計[J]. 四川建材， 2020（8）： 107+137.