城市中心城区快速通道道路工程路面结构设计探讨.pdf

68交通科技与管理工程技术0引言路面结构设计是城市快速道路设计的重要内容，对造价、施工、道路服务期限及使用的安全性、舒适性有至关重要的影响。林缘祥等1采用安定极限分析方法，研究了道路结构的安定性问题。陈毅超2以厦门滨海东大道快速路为例，提出城市快速路应近远期结合设计。朱渊3对比市政道路和公路工程的沥青混凝土路面，分析了道路的渗水破坏问题。于欢4基于太原市中环快速路，分析出现的横向裂缝、纵向裂缝、网状裂缝、车辙等病害，针对不同病害提出了相应的养护措施。该文依托南阳市中心城区快速通道项目，综合考虑不同面层和基层的受力变形规律、施工难易程度、使用寿命、行驶舒适性、造价等特点，对路面结构进行设计、计算分析，可供相似工程参考。1工程概况与地质条件1.1工程概况项目连接鸭河工区和南阳市中心城区，北起龙祥路立交南侧，南至人民路与两相路交叉口处北侧约350 m处，路线全长约 1 740 m，如图 1 所示。主线高架设计速度60 km/h，标准段宽度 25.5 m，布置为双向 6 车道；地面辅道与匝道设计速度均为 40 km/h，规划红线标准宽度50 m。50 m 宽标准段横断面如图 2 所示。1.2地质条件场地自上而下共分为九个工程地质层：即层杂填土（层厚 0.74.6 m）、层粉质黏土（层厚 6.516.3 m）、层含泥中砂（层厚 0.35.2 m）、层含卵砾粗砂（层厚 1.39.3 m）、层黏土（层厚 0.56.5 m）、层泥质粗砂（层厚 0.54.2 m）、层黏土（层厚 10 24.4 m）、层粉质黏土（层厚 13.517.4 m）、层黏土。场地内地下水位埋深在 8.717.3 m 之间。场地内层粉质黏土中存在上层滞水。属临时性悬挂，无统一水位，水量较小，旱季水位较深或消失，受季节性降水及场地周边沟、管排水的影响较大。2路面结构设计2.1路面结构设计原则路面是机动车通行的行为场所，路面质量的优劣也将通过车辆在路面的状态演变为人的身体感受5-6。不同的路面材料、路面结构带来不同的路面使用功能、使用寿命、行驶舒适性7。路面结构方案的最终目标是根据工程所在区域的特点以及自身的功能定位、服务性质，选择合适材料，保证路面的整体质量。2.2路面结构类型选择2.2.1面层沥青混合料比选我国城市道路沥青面层常用的材料有：密级配沥青混凝土（AC）、沥青玛碲脂碎石混合料（SMA）和高性能沥青路面材料（Sup）。SMA 路面热稳定性好、水稳定性好、对温度敏感性小，但施工工艺复杂，造价较高；Sup 需要特别仪器进行设计。AC 水稳性、抗裂性、耐久性较好，费用低，通过 SBS 改性和掺入少量沥青改良剂，可以提高沥青混合料的高温稳定性8。通过对比沥青面层方案的优势，参考南阳市与该工程相似的其他工程对沥青面层的选取，该项目拟采用密收稿日期：2023-10-21作者简介：刘淑芬（1991）,女,硕士,工程师,研究方向：道路交通。城市中心城区快速通道道路工程路面结构设计探讨刘淑芬 同济大学建筑设计研究院（集团）有限公司,上海 200092摘要路面结构设计是城市快速道路设计的重要内容，对道路造价、施工、服务期限及使用的安全性、舒适性有至关重要的影响。文章依托南阳市中心城区快速通道项目，综合考虑不同面层和基层的受力变形规律、施工难易程度、使用寿命、行驶舒适性、造价等特点，对路面结构进行分析设计，提出以下结论：（1）考虑南阳地区气候情况及拟建项目交通量，采用沥青混凝土路面，路面结构层应适当加强，加厚基层；为提高路面的耐久性和高温稳定性，上面层采用 SBS 改性沥青。（2）针对主线机动车道、地面辅道机动车道、非机动车道，考虑不同的受力特点，选择不同的半刚性基层以降低造价，延长路面使用寿命。（3）使用阶段，应结合现场情况调查分析，针对可能出现的裂缝、车辙等病害及时治理，延长道路服务周期。关键词城区快速通道；路面结构；对比分析；设计选型中图分类号U416文献标识码A文章编号2096-8949（2023）24-0068-042023 年第 4 卷第 24 期69交通科技与管理工程技术级配沥青混凝土（AC）面层方案。考虑南阳地区气候情况，参考降雨量、年平均温度与该快速通道的交通量，路面结构层应适当加强，上面层拟采用 SBS 改性沥青。2.2.2基层方案比选（1）刚性基层。刚性基层由于其材料组成同水泥混凝土接近，甚至需要配筋，其工程造价与一般的半刚性基层相比过高，目前已基本被半刚性基层所替代。（2）半刚性基层。半刚性基层具有一定抗拉强度、抗疲劳强度，水稳定特性较好，路面基层受力性能、稳定性良好。（3）复合式基层。复合式基层常规做法是下基层采用半刚性基层材料，上基层用沥青碎石材料或级配碎石材料。理论上可减缓半刚性基层的反射裂缝，提高路面使用性能和寿命。但该种结构施工质量难以控制，国内设计和施工经验都不多，使用效果待定。结合南阳当地的通用做法，该次鸭河工区至南阳市中心城区快速通道城区段项目拟采用半刚性基层，基层材料根据需要采用不同水泥掺量的水稳和级配碎石。2.3沥青路面结构设计道路路面结构采用沥青混凝土柔性路面，路面结构设计指标采用路表容许回弹弯沉、容许弯拉应力及容许剪应力。2.3.1设计交通量根据周边交通量调查及预测，项目建成后运营第一年（2023 年）交通量如表 1 所示。结合大客车、小客车、中货车、小货车四种车型所占比重及标准轴载换算系数，计算得到主线与辅道 2023年单向日平均当量轴次分别为 3 741、2 089。表 1建成后运营第一年交通量路面单向高峰小时交通量/(pcu/h)日平均交通量/(pcu/h)主线1 80418 682辅道67110 431一个车道在设计基准年内的累计当量轴次（Ne）：（1）式中，t 设计基准期（年），该项目取 15 年；N1 路面运营第一年（2023 年）单向日平均当量轴次（次/d），Ne=3 741 和 2 089；设计基准期内交通量的年平均年增长率，前五年取 5%，中间五年取 3%，最后五年取 2%；f 设计车道分布系数，该项目取 0.6。计算得出城区段主线 Ne=1.61107次/车道，辅道Ne=8.99106次/车道。确定主线、辅道路面设计交通等级分别为重交通、中等交通。图 1工程范围示意图图 250 m 宽标准段横断面示意图70交通科技与管理工程技术2.3.2土基回弹模量根据路基土类、干湿类型及沿线填挖情况确定，不小于 30 MPa。2.3.3方案设计该项目路面结构初步拟定如下：（1）主线机动车道。主线机动车道结构如表 2 所示。（2）地面辅道机动车道。地面辅道机动车道结构如表 3 所示。（3）非机动车道。非机动车道结构如表 4 所示。沥青面层之间设置 PC-2 乳化沥青黏层，沥青路面层与水稳基层之间设置 PC-3 乳化沥青透层。表 2主线机动车道结构上面层SBS 改性沥青混凝土（AC-13C）4 cm中面层中粒式沥青混凝土（AC-20C）5 cm下面层粗粒式沥青混凝土（AC-25C）7 cm下封层橡胶沥青碎石封层1 cm上基层5%水泥稳定碎石（抗压强度 3.5 MPa）18 cm下基层4%水泥稳定碎石（抗压强度 2.5 MPa）18 cm底基层级配碎石20 cm结构总厚度 73 cm表 3地面辅道机动车道结构上面层SBS 改性沥青混凝土（AC-13C）4 cm下面层粗粒式沥青混凝土（AC-25C）8 cm下封层橡胶沥青碎石封层1 cm上基层5%水泥稳定碎石18 cm下基层4%水泥稳定碎石18 cm底基层级配碎石20 cm结构总厚度 69 cm表 4非机动车道结构上面层细粒式沥青混凝土（AC-13C）4 cm下面层中粒式沥青混凝土（AC-20C）6 cm下封层橡胶沥青碎石封层1 cm上基层4%水泥稳定碎石20 cm下基层级配碎石20 cm结构总厚度 51 cm2.3.4路面材料参数结合规范与国内已建成路面数据调查情况，确定各层材料抗压回弹模量和劈裂强度设计参数如表 5 所示。表 5各层材料抗压回弹模量和劈裂强度设计参数层位结构层材料名称抗压模量/MPa劈裂强度/MPa1细粒式沥青混凝土1 6001.62中粒式沥青混凝土1 4001.23粗粒式沥青混凝土1 20014水泥稳定碎石（抗压强度 3.5 MPa）1 7000.65水泥稳定碎石（抗压强度 2.5 MPa）1 7000.56级配碎石250/2.3.5路面结构厚度计算路面设计层选取水泥稳定碎石上基层，设计层最小厚度为 150 mm。由 URPDS2011 软件计算，主线上基层厚 172 mm，辅道上基层厚 172 mm，可同时满足弯沉和层底拉应力要求，结合工程实际，取 180 mm。2.3.6指标验算计算得主线、辅道道路表面的设计弯沉值 ld分别为0.217 mm、0.244 mm。主线、辅道沥青顶面交工验收弯沉值ls分别为0.203 mm、0.227 mm，可靠度系数a取1.05，计算弯沉值可以满足 als ld的要求。沥青表面层的最大剪应力 0.333 MPa，小于容许剪应力 0.667 MPa，主线及辅道沥青表面层材料的抗剪强度满足设计要求。路面结构设计是一个比较成熟的课题，已有无数的实操案例。即便如此，常见的路面问题，如道路开裂等仍层出不穷，这一方面与道路结构设计有关，道路结构设计没有针对性，如对车流量、荷载大小、天气状况等缺乏考虑；另一方面可能与施工有关，施工质量不满足设计要求；也可能与运营养护有关，如车辆超载等。从全寿命周期分析，三个因素也是相互关联的。设计是各因素的源头，如设计材料、结构厚度等选择不当，会造成施工困难。虽然理论上安全、适用、耐久，但如因施工难度大导致质量难以控制，则属于设计考虑不周。同样，针对道路超载，也不能完全依赖管理手段。从全寿命角度，需结合道路通行车辆的情况综合考虑。如超载频次过高，则可能是前期设计考虑不足，需及时进行加固处理。值得注意的是，当前道路结构设计工作，因建设单位工期要求等因素，留给设计单位的时间并不充裕，设计单位基于已有大量工程、设计经验的情况，存在偏重经验、轻视力学计算的情况。因力学计算需针对不同材料，选择适用的本构模型，如弹性模型、弹塑性模型、黏弹塑性模型等。选取的本构模型越精确，需要的参数越多，计算也越复杂，路面结构设计时往往不考虑，或者仅考虑简单的弹性本构模型，这可能导致道路在耐久性方面存在缺陷，需引起足够重视。道路工程服务周期长，高架等投入大的市政项目，实际服务周期可能远超设计年限（该项目设计年限为 15 年）。针对城市快速通道到达设计年限如何维护修补，目前初始设计阶段一般不予考虑。而修补阶段，为加快修补速度，一般也仅针对面层进行修补，忽视基层的状况。如何从道路全寿命周期以及经济的角度，在初始设计阶段考虑营业维护、修复方案，也应是道路路面结构设计应该考虑的内容之一。路面结构设计，不仅仅是施工图完成或者工程竣工就完成的一项工作。从设计的角度，设计工作应关注道路整个服务期，甚至进一步考虑如何延长道路生命周期。如果仅仅是基于经验、现有规范，机械式、程序式的设计，（下转第 67 页）67交通科技与管理工程技术4结论综上所述，路基路面是道路工程最基本的结构，其质量状况直接影响道路整体使用性能及使用年限，加强路基路面病害检测，对提高道路整体运营质量，保证交通运输安全具有十分重要的作用。公路工程运营过程中，通过路基路面病害数据质量的全过程管理，加强运营公路的动态质量控制；通过定期开展路基路面质量状况检测，能及时发现路基路面存在的变形、沉陷、坑槽、车辙等质量病害，并根据病害具体情况，制定切实可行的路基路面处治方案，有效提升公路整体质量。同时，还应科学加强路基路面养护，做好日常养护工作，并完善排水系统，防止病害产生，从而有效保证道路使用性能，延长使用寿命。参考文献1 柳雨豪,罗浩原,黄晓明.智能公路系统下的路面病害图像检测技术综述 J.现代交通与冶金材料,2023(1):9-20.2 穆红海,刘超权.高速公路路基路面病害检测技术研究 J.运输经理世界,2023(1):16-18.3 闵生,胡磊.公路路基路面病害检测问题与措施分析J.黑龙江交通科技,2021(11):22+24.4 鞠作斌.公路路基路面病害的科学检测及预防养护方法分析 J.运输经理世界,2020(12):144-145.5 喇文君.高速公路沥青路面典型病害及预防性养护技术 J.工程建设与设计,2022(15):181-183.6 蒋龙.农村公路沥青路面病害及养护施工技术 J.运输经理世界,2022(18):135-138.7 张文浩,吴昊,朱元军,等.就地热再生施工全面质量管理方法研究 J.公路交通科技(应用技术版),2020(11):369-372.8 闫文俊,郑亮,张登峰.沥青路面就地热再生在市政道路养护中的应用研究 J.建材世界,2022(3):94-97.9 刘春明,魏慧勇,司殿臣,等.沥青混凝土路面市政道路管线检查井病害成因与防治 J.城市勘测,2022(3):187-191.10 彭杰.公路路基路面病害的科学检测及预防养护策略探讨 J.黑龙江交通科技,2022(11):180-182.11 尚欢欢.公路路基路面病害检测问题与措施探讨 C/上海筱虞文化传播有限公司,中国智慧工程研究会智能学习与创新研究工作委员会.Proceedings of 2022 Shanghai Forum on Engineering Technology and New Materials(ETM2022)(VOL.1),2022:2.12 彭杰.公路路基路面病害的科学检测及预防养护策略探讨 J.黑龙江交通科技,2022(11):180-182.（上接第 70 页）从设计到施工再到运营，可能会导致道路性能低于设计者预期。因此，设计者不能仅专注于施工图之前或者竣工图之前的工作，应该密切关注道路在运营阶段的性能，根据实测数据分析道路的性能，不断优化设计成果。3结论依托南阳市中心城区快速通道项目，综合考虑不同面层和基层的受力变形规律、施工难易程度、使用寿命、行驶舒适性、造价等特点，得到的主要结论有：（1）考虑南阳地区气候情况及拟建项目交通量，路面结构层适当加强，加厚基层；面层采用密级配沥青混凝土面层方案，为提高路面的耐久性和高温稳定性，上面层采用 40 mm 厚 SBS 改性沥青。（2）针对主线机动车道、地面辅道机动车道、非机动车道，考虑不同的受力特点，选择不同的半刚性基层以降低造价，延长路面使用寿命。（3）使用阶段，应结合现场情况调查分析，针对可能出现的裂缝、车辙等病害，及时治理，延长道路服务周期。参考文献1 林缘祥,郑俊杰,后如意,等.移动简谐荷载作用下层状道路结构的安定下限分析 J.岩土工程学报,2022(11):2026-2034.2 陈毅超.城市快速路近远期结合设计的研究 J.科学技术创新,2022(32):129-132.3 朱渊.浅谈市政道路沥青混凝土路面渗水破坏 形成原因及防治对策 J.四川建材,2022(8):136-137.4 于欢.城市快速路沥青路面病害分析及养护方案 J.四川建筑,2021(3):61-62.5 王继.城市道路路面结构设计原则及要点分析 J.四川水泥,2022(10):239-241.6 谢文辉.市政道路工程沥青路面结构设计分析 J.江西建材,2021(11):239-240.7 郭礼照.浅谈市政道路路面结构及路基设计的探讨 J.黑龙江交通科技,2020(11):10-11.8 李艳萍.浅谈道路路面结构及路基设计 J.四川建材,2020(8):107+137.