公路工程技术-路面部分

第三章路面工程路面直接承受汽车荷载的作用和自然因素的影响，并为汽车提供安全、经济、舒适的服务。

路面结构修筑技术是路面工程研究的重要内容。

第一节概述一、路面的功能与构造1．路面的功能路面是用各种筑路材料铺筑在路基上供车辆行驶的层状构造物。

路面不仅直接承受车辆荷载的作用，而且要经受自然因素(日光、温度和水等)和其它人为因素的作用。

因此，高等级公路的路面必须具备下述功能：1) 全天候地、稳定地供汽车行驶，即应保证路面良好的行车性能，使之不受任何季节和气候的影响。

2) 保证汽车高速和舒适地行驶，即路面应具有和保持较好的平整度，使汽车在高速行驶时不发生颠簸。

3) 保证汽车安全和经济地行驶，即路面表面应具有和保持一定的粗糙度。

使汽车在高速行驶中需要紧急制动时不致因路滑而产生侧向或超长的纵向滑移，乃至冲撞事故。

2．对路面的基本要求路面应具有下述一系列性能：1) 强度和刚度。

指路面整体结构能够抵抗各种外力综合作用，而不发生破坏和过大变形的性能。

2) 稳定性。

指路面在日光、大气、温度、湿度等自然因素影响之下，其整体强度不致迅速降低的性能。

3) 耐久性。

指路面在自然因素和行车荷载多次重复作用下，材料不致迅速衰变、结构不致因疲劳而破坏的性能。

4) 表面性能。

指路面表面的平整度和粗糙度，平整度用路面纵向凹凸量的偏差值表示，而粗糙度则用路面与轮胎的摩擦系数和路表纹理深度表示。

3．路面构造及结构层次的划分路面构造及结构层次的划分见图3-1所示。

力和冲击力作用，同时还受到降水的浸蚀和气温变化的影响。

因此，同其它层次相比，面层应具备较高的结构强度，抗变形能力好，较好的水稳定性和温度稳定性，而且应当耐磨，不透水，其表面还应有良好的抗滑性和平整度。

修筑面层所用的材料主要有：水泥混凝土、沥青混凝土、沥青碎(砾)石混合料、砂砾或碎石掺土或不掺土的混合料以及块料等。

2) 基层。

基层主要承受由面层传来的车辆荷载的垂直力，并扩散到下面的垫层和土基中去。

实际上基层是路面结构中的承重层，它应具有足够的强调和刚度，并具有良好的扩散应力的能力。

基层遭受大气因素的影响虽然比面层小，但是仍然有可能经受地下水和通过面层渗入雨水的浸湿，所以基层结构应具有足够的水稳定性。

基层表面虽然不直接供车辆行驶，但仍然要求有较好的平整度，这是保证面层平整度的基本条件。

修筑基层的材料主要有各种结合料(如石灰、水泥或沥青等)稳定土或稳定碎(砾)石、贫水泥混凝土、天然砂砾、各种碎石或砾石、片石、块石或圆石，各种工业废渣(如煤渣、粉煤灰、矿渣、石灰渣等)和土、砂、石所组成的混合料等。

3) 垫层。

垫层介于土基与基层之间，它的 图3-2 路面结构组成功能是改善土基的湿度和温度状况，以保证面层及基层的强度、刚度和稳定性不受土基水文状况面层上层面层下层磨耗层底基层基层垫层土层垫层基层联结层面层变化所造成的不良影响。

另一方面的功能是将基层传下的车辆荷载应力加以扩散，以减小土基产生的应力和变形。

同时也能阻止路基土挤入基层中，影响基层结构的性能。

修筑垫层的材料，强度要求不一定高，但水稳定性和隔温性能要好。

常用的垫层材料分为两种，一类是由松散粒料，如砂、砾石、炉渣等组成的透水性垫层；另一类是用水泥或石灰稳定土等修筑的稳定类垫层。

二、路面的分级与分类1．路面的分级通常按路面面层的使用品质，材料组成类型以及结构强度和稳定性，将路面分为四个等级，如表3.1所示。

1) 高级路面高级路面的特点是强度高、刚度大、稳定性好、使用寿命长、能适应较繁重的交通量，路面平整、无尘埃，能保证高速行车、高级路面养护费用少，运输成本低，但初期建设投资高，需要用质量高的材料来修筑。

2) 次高级路面次高级路面与高级路面相比，强度和刚度较差，使用寿命较短，所适应的交通量较小，行车速度也较低，次高级路面的初期建设投资虽较高级路面低些，但要求定期修理，养护费用和运输成本也较高。

3) 中级路面中级路面的强度和刚度低，稳定性差，使用期限短，平整度差，易扬尘，仅能适应较小的交通量，行车速度低。

中级路面的初期建设投资虽然很低，但是养护工作量大，需要经常维修和补充材料，才能延长使用年限，运输成本也高。

4) 低级路面低级路面的强度和刚度最低，水稳定性差，路面平整性差，易扬尘，故只能保证低速行车，所适应的交通量最小，在雨季有时不能通车。

低级路面的初期建设投资最低，但要求经常养护修理，而且运输成本最高。

2．路面的分类路面类型可以从不同的角度来划分，但是一般都按面层所用的材料区划，如水泥混凝土路面、沥青路面、砂石路面等。

但是在工程设计中，主要从路面结构的力学特性和设计方法的相似性出发，将路面划分为柔性路面、刚性路面和半刚性路面三类。

1) 柔性路面柔性路面的总体结构刚度较小，在车辆荷载作用之下产生较大的弯沉变形，路面结构本身的抗弯拉强度较低，它通过各结构层将车辆荷载传递给土基，使土基承受较大的单位压力。

路基路面结构主要靠抗压强度和抗剪强度承受车辆荷载的作用。

柔性路面主要包括各种未经处理的粒料基层和各类沥青面层、碎(砾)石面层或块石面层组成的路面结构。

2) 刚性路面刚性路面主要指用水泥混凝土作面层或基层的路面结构。

水泥混凝土的强度高，与其它筑路材料比较，它的抗弯拉强度高，并且有较高的弹性模量，故呈现出较大的刚性。

在车辆荷载作用下，水泥混凝土结构层处于板体工作状态，竖向弯沉较小，路面结构主要靠水泥混凝土板的抗弯拉强度承受车辆荷载，通过板体的扩散分布作用，传递给基础上的单位压力较柔性路面小得多。

3) 半刚性路面用水泥、石灰等无机结合料处治的土或碎(砾)石及含有水硬性结合料的工业废渣修筑的基层，在前期具有柔性路面的力学性质，后期的强度和刚度均有较大幅度的增长，但是最终的强度和刚度仍远小于水泥混凝土。

由于这种材料的刚性处于柔性路面与刚性路面之间，因此把这种基层和铺筑在它上面的沥青面层统称为半刚性路面。

这种基层称为半刚性基层。

刚性路面、柔性路面和半刚性路面，这种以力学特性为标准的分类方法主要是为了便于从功能原理和设计方法出发进行分区，并没有绝对的定量分界界线。

近年来材料科学的发展正在逐步改变这种属性，如水泥混凝土的增塑研究正在使它的刚性降低而保留它的高强性质，沥青的改性研究使得沥青混凝土随气候而变化的力学性质趋于稳定，大幅度提高其刚度。

此说明事物都是在相互转化之中。

三、路面设计路面设计应包括路面结构层原材料的选择、混凝土配合比设计、设计参数的测试与确定，路面结构层组合与厚度计算，路面结构的方案比选等内容，以及路面排水系统设计和路肩加固等的设计。

路面结构层设计除包括行车道部分的路面外，对高速公路、一级公路还应包括路缘带、硬路肩、加(减)速车道、爬坡车道、紧急停车带、匝道、收费站、服务区、停车场等的路面设计。

路面设计的原则为：(1) 路面设计应根据使用要求及气候、水文、土质等自然条件，密切结合当地实践经验，进行路基路面综合设计。

(2) 在满足交通量和使用要求的前提下，应遵循因地制宜、合理选材、方便施工、利于养护、节约投资的原则，进行路面设计方案的技术经济比较，选择技术先进、经济合理、安全可靠、有利于机械化、工厂化施工的路面结构方案。

(3) 结合当地条件，积极推广成熟的科研成果，对行之有效的新材料、新工艺、新技术应在路面设计方案中积极、慎重地加以运用。

(4) 路面设计方案应注意环境保护和施工人员的健康和安全。

(5) 为提高路面工程质量，应推行机械化施工。

对高速公路、一级公路，应采用大型、高效的成套机械设备施工，以确保工程质量。

(6) 高速公路、一级公路的路面不宜分期修建。

对软土地区或高填方路基等可能产生较大沉降的路段，宜按“分期修建”或“一次设计分期实施”的原则设计。

设计时，应按远景交通量设计路面结构厚度，铺筑时可减薄沥青面层，待路基趋于稳定后，视路面实际情况再加铺沥青面层。

第二节基层、底基层及垫层一、垫层1. 垫层的设置原则处于下列状况的路基应设置垫层，以排除路面、路基中滞留的自由水，确保路面结构处于干燥或中湿状态。

(1) 地下水位高，排水不良，路基经常处于潮湿、过湿状态的路段。

(2) 排水不良的土质路堑，有裂隙水、泉眼等水文不良的岩石挖方路段。

(3) 季节性冰冻地区的中湿、潮湿路段，可能产生冻胀需设置防冻垫层的路段。

(4) 基层或底基层可能受污染以及路基软弱的路段。

2. 垫层材料垫层材料可选用粗砂、砂砾、碎石、煤渣、矿渣等粒料以及水泥或石灰煤渣稳定粗粒土，石灰粉煤灰稳定粗粒土等。

若采用粗砂和砂砾料时，通过0.074mm筛孔的颗粒含量应不大于5％。

采用煤渣时，小于2mm的颗粒含量不宜大于20％。

为防止软弱路基污染粒料底基层、基层，或为隔断地下水的影响，可在路基顶面设土工合成材料隔离层。

3. 垫层设置宽度高速公路、一、二级公路的排水垫层应铺至路基同宽，以利路面结构排水，保持路基稳定。

三、四级公路的垫层宽度可比底基层每侧至少宽25cm。

二、路面基层的类型基层(底基层)可分为粒料类和无机结合料稳定类。

1．粒料类基层(底基层)粒料类常分为嵌锁形和级配型，目前常用的有填隙碎石(嵌锁型)、级配碎(砾)石、天然砂砾(级配型)几种。

粒料类基层(底基层)的主要特点是透水性大、施工方便。

我国大都将此类结构作为高等级公路的底基层或垫层，有些国家用级配碎(砾)石修筑基层或底基层，还用作沥青面层与半刚性基层间的联结层。

嵌锁型粒料基层的整体强度主要依靠碎石颗粒之间的嵌锁和摩阻作用，颗粒间的粘结力很小，即这种结构层的抗剪强度主要取决于剪切面上的法向应力和材料的内摩阻角。

内摩阻角由三项因素构成：粒料表面的相互滑动摩擦、剪切时体积膨胀而需克服的阻力、粒料重新排列而受到的阻力。

因此，嵌锁型结构强度主要取决于石料的强度、形状、尺寸、均匀性、表面粗糙度以及施工时的压实程度。

当石料强度高，形状接近立方体、有棱角、尺寸均匀、表面粗糙、压实度高时，结构层的强度就高。

级配型粒料基层的强度和稳定性取决于内摩阻角和粘结力的大小。

即其强度与稳定性在很大程度上取决于集料的类型(碎石、砾石或碎砾石)、集料的最大粒径和级配以及混合料中0.5mm以下细粒的含量及塑性指数。

同时还与其密实程度有关系。

因此，对级配型粒料，主要控制最大粒径、细粒含量及其塑性指数和现场压实度。

2．无机结合料稳定类基层(底基层)无机结合料稳定类基层又称半刚性基层，常用的半刚性基层的类型有：1) 水泥稳定类。

主要有水泥稳定土、水泥稳定碎石(或砂砾)及水泥稳定为筛分碎石(或石屑、石渣)等。

2) 石灰稳定类。

主要有石灰土、石灰碎石土、石灰砾石土以及石灰土稳定级配碎石和级配砂砾等。

3) 综合稳定类。

主要有水泥石灰综合稳定土、水泥石灰稳定碎石(或砾石)、水泥石灰稳定煤渣等。

4) 石灰工业废渣类。

主要有石灰粉煤灰(简称二灰)土、二灰砂、二灰砂砾、二灰碎石等，石灰煤渣、石灰煤渣土、石灰煤渣碎石(或砂砾)、石灰煤渣矿渣等。