路面工程的分类、组成及构造

一、路面的基本要求

路面直接承受车辆荷载的作用和自然因素的影响,并为车辆提供安全、经济、舒适的服务。现代公路交通运输不仅要求路面具有足够的承载能力与稳定性,而且应满足耐久、平整、抗滑等使用要求,同时减少环境污染。

1. 具有足够的承载能力

行驶在路面上的车辆,通过车轮把荷载传给路面,由路面传给路基,在路基路面结构内部产生应力、应变及位移。如果路面结构整体或某一组成部分的强度或抗变形能力不足以抵抗这些应力、应变及位移,则路面会出现沉陷,路面表面会出现波浪或车辙,使路况恶化、服务水平下降。因此,要求路基路面结构整体及各组成部分都具有与行车荷载相适应的承载能力。

结构承载能力是路面结构承受荷载的能力。路面结构应具有足够的强度以抵抗车轮荷载引起的各个部位的各种应力,如压应力、拉应力、剪应力等,使路面各个部位的各种应力在规定的范围内,保证路面结构不发生压碎、拉断、剪切等各种破坏。或者路面结构应能抵抗车轮荷载引起的各个部位的各种应变,如压应变、拉应变、剪应变等,使路面各个部位的各种应变在规定的范围内,在车轮荷载作用下不发生过量的应变或变形,保证不发生车辙、沉陷或波浪等各种病害。

2. 具有足够的稳定性

路面结构的稳定性包括高温稳定性、低温稳定性、水稳定性。

路面结构暴露在大气之中,经常受到大气温度、降水、湿度变化的影响,结构的物理、力学性质将随之发生变化,处于另外一种不稳定状态。路面结构能承受这种不稳定状态、保持工程设计所要求的几何形态及物理力学性质,称为路面结构的稳定性。

3. 具有足够的平整度

路面表面平整度是影响行车安全、行车舒适性以及运输效益的重要使用性能。特别是高速公路对路面平整度的要求更高。不平整的路面会增大行车阻力,并使车辆产生附加的振动作用。这种振动作用会造成行车颠簸,影响行车的速度和安全,驾驶的平稳性和乘客的舒适度。不平整的路面会积滞雨水,加速路面的破坏。因此,为了减少振动冲击力,提高行车速度和增加行车舒适性、安全性,路面应保持一定的平整度。

4. 具有足够的抗滑性

车辆行驶时,车轮与路表面之间应具有足够的摩阻力,以保证行车的安全性。在陡坡路段或雨季及结冰季节,路面抗滑性对行车安全至关重要。

5. 具有足够的耐久性

路面工程投资昂贵,从规划、设计、施工至通车使用需要较长时间,因此要求路面工程应具有耐久性。路面在车辆荷载的反复作用下和大气水温周期性的重复作用下,其使用性能将逐年下降,强度与刚度将逐年衰变,路面材料的各项性能也可能由于老化而衰变,引起路面结构的损坏,而路面的稳定性也可能在长期经受自然因素的侵袭后逐年削弱。因此,需要提高路面的耐久性。

二、路面的分类

路面分类方式很多,一般依据路面结构力学特性分为柔性路面、复合式路面、刚性路面等,根据面层材料分为水泥混凝土路面、沥青路面、砂石路面等,根据基层材料分为无机结合料稳定类基层沥青路面、粒料类基层沥青路面、沥青结合料类基层沥青路面和水泥混凝土基层沥青路面等。国外一般将路面分为铺装路面、简易铺装路面和未铺装路面。沥青混凝土路面和水泥混凝土路面等称为铺装路面,沥青碎石、沥青贯入、沥青表面处治路面等称为简易铺装路面,碎、砾石路面等称为未铺装路面。

路面面层类型的选用应符合表3. 3. 1 规定。

1. 按面层材料分类

1)沥青路面

包括沥青混凝土路面、沥青贯入式路面、沥青表面处治路面等。

2)水泥混凝土路面

包括普通混凝土路面、钢筋混凝土路面、连续配筋混凝土路面、预应力混凝土路面、钢纤维混凝土路面和碾压混凝土路面等。

3)碎、砾石路面

包括泥(灰)结碎石路面、级配碎石路面、级配砾石路面及天然砂砾路面、粒料改善土路面等。

2. 按基层材料分类

1)沥青结合料类基层沥青路面(通常称为柔性基层沥青路面)

该类沥青路面适用于各种交通荷载等级公路。

沥青结合料类基层沥青路面的总体结构刚度较小,在车辆荷载作用下产生的弯沉变形较半刚性基层沥青路面大。虽然路面结构某一层的抗弯拉强度较低,但通过合理的结构组合和厚度设计可以保证路面结构整体具有很强的抵抗荷载作用的能力。

2)水泥混凝土基层沥青路面(通常称为刚性基层沥青路面)

该类沥青路面适用于重及以上交通荷载等级公路。刚性基层沥青路面是指用水泥混凝土做基层、沥青混凝土做面层的路面结构。水泥混凝土具有强度高、稳定性好等特点,沥青混凝土行车舒适、噪声小。这种复合式路面可以结合各自的优点,具有良好的使用性能和耐久性。

3)无机结合料稳定类基层沥青路面(通常称为半刚性基层沥青路面)

该类沥青路面适用于各种交通荷载等级公路。半刚性基层沥青路面是指用水泥、石灰、粉煤灰等无机结合料稳定类材料(常称半刚性材料)作为基层、底基层的沥青路面。这种半刚性基层材料使用前期的力学特性呈柔性,而后期趋近于刚性,其刚性介于柔性路面和刚性路面之间,如水泥或石灰、粉煤灰稳定粒料类基层的沥青路面。

4)粒料类基层沥青路面

粒料类基层沥青路面包括级配碎石、级配砾石、未筛分碎石、天然砾石、填隙碎石等基层的沥青路面。级配碎石基层沥青路面适用于重及以下交通荷载等级的公路,其他适用于中等及以下交通荷载等级公路。

三、路面工程的组成

行车荷载和自然因素对路面各结构层的影响随深度增加而逐渐减弱,因此对路面材料的强度、抗变形能力和稳定的要求也随深度的增加而逐渐降低。为了适应这一特点,路面结构通常分层铺筑,按照使用要求、受力状况、土基条件和自然因素影响程度的不同分成若干层次。通常按照各个层位功能的不同,路面结构一般由面层、基层(底基层)组成,必要时设置功能层。路面工程包括路面面层、基层和底基层、功能层、路肩、路缘石、路面排水设施。

1. 面层

面层是直接与行车和大气接触的表面层,承受较大的行车荷载的垂直力、水平力和冲击力的作用,同时还受降水侵蚀和气温变化的影响。因此,同其他层次相比,面层应具备较高的结构强度、抗变形能力、较好的水稳定性和高低温稳定性,而且应当耐磨、不透水,其表面层应具有良好的抗滑性能和平整度。

面层所用材料主要有水泥混凝土、沥青混凝土、沥青碎石混合料等。沥青面层根据需要,可分两层、三层或更多层次来铺筑。

2. 基层和底基层

基层是设置在面层之下,并与面层一起将车轮荷载的反复作用传到底基层和土基,是起承重作用的层次。底基层是设置在基层之下,承受由面层和基层传递的车辆荷载,并将荷载分布到垫层或土基上。基层和底基底包括无机结合料稳定类、粒料类、沥青结合料类、水泥混凝土类等类型。

3. 功能层

1)防冻层

季节性冻土地区路面厚度不满足防冻要求时,应增设防冻层。防冻层宜采用粗砂、砂砾、碎石等粒料类材料。

2)粒料路基改善层

地下水位高、排水不良的路段,有裂隙水、泉眼等水文条件的岩石挖方路段,基层和底基层为非粒料类材料时,可在基层或底基层与路床间设置粒料层。路基湿度状态为中湿或潮湿时,宜采用粒料类底基层或者设置粒料路基改善层。粒料层应与路基边缘或与边沟下渗沟相连接,厚度不宜小于150mm。该功能层可改善土基的温度、湿度状况,以保证面层和基层的强度、刚度和稳定性不受土基水温变化的影响,同时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。粒料排水层可起到排水作用,一方面避免潮湿路基或裂隙水、地下毛细水等影响路面湿度状态;另一方面可及时排除路面内部水,避免下渗影响路基。

3)封层

路面结构中用于阻止水下渗的功能层称为封层。无机结合料稳定类或冷再生类材料结构层与沥青结合料类结构层之间宜设置封层,封层可采用单层沥青表面处治或稀浆封层等。当设置改性沥青应力吸收层时,可不再设置封层。

4)黏层

为加强路面各结构层之间的黏结,提高路面结构的整体性,避免产生层间滑移,沥青层之间、新旧沥青层之间、沥青层与旧水泥混凝土路面之间等应设置黏层。

5)透层

粒料类基层和无机结合料稳定类基层顶面宜设置透层,透层应具有良好的渗透性。

4. 中央分隔带

为保障高速公路、一级公路高速行车安全,在双向车道中间设置中央分隔带,其宽度根据设计速度确定,设计速度为120km/ h 时宽度一般为3m,其余一般为2m。中央分隔带下部需要设置排水设施及通信管道,外露部分需要绿化和设置防眩、防撞设施。中央分隔带开口一般2km 设置一处,开口长度一般为50m。

5. 路肩

路肩铺面结构应具有一定的承载能力,路肩结构组合和材料选用应与行车道路面相协调,不应影响路面结构中水的排出。高速公路和一级公路以及承受极重、特重和重交通荷载等级公路及冻土地区,硬路肩基层、底基层材料和厚度应与行车道路面相同。

土路肩是为行车安全而设置的,位于硬路肩边缘至路肩边缘,具有一定宽度的带状结构部分。一般情况下用黏土填筑,安全设施的波形护栏立柱打入或埋置在土路肩范围内,路表排水的路肩沟也设置在土路肩范围内。

6. 路面排水设施

当前,在高等级公路建设中,为使渗入路面的表面水降至最小限度,并且迅速地排除进入路面结构内的水分,所采用的路面排水设施主要有以下4 种形式。

(1)路面表面排水:漫流排水方式、集中排水方式。包括路肩沟、超高路段排水中沟、集水井、横向排水管等。

(2)中央分隔带排水:包括渗沟、渗水管、集水井、横向排水管等。

(3)路面结构内部排水:包括排水性基层、排水性土工织物中间层、开级配透水性沥青混凝土表层、路肩边缘排水等。

(4)桥面铺装体系排水。

7. 路缘石

路缘石设置在中央分隔带、两侧分隔带及路侧带两侧,缘石可以分为立缘石和平缘石。按照材质路缘石分为水泥混凝土路缘石、天然石材路缘石。

四、沥青路面

沥青路面具有行车舒适、噪声低、施工期短、养护维修简便等优点,因此得到了广泛应用。沥青路面应具有坚实、平整、抗滑、耐久的品质,同时还应具有高温抗车辙、低温抗开裂、抗水损害以及防止雨水渗入基层的功能。

1. 基层和底基层

无机结合料稳定类基层沥青路面适用于各种交通荷载等级;粒料类基层沥青路面适用于重及以下交通荷载等级;沥青结合料类基层沥青路面适用于各种交通荷载等级;水泥混凝土基层沥青路面适用于重及以上交通荷载等级。

不同材料基层和底基层厚度宜符合表3. 3. 2 的要求。

2. 面层

沥青路面面层材料类型可分为连续级配沥青混合料、沥青玛脂碎石混合料、厂拌热再生沥青混合料、上拌下贯沥青碎石和沥青表面处治。

连续级配沥青混合料适用于各交通荷载等级的表面层、中面层和下面层;沥青玛脂碎石混合料适用于极重、特重和重交通荷载等级的表面层,以及对抗滑有特殊要求的表面层;厂拌热再生沥青混合料适用于各交通荷载等级的表面层、中面层和下面层;上拌下贯沥青碎石适用于中等、轻交通荷载等级的面层;沥青表面处治适用于中等、轻交通荷载等级的表面层。

对抗滑、排水或降噪有特殊要求的表面层可采用开级配沥青混合料,表面层下应设置防水层,防水层可采用改性乳化沥青或改性沥青等。

不同粒径沥青混合料的层厚应符合相关规定。连续级配沥青混合料、沥青玛脂碎石混合料及开级配沥青混合料的结构层厚度分别不宜小于集料公称最大粒径的2. 5 倍、2. 5 倍和2. 0 倍。

沥青贯入碎石层的厚度宜为40 ~80mm,乳化沥青贯入式路面的厚度不宜超过50mm。上拌下贯式路面的拌和层厚度不宜小于25mm。

沥青表面处治可分为单层、双层和三层。单层表面处治厚度宜为10 ~15mm,双层表面处治厚度宜为15 ~25mm,三层表面处治厚度宜为25 ~30mm。

五、水泥混凝土路面

水泥混凝土路面设计以100kN 的单轴-双轮组荷载作为标准轴载,以弹性地基上的薄板理论为基础,采用有限元法计算荷载应力与温度应力。其设计的主要内容包括结构组合设计、板的平面尺寸和接缝构造设计、确定板厚和配筋、水泥混凝土配合比设计等。

1. 路基

水泥混凝土路面下的路基必须密实、稳定和均质。影响路基强度和稳定的地面水和地下水,必须采取拦截或疏导措施,把水流排出路基以外。要求路基应处于干燥或中湿状态,过湿状态或强度与稳定性不符合要求的潮湿状态的路基,必须经过处理。

2. 基层与垫层

水泥混凝土路面的基层应具有足够的抗冲刷能力和一定的刚度。极重、特重交通荷载等级公路基层宜采用贫混凝土、碾压混凝土、沥青混凝土;重交通荷载等级公路基层宜采用密级配沥青稳定碎石、水泥稳定碎石;中等、轻交通荷载等级公路基层宜采用级配碎石、水泥稳定碎石,石灰、粉煤灰稳定碎石。各种基层和底基层的结构层适宜压实厚度,应按所选集料的公称最大粒径和压实效果的要求确定。基层或底基层的设计层厚超出相应材料的适宜压实厚度范围时,宜分层铺设和压实。

基层宽度应比混凝土面板每侧宽出30cm(采用小型机具或轨道式摊铺机施工)、50cm(采用轨模式摊铺机施工)或65cm(采用滑模式摊铺机施工)。路肩采用混凝土面层,其厚度与行车道面层相同时,基层宽度宜与路基同宽。新建公路的水泥混凝土路面基层的最小厚度一般为15cm。岩石路基上铺筑水泥混凝土面板时,应根据需要设置整平层,其厚度一般为6 ~10cm。填石路基上铺筑水泥混凝土面板时,填石路基必须稳定、密实,表面平整,并满足水泥混凝土面板对基层强度的要求,如图3. 3. 1 所示。

图3. 3. 1　基层与垫层

3. 混凝土面板

1)板的平面尺寸

普通混凝土面板一般采用矩形形式,纵向和横向接缝应垂直相交,其纵缝两侧的横缝不得互相错位。纵向缩缝间距(即板宽)可按路面宽度和每个车道宽度而定,宜在3. 0 ~4. 5m 范围内选用。横向缩缝间距(即板长)应根据当地气候条件、板厚和实践经验确定, 普通水泥混凝土面层宜为4 ~6m,面层板的长宽比不宜超过1. 35,平面面积不宜大于25m ² ;碾压混凝土或钢纤维混凝土面层宜为6 ~10m;钢筋混凝土面层宜为6 ~15m,面层板的长宽比不宜超过2. 5,平面面积不宜大于45m ² 。

2)板厚设计

板的横断面一般采用等厚,其厚度通过计算确定,但最小厚度为18cm。为便于荷载应力计算,各交通荷载等级的混凝土板初估厚度见表3. 3. 3。

4. 接缝设计

1)纵缝

混凝土面板的纵缝必须与路线中线平行,纵缝一般分为纵向缩缝和纵向施工缝。一次铺筑宽度大于4. 5m 时,应增设纵向缩缝。纵向缩缝采用假缝,并应设置拉杆,其构造如图3. 3. 2所示。一次铺筑宽度小于路面宽度时,应设置纵向施工缝。纵向施工缝采用平缝,并应设置拉杆,其构造如图3. 3. 3 所示。

图3. 3. 2　纵向缩缝构造

图3. 3. 3　纵向施工缝构造

2)横缝

横向施工缝构造如图3.3.4 所示。横缝一般分为横向缩缝、胀缝和横向施工缝。横向缩缝采用假缝。极重、特重和重交通荷载公路的横向缩缝,中等和轻交通荷载公路邻近胀缝或自由端部的3 条横向缩缝,收费广场的横向缩缝,应采用设传力杆假缝形式,其构造如图3. 3. 5 所示。

图3. 3. 4　横向施工缝构造

图3. 3. 5　横向缩缝构造

在邻近桥梁或其他固定构筑物处、与柔性路面相接处、板厚改变处、隧道口、小半径平曲线和凹形竖曲线纵坡变换处,均应设置胀缝。在邻近构造物处的胀缝,应根据施工温度至少设置2 条。除此之外的胀缝宜尽量不设或少设。其间距可根据施工温度、混凝土集料的膨胀性并结合当地经验确定。

胀缝应采用滑动传力杆,并设置支架或其他方法予以固定,其构造如图3. 3. 6a)所示。与构筑物衔接处或与其他公路交叉的胀缝无法设传力杆时,可采用边缘钢筋型或厚边型,其构造如图3. 3. 6b)和图3. 3. 6c)所示。

每日施工结束或浇筑混凝土过程中因故中断浇筑时,必须设置横向施工缝。其位置宜设在胀缝或缩缝处。设在胀缝处的施工缝,其构造与图3. 3. 6a)相同;设在缩缝处的施工缝应采用平缝加传力杆型,其构造如图3. 3. 4 所示。

3)拉杆与传力杆

拉杆应采用螺纹钢筋。传力杆应采用光面钢筋,其长度的一半再加5cm,应涂沥青或加塑料套。胀缝处的传力杆,尚应在涂沥青一端加一套子,内留3cm 的空隙,填纱头或泡沫塑料。套子端宜在相邻板中交错布置。

4)补强钢筋

混凝土面板纵、横向自由边边缘下的基础,当有可能产生较大的塑性变形时,宜在板边缘加设补强钢筋,角隅处加设发针形钢筋或钢筋网。

图3. 3. 6　胀缝构造

混凝土面板边缘部分的补强,一般选用2 根直径12 ~16mm 螺纹钢筋,布置在板的下部,距底板一般为板厚的1/4,并应不小于5cm,间距一般为10cm,钢筋两端应向上弯起。钢筋的混凝土保护层厚度应不小于5cm。

混凝土板的角隅补强,可选用2 根直径12 ~16mm 螺纹钢筋布置在板的上部,距板顶应不小于5cm,距板边一般为10cm。板角小于90°时,亦可采用双层直径为6mm 的钢筋网补强,布置在板的上、下部,距板顶和板底5 ~10cm 为宜。钢筋的混凝土保护层厚度应不小于5cm。

六、路面排水设施

防止和减少路面水的损害应从结构本身入手。设置路面排水系统,将积滞在路面结构内的水分迅速排出路面和路基结构,改善路面的使用性能,是国内外工程实践中用得较多的一项措施,综合起来有以下几种类型。

1. 开级配透水性沥青混凝土表层

这种不同于传统的密实型结构的面层利用其相互连通的孔隙,使路表水迅速下渗并在路面结构层内排出,其排水效率远比表面径流更好;消除了路面水膜,减少水漂和喷雾并缓解镜面反射,另外还能降低噪声。

2. 排水性土工织物中间层

设置排水性土工织物中间层以排出路面结构内的积水。

3. 透水性基层

在低渗透性的面层下铺设高渗透性、强度足够的处治碎石基层,迅速排除渗入水是路面结构排水系统的一个很好的发展方向。

4. 路面边缘排水系统

在路肩设置排水盲沟,排除路面结构中渗流到路面边缘的水。

5. 中央分隔带排水

(1)一般路段中央分隔带排水:一般路段的中央分隔带,其排水系统的主要作用是排除中央分隔带范围内的表面渗水。

(2)超高路段中央分隔带排水:高等级公路超高路段不允许上侧半幅路面的表面水横向漫流过下侧半幅路面。因此,超高路段的中央分隔带除应具有一般路段中央分隔带的功能和构造要求外,尚应设置明沟拦截上侧半幅路面漫流过来的表面水。