沙路面结构设计方案-风积沙路基公路设计、施工与防沙

6.1.5.1 交通量的预测

本项目区域内只有公路、铁路等运输方式，无水运、管道，民航航运每年所承担的运量非常少。

交通量预测的总体思路：分为机动车交通量预测和非机动车交通量预测。机动车转移交通量预测采用“四阶段”法，根据《水运、公路建设项目可行性研究编制办法》的规定，预测年限为公路建成后20年，参照项目所在地区的社会经济发展、规划，确定2005年、2010年、2020年和2025年四个特征年，2025年为预测终年，基年是2003年。在预测中，按经济发展速度来预测交通量发展速度；阿拉尔至和田段诱增交通量预测值采用“弹性系数法”。非机动车交通量预测根据和田地区人口增长及农牧民人均收入水平，参考新疆其他经济发达地区道路非机动车发展规律，做定性分析。公路断面交通量由转移交通量和诱增交通量两部分组成。具体预测值见表6-12、表6-13。

表6 13 拟建公路和田境内非机动车交通量预测表

表6-12 阿拉尔和田公路交通量预测表

通过交通量预测，阿和公路2025年预测的机动车交通量折算值为3 523小客车辆／日。根据JTG B01—2014《公路工程技术标准》中公路等级选用的基本原则第4条：干线公路宜选用二级及二级以上公路。由于本项目作为G217延续线，在新疆公路网规划中处于主骨架地位。公路的建设，将新疆最北的阿勒泰和最南的和田两个地州有效纵贯起来，在今后经济发展、国防建设、政治稳定中发挥重大影响作用，因此阿和沙漠公路按二级公路标准建设。

6.1.5.2 风积沙回弹模量的确定

风积沙是沙漠公路路基的主要材料，风积沙路基回弹模量E 0是柔性路面结构设计中最重要的计算参数之一，E 0值的大小直接影响着路面厚度及路面的整体强度与稳定性。

1970年前后，我国曾组织过大规模的E 0值测定工作，有关细沙的测定结果已纳入现行的路基路面设计规范中，其建议值为60～70 MPa。由于当时的压实标准主要为轻型，而现在三级公路以上的路基压实都普遍采用的是重型击实标准，若采用上述建议值，显然与实际不符。

回弹模量与压实度、地带类型和细度模数的关系如下：

（1）回弹模量随压实度的增加而增大。风积沙的膨胀量为零，是一种水稳性很好的材料。风积沙的回弹模量随压实度的增大而增大，当压实度达到95%左右时，回弹模量的值增加较慢，因此，一定要保证风积沙的压实度。

（2）回弹模量的大小与地带类型和细度模数有关。新疆地区的风积沙按地带类型分，主要有沙漠腹地风积沙和冲积扇扇缘及沙漠边缘风积沙两种，沙漠腹地的主要气候特点为干旱、多风、少雨，地下水位较低，风积沙内粉黏粒含量少，其颗粒组成较粗。冲积扇扇缘及沙漠边缘也是绿洲和荒漠的分界处，其主要特点为地下水位高、风积沙粉黏粒含量较多，并多含弱盐（氯盐及硫酸盐）、颗粒组成较细，风积沙较潮湿。经分析发现，风积沙的回弹模量，其室内试验与实测结果差别很大。按实测回弹模量计算的结构厚度，均可满足设计弯沉的要求。同时，冲积扇扇缘及沙漠边缘风积沙的回弹模量，低于沙漠腹地的回弹模量值。

（3）风积沙的回弹模量也与细度模数有关。细度模数越大，沙越粗，回弹模量也相对大些。对于风积沙，一般为细沙和特细沙，因此，一般情况下，把风积沙分成细沙与特细沙，即细度模数≥1.6时为细沙，＜1.6时为特细沙。细度模数可作为回弹模量取值的参数之一。

参照新疆已修建好的轮南至民丰沙漠公路、塔中至且末沙漠公路的检测和调查资料，沙漠地区干燥风积沙路基回弹模量设计的E 0值取100 MPa应用效果很好。根据新疆公路规划勘察设计研究院的“风积沙、盐渍土地区路基路面研究”课题研究得出：通过综合检测分析，考虑到本项目路线多沿和田河东岸绿色植被带外边缘布线，地下水位相对沙漠腹地偏高，风积沙粒径偏细，本项目路基设计回弹模量E 0值如下：

局部粉质细沙路段E 0值为60 MPa；

绝大部分风积细沙及风积极细沙路段E 0值为80 MPa。

2008年9月在沙漠公路现场将路面面层、基层、底基层到风积沙路基逐层开挖检测，检测的E 0值都高，是设计值80 MPa的1.5～2.0倍；说明实际的风积沙路基回弹模量E 0值是非常富足的，潜力很大，但从使用安全考虑，其值取80 MPa是合适的。

6.1.5.3 路面结构的比较

1）设计原则

（1）应根据沙漠公路等级及使用要求，和沿线气候、水文、土质、风沙地貌及筑路材料等条件，并结合当地实践经验，进行路基、路面综合设计。

（2）路面设计应进行多方案比选和技术经济论证，根据具体情况选择技术可靠、施工简便、经济合理、便于在沙漠地区大规模机械化施工、质量易于控制的结构类型。路面结构层次不宜过多。一般采用沥青面层，为便于风沙流通过，上面层宜采用细粒式沥青混凝土；高速和一级公路可采用半刚性基层，二级及二级以下公路可采用柔性基层。

（3）设计经济合理的路面结构组合。沙漠地区的路面材料非常缺乏，铺筑高级路面的材料更少，多靠远运，造价很高。所以在进行路面设计时，对路面材料的选择首先应着重于就地、就近材料的充分应用，其次是远运材料的使用。

（4）进行沙漠地区公路路面设计时，应注重提高沙基强度、减薄路面厚度。

2）沙漠公路的强路基、薄路面结构类型

阿和沙漠公路沿线的风积沙无黏性，易流动，抗剪能力差，属理想松散介质，且当地筑路材料匮乏，施工条件差，因而沙漠公路路面设计与其他地区公路路面设计有显著不同。

在路基顶面铺设了一层聚丙烯编织土工布，土工布展铺于压实并平整的沙基上，立即铺筑20 cm左右的天然级配砂砾底基层。铺设编织土工布的目的在于提高沙基与路面层间的界面剪切应力和摩擦阻力，约束沙粒的位移变形，隔断集料与沙土的掺混，从而更进一步提高路面与沙路基的整体强度，达到强路基、薄路面的目的。塔克拉玛干沙漠中现有沙漠公路已在1 000 km以上，其路面结构除有很少的其他结构类型的路面外，97%的路面是级配型砂砾层上的薄层沥青混凝土柔性路面结构。

大量的试验和工程实践表明，沙漠公路的强路基、薄路面应用是成功的，其施工方便、进度很快，节约材料，可降低工程造价。

3）设计年限、标准轴载及累计当量轴次

本项目为二级公路，依据《公路沥青路面设计规范》的规定，沥青路面设计年限为12年，采用BZZ-100标准轴载，累计当量轴次为50×104次。

4）路面结构设计的依据及方法

（1）设计依据。依据国家行业标准《公路沥青路面设计规范》《公路路面基层施工技术规范》。

（2）设计方法。路面设计采用双圆垂直均布荷载作用下的多层层状弹性连续体系理论，以路表设计弯沉值作为路面整体强度的控制指标，以沥青表处路面面层进行验算。

5）路面结构的比选

沙漠公路路面结构分为面层、基层和底基层三个主要层次。

（1）面层。直接承受行车荷载作用及自然气候的风沙、降水和温度变化影响的路面结构层次，并为车辆提供行驶表面，直接影响行车的舒适、安全和经济性，给周围环境带来一定程度的影响。因此面层应具有足够的结构强度和稳定性、良好的利于输沙的表面。根据沙漠地区的特点及长期观测调查结果说明，沙漠公路面层应以沥青混凝土或拌和法的沥青路面为最佳。

根据国内已建好沙漠公路的经验：高速和一级公路路面面层宜采用沥青混凝土；对于二级以下各级公路（不包括二级），面层可采用沥青表处结构；对于二级公路可根据交通量等情况选择沥青混凝土或沥青表处结构。同时沙漠地区风沙多，不宜选择层铺法沥青表处，因为这种沥青面层，其一是稳定性不足、表面平整度不够，其二是可能随时而来的风沙流将填充其间对面层强度与稳定性造成极为不利的影响。

本项目为二级公路，累计当量轴次为50×104次，交通量相对较小，所以路面面层采用4 cm的沥青表处面层，采用拌和法施工。

（2）基层和底基层。主要承受由面层传来的车轮荷载垂直压力，并把它扩散分布到下面的层次中，所以基层和底基层材料应具有足够的抗压强度和扩散应力的能力。基层和底基层应有平整的表面，以保证面层厚度均匀。同时基层与面层要有很好的结合性，以提高路面结构的整体强度，避免面层沿基层滑移和推挤。

设计中对基层提出了三种方案：半刚性基层、级配砾石基层和加固沙基层，对比如下：

①进行路面结构组合的选择，应结合沙漠中的环境和施工条件、风积沙路基的性能以及公路等级等。根据国内已建好沙漠公路的经验：对于二级及二级以下公路路面基层宜采用柔性路面结构；对于高速和一级公路路面基层可采用半刚性路面或柔性路面结构。本项目为二级公路，交通量相对较小，如选用半刚性基层造价偏高。

②采用化学方法（如水泥类）加固风积沙用作路面基层，从使用情况看效果良好，但这种结构层施工工艺比较复杂，对设备的要求比较高。同时由于水泥稳定，沙漠沙、石灰稳定沙漠沙所用的骨料为极细沙，干缩、温缩引起的开裂较严重，若在其上直接铺沥青面层，则反射裂缝会很严重。

③级配砂砾材料是中级路面较好的基层或路面材料，是天然级配砂砾筛除不合规格颗粒后加黏性土和水拌和而成的混合料。由于砾石材料在西北地区特别是新疆分布较多，本项目的终点有丰富的砂砾材料，起点距砂砾料场相对较远，在阿克苏G314线K1006＋000附近右侧约6.3 km的阿克苏大桥上游河滩阶地。所以本项目使用砂砾材料比较便利。

经过综合比较后，最终选用了级配砾石基层和天然砂砾底基层。

6）土工布的应用

由于沙漠路基顶面在干燥时较松散，直接铺筑砂砾料会产生干翻沙现象，为了有效防止翻沙可在沙漠路基顶面铺土工布。

土工合成材料主要由聚酯、聚乙烯、聚丙烯与聚酰胺等高分子化学原材料经过加工所组成。它们都具有耐腐、耐酸、耐水、强度高、延伸率较小（有些产品）以及工程造价较低等技术经济特点。因此，在道路等土木工程上得到了广泛应用，特别是沙漠地区道路工程应用前景十分广阔。

（1）土工织物的理化、机械性能。

①物理性能。温、湿度适应能力强，常温时相对密度为1.38左右，质量较轻；不易燃烧，合成材料的几何稳定性能良好。这种特性有利于土工合成材料在沙漠软基中的长期埋设。抗老化性能良好，以腈纶、涤纶、维纶与氯纶等原料加工的材料，在日光暴晒后，其强度降低极少。低温特性优良，在－75℃时不损坏，当恢复正常温度时，仍保持原有性能。

②化学性能。化学性能稳定，土工合成材料能耐受任何化学试剂腐蚀，常温时能承受氧化剂与还原剂的作用。土工合成材料几乎不怕盐碱土作用。

③机械性能。抗拉性能良好，大部分无纺型土工织物抗拉强度为10～100 k N／m，机织型为20～50 k N／m，高强度为50～100 k N／m；徐变性小。

（2）土工布的路用性能。在沙基上铺设土工布，主要起隔离作用、加固作用和实现正常施工的工艺性作用。

①隔离作用。有两个方面：一方面土工布防止沙基中的沙上翻进入骨料基层，以保持路基基层原有的路用性能；另一方面，阻止基层骨料在荷载作用下陷入松软土基，防止大量路基材料的损失和基层受到破坏。

②加固作用。土工布在路基中的加固作用，不仅表现在土工布本身对路基的加固作用，更重要的是土工布有均布荷载的作用，它使作用在土工布上的荷载均匀分布在沙基上，减少了沙基所受的集中荷载特别是局部剪应力，从而使路基结构保持稳定。在整个路基上铺设一层土工布，保持了沙基的整体性，同时又可以抑制沙基的不均匀沉降，从而提高沙基与砂砾基层的整体强度。

③工艺性作用。铺设编织布后，常规车辆可直接在沙基上作业，从而提高了施工效率。

综上所述，设计中在路基顶面铺设聚丙烯编织土工布，具有经济、实用、货源丰富等优点，也能满足加固沙基的要求。工程采用的聚丙烯编织布质量为150 g／m2，其拉伸强度不小于1 115 N／cm2（纵向）及925 N／cm2（横向），伸长率15%～20%，撕裂强度不小于430 N／cm2，顶破强度不小于665 N。

7）土路肩设计

沙漠公路的路肩结构形式与厚度，应根据使用要求、防风蚀、方便施工及节省投资等原则选用。土路肩采用天然砂砾加固。

8）路面结构比选结果及其特征

（1）比选结果。

公路等级系数：1.2；面层类型系数：1.2；基层类型系数：1.6。

路面设计弯沉值：1.002（mm）。

路面各结构层厚度：

E 0＝80 MPa，4-12-20，总厚度36 cm；

E 0＝60 MPa，4-12-25，总厚度41 cm；

E 0＝40 MPa，4-12-33，总厚度49 cm。

阿和沙漠公路路面结构组合：采用4 cm沥青表面处治面层＋12 cm级配砾石基层＋20～33 cm天然砂砾底基层的路面结构形式，见图6-3～图6-5。

图6-3 沙漠段路面结构（单位：cm）

图6-4 起终段路面结构（单位：cm）

图6-5 路面边部构造（单位：cm）

（2）路面特征。

①充分应用风积沙的工程特性设计了干压实沙基工程，突破了传统的沙路基填筑压实必须洒水的规定，成功地解决了干旱缺水沙漠路基施工难题。

②路面结构是典型的强化沙基强度、减薄路面厚度的结构组合设计，路面结构简单，施工工序少，对加快工程进度和保证工程质量有利。如面层为拌和法沥青表处，属技术比较成熟的通用结构类型，级配砂砾基层和天然砂砾底基层更是一种施工简便、进度较快、施工质量易控制、技术上非常成熟的结构形式，更适宜于恶劣条件下应用；土工布单位面积重量轻，但作用大，属于展铺简单容易、用工少的结构。各个方面的简单产生了符合工程质量的工程，符合科学技术史上的“简单性原理”路面结构。

③振动干压实沙基，提高了沙基回弹模量值，减薄了砂砾基层厚度，工程材料减少，减少了运力运费、节约了工程投资。

④沙基顶和底基层底之间铺设土工布，加固了沙基，分布荷载剪切应力，阻止荷载作用下出现的砾沙相掺的干翻沙，对路基路面稳定有利。