中南地區(qū)干線公路瀝青路面改建結構設計研究

張 明

(吉林建筑大學城建學院，長春 130111)

國省干線公路在地區(qū)經(jīng)濟建設中發(fā)揮著舉足輕重的作用.但干線公路修筑時間較早，其設計和施工技術標準相對較低，干線公路破壞嚴重,這對于地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展十分不利，所以對于現(xiàn)有舊路進行改建的研究顯得尤為必要.本文通過中南地區(qū)實地調查檢測，收集大量資料.對湖區(qū)瀝青路面在特殊的地形地貌、水文氣象、地質條件下各種病害及產生的原因進行分析，提出了柔性和半剛性基層瀝青路面結構方案，并采用我國設計方法和AASHTO方法對改建結構進行了驗證.

1 改造工程結構方案結構力學驗算

1.1 路面結構形式

目前，該路段瀝青路面存在的主要問題是半剛性基層路面結構承載能力不足，路表面縱橫向裂縫多和路面水損壞嚴重，若不及時采取措施，將出現(xiàn)大面積嚴重破壞現(xiàn)象.針對以上的路面破壞的特點，本文提出兩種路面改建結構[1-2]形式(見表1).

1.2 按照我國彎沉指標和層底彎拉應力[3]進行驗算分析

(1) 計算累計當量標準軸次. 對于彎沉和瀝青層底彎拉應力驗算，由交通量調查求得路面竣工第一年的單向標準軸次N1為2 477次/日,取車道系數(shù)為1，一個設計車道設計年限內累計當量軸次為1.36×107(BZZ-100).而對于半剛性底基層層底彎拉應力驗算，BZZ-100荷載下的設計年限12年的累計當量標準軸次為1.20×107.

(2) 計算結構(見表2). 由于舊路模量不均勻，根據(jù)現(xiàn)場實測值，本文將舊路模量分為具有代表性的300MPa和500MPa.

表1 路面改建結構形式匯總

表2 計算結構

(3) 計算結構參數(shù)(見表3).

表3 按照我國設計方法的結構參數(shù)[3]

注：“*”表示的抗壓模量，僅在計算拉應力時使用.

(4) 結構彎沉和層底拉應力計算結果. 采用東南大學的HPDS2006路面結構設計軟件計算，得到的結構彎沉和層底拉應力結果見表4.

表4 HPDS2006程序計算結果

從表4計算結果可以看出，半剛性基層和柔性基層路面結構的彎沉指標和層底彎拉應力驗算都能夠滿足要求，且大厚度半剛性路面結構的計算結果更加安全.

1.3 按照AASHTO設計方法[4]進行驗算分析

(1) 累計標準軸次. 根據(jù)實測代表車型的交通數(shù)據(jù)，根據(jù)AASHTO的計算公式，換算成標準荷載80kN下的累計標準軸次，雙向累計標準軸次2.83E+07，車道系數(shù)取1，方向分布系數(shù)取0.5，設計累計標準軸次4.24E+07.交通量車型比例匯總見表5.

表5 交通量車型比例匯總

根據(jù)設計文件，交通量增長率為4%，設計使用年限為12年.

(2) 計算結構和基本結構參數(shù)(見表2和表3).

(3) AASHTO計算基本參數(shù)(見表6).

(4) 計算結果(見表7，表8).

表6 AASHTO計算基本參數(shù)

表7 半剛性路面結構計算結果

表8 柔性路面結構計算結果

注：2%水泥級配碎石是鑒于級配碎石和水泥穩(wěn)定碎石之間的一種材料，所以結構系數(shù)取值時，需要對水泥穩(wěn)定材料進行折減.

AASHTO疲勞方程：

式中，Mr為路基土有效回彈模量；D1，D2…Dn為各結構層的厚度；a1，a2…an為各結構層的結構系數(shù)；m1，m2…mn為各結構層的排水系數(shù)；Wt18為80kN單軸荷載的容許作用次數(shù)；Pt為在服務期末的服務能力指數(shù)；Za，S0分別是正態(tài)偏差、標準差；SN為考慮當?shù)氐慕邓团潘畻l件的路面結構數(shù)，SN=D1×a1+D2×a2×m2…Dn×an×mn.

圖1 荷載圓圖示及計算點位

根據(jù)上述AASHTO公式計算的疲勞壽命如表9.

表9 AASHTO計算結果(標準荷載80kN)

從以標準荷載80kN的AASHTO計算結果可以看出，半剛性的路面結構類型要明顯優(yōu)于柔性路面結構類型，但是在路面反射裂縫的防治反面，級配碎石有自己明顯的優(yōu)勢，尤其在一些路基不均勻的湖區(qū)地區(qū).AASHTO方法計算結果要比我國設計方法計算結果要大，分析其原因，主要有兩點：

(1) AASHTO設計方法在參數(shù)取值上與我國設計方法有所不同，我國設計方法都是以代表值為標準，而代表值會導致參數(shù)取值的降低；

(2) 我國的標準軸載為100kN，而AASHTO方法的標準軸載為80kN,這也是也是國外計算軸次和設計累計標準軸次高的一個原因.

1.4 BISAR3.0路面分析軟件結構驗證

運用BISAR程序計算，所采用計算參數(shù)如表10所示.

表10 標準軸載計算參數(shù)

本文在計算瀝青路面結構內的應力情況時，考慮到荷載具有對稱性，所以在兩輪荷載的中心、單輪輪心和荷載圓的內側邊緣處等位置進行計算，如圖1所示.

對結構組合進行驗算時，采用BISAR程序計算結果如表11所示.

表11 BISAR程序計算結果

注：半剛性基層路面修正后計算彎沉為21.39，柔性基層路面修正后的計算彎沉為33.97.

2 結語

(1) 根據(jù)當?shù)亟煌顩r和氣候條件等因素，針對該路段路面破壞的現(xiàn)狀，提出適宜在湖區(qū)地區(qū)使用兩種改建結構方案，分別為半剛性基層瀝青路面結構方案、柔性基層瀝青路面結構方案；

(2) 分別運用我國的設計方法、AASHTO設計方法、對半剛性基層和柔性基層瀝青路面設計方案進行計算，兩種設計方法計算的結果均滿足設計要求.最后筆者SHELL公司的BISAR3.0軟件進行結構驗算，其結果均能滿足要求；

(3) 根據(jù)計算結果和兩種路面結構的實際使用情況分析，大厚度的半剛性基層路面承載力提高明顯，而級配碎石基層路面防治反射裂縫的性能比較優(yōu)越.建議根據(jù)當?shù)亟煌壳闆r和氣候情況，選擇適合中南地區(qū)路面結構，這對于提高當?shù)毓贩账胶驮黾拥缆返氖褂脡勖葹橹匾?

參 考 文 獻

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