公路瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)探究

吳亞仲

【摘要】瀝青路面是用瀝青材料作膠結(jié)料修筑面層與各類基層和墊層所組成的路面結(jié)構(gòu)。在瀝青路面的設(shè)計(jì)中會(huì)出現(xiàn)很多的問題。本文通過對(duì)公路瀝青路面設(shè)計(jì)指標(biāo)的分析，對(duì)提高路面性能可采取的措施進(jìn)行了探討。

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【關(guān)鍵詞】瀝青路面 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 分析

瀝青路面早期損害，除個(gè)別是由于路基的原因引起的不均勻沉陷外，絕大部分是由于瀝青面層本身引起的：坑槽、泛油、車轍、網(wǎng)裂、松散等。因此，瀝青的層面的設(shè)計(jì)是至關(guān)重要的。在進(jìn)行路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)同時(shí)，必須確定路面結(jié)構(gòu)的材料參數(shù)，路面結(jié)構(gòu)的材料參數(shù)主要包括路面結(jié)構(gòu)層的幾何參數(shù)、力學(xué)參數(shù)，如泊松比、模量等，以確保路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理。

一、交通荷載

1.輪壓和標(biāo)準(zhǔn)軸載

利用氣壓表對(duì)車輛現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，發(fā)現(xiàn)貨車壓力普遍超過0.7MPa，對(duì)于軸載超過10t 的輪胎，胎壓一般在0.8～1.1MPa 范圍內(nèi)，而且隨著軸重增加，胎壓也增大。交通部公路科研所《重載交通瀝青路面軸載換算研究總報(bào)告》表明，根據(jù)實(shí)際接地面積計(jì)算出來的輪胎接地壓力與輪胎內(nèi)壓并不相等。當(dāng)輪胎內(nèi)壓較低時(shí)，接地壓力比輪胎內(nèi)壓高；當(dāng)輪胎內(nèi)壓較高時(shí)，接地壓力低于輪胎內(nèi)壓。隨著輪胎荷載的提高，在輪胎內(nèi)壓大于0.7MPa 時(shí)，試驗(yàn)的各級(jí)荷載作用下的輪胎內(nèi)壓均比接地壓力大。輪胎內(nèi)壓與接地壓力的差值和輪胎的剛度有關(guān)，而輪胎剛度與輪胎的材料和其構(gòu)造有關(guān)，在路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，為安全起見，一般以輪胎內(nèi)壓代替接地壓力。

由于作用在路面的設(shè)計(jì)荷載千變?nèi)f化，一般選用一種軸載作為路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)車載，其他各種車載按照一定的原則換算成標(biāo)準(zhǔn)軸載。而標(biāo)準(zhǔn)軸載一般要求對(duì)路面的響應(yīng)較大、同時(shí)又能反映本國(guó)公路運(yùn)輸運(yùn)營(yíng)車輛的總體軸載水平。為了統(tǒng)一設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和便于交通管理，各個(gè)國(guó)家對(duì)標(biāo)準(zhǔn)軸載均有明確的規(guī)定。我國(guó)根據(jù)公路運(yùn)輸運(yùn)營(yíng)車輛的實(shí)際，公路與城市道路有關(guān)路面設(shè)計(jì)規(guī)范中均以100kN作為設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)軸重。

2. 車道系數(shù)

輪跡橫向分布系數(shù)應(yīng)用到路面設(shè)計(jì)以前，還應(yīng)分析一下荷載作用下，輪跡以外一定范圍內(nèi)的路面結(jié)構(gòu)中所引起的不同程度的疲勞損壞。計(jì)算表明，對(duì)于國(guó)內(nèi)典型瀝青路面結(jié)構(gòu)，在輪跡外50cm 距離內(nèi)，該荷載產(chǎn)生的破壞作用，最大相當(dāng)于增加10%作用次數(shù)的影響，更遠(yuǎn)距離處則可以不計(jì)；對(duì)于剛性路面板，相鄰條帶上的荷載要為該條帶計(jì)算值最大增加6%的影響。可見輪跡范圍外雖有影響但并不大。

根據(jù)典型路段輪跡橫向分布的規(guī)律，可把輪跡橫向分布系數(shù)劃分為五個(gè)類別，可相應(yīng)地列出各個(gè)類別的輪跡橫向分布系數(shù)值。雙向單車道1.0，雙向兩車道0.6～0.7，雙向四車道0.4～0.5，雙向六車道0.3～0.4，雙向八車道0.25～0.35。

二、土基回彈模量

回彈模量能較好地反映地基所具有的部分彈性性質(zhì)，所以，在以彈性半空間體地基模型表征土基的受力特性時(shí)，可以用回彈模量表示土基在瞬時(shí)荷載作用下的可恢復(fù)變形性質(zhì)。我國(guó)公路水泥混凝土路面、瀝青路面設(shè)計(jì)方法中，都以回彈模量E作為地基的剛度指標(biāo)，為了模擬車輪印跡的作用，通常都以圓形承載板壓入土基的方法測(cè)定回彈模量。

路基回彈模量E0 的確定方法大致有以下幾種：

1. 應(yīng)用直徑30.4cm 的剛性承載板在現(xiàn)有道路的土基頂面進(jìn)行試驗(yàn)經(jīng)修正后確定；

2.應(yīng)用落錘式彎沉儀（FwD）進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，然后根據(jù)試驗(yàn)確定的FWD 測(cè)定的回彈模量與承載板測(cè)定的回彈量回歸公式換算；

3.根據(jù)室內(nèi)或現(xiàn)場(chǎng)CBR 試驗(yàn)結(jié)果，利用CBR 與回彈模量的相關(guān)關(guān)系推算；

4.根據(jù)路基頂面的回彈彎沉推算；

5.根據(jù)路基土的稠度與壓實(shí)度，利用事先得到的回彈模量與稠度（或相對(duì)含水量）和壓實(shí)度的關(guān)系式確定。

由第1與第2 方法得到的土基回彈模量與實(shí)際比較吻合，但需要根據(jù)土基不利季節(jié)含水量進(jìn)行修正；第3種方法是國(guó)外經(jīng)常采用的方法之一；其他方法可以間接推算土基回彈模量，但事先應(yīng)進(jìn)行一系列試驗(yàn)，得到所需的關(guān)系式，而且，推算的回彈模量的準(zhǔn)確度和精度均較差。

三.路面結(jié)構(gòu)層設(shè)計(jì)參數(shù)

路面結(jié)構(gòu)由不同的材料逐層鋪筑而成，不同的材料有不同的力學(xué)強(qiáng)度特性和相應(yīng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)，路面力學(xué)計(jì)算理論一般建立在彈性力學(xué)基礎(chǔ)上，除結(jié)構(gòu)參數(shù)外，還有路面結(jié)構(gòu)的材料類數(shù)、材料的計(jì)算參數(shù)包括模量和泊松比。泊松比一般比較穩(wěn)定，在路面設(shè)計(jì)時(shí)一般對(duì)特定的材料選用一定的泊松比，如土基和無黏結(jié)材料的泊松比取0.35、無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料的泊松比取0.25、瀝青混凝土材料的泊松比取0.25、水泥混凝土材料的泊松比取0.15 等。

1.無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料無側(cè)限抗壓回彈模量

無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料（包括穩(wěn)定細(xì)粒土、中粒土和粗粒土） 的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度是按照預(yù)定干密度和壓實(shí)度用靜力壓實(shí)法制備試件，試件高：直徑=1：1的圓柱體、養(yǎng)生時(shí)間為設(shè)計(jì)齡期、側(cè)向沒有圍壓時(shí)，通過逐級(jí)加載和卸載試驗(yàn)計(jì)算得到抗壓回彈模量。

無機(jī)結(jié)合穩(wěn)定材料室內(nèi)制件與現(xiàn)場(chǎng)制件設(shè)計(jì)參數(shù)比值隨材料不同及施工條件而異。一般情況下，現(xiàn)場(chǎng)制件的模量與強(qiáng)度均比室內(nèi)制件低，其降低的幅度不等，抗壓強(qiáng)度降低幅度較小為10%～20%，抗壓模量下降30%～40%，劈裂強(qiáng)度下降20%～60%，劈裂模量下降50%左右。無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料的設(shè)計(jì)參數(shù)是根據(jù)大量試驗(yàn)結(jié)果取95%的保證率后（均值-1.645×標(biāo)準(zhǔn)差）得到代表值。在進(jìn)行拉應(yīng)力驗(yàn)算時(shí)，半剛性基層材料的疲勞方程由劈裂疲勞試驗(yàn)得到，半剛性基層材料的容許拉應(yīng)力按下式計(jì)算：

σA=σSP/KS

式中：KS ——結(jié)構(gòu)系數(shù)，對(duì)無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定粒料KS=0.35e0.11/Ac；

對(duì)無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定細(xì)粒土KS=0.45e0.11/Ac。

2.瀝青材料的設(shè)計(jì)參數(shù)

瀝青混凝土的抗壓試驗(yàn)采用圓柱體試件，試件成型采用靜壓法、輪碾法、搓揉法和旋轉(zhuǎn)壓實(shí)成型法，試件的密度應(yīng)符合馬歇爾標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)密度100%，用于抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)的試件個(gè)數(shù)不少于3個(gè)，用于抗壓回彈試驗(yàn)的試件個(gè)數(shù)不少于3～6個(gè)。

瀝青混凝土的劈裂試驗(yàn)既可以為瀝青路面設(shè)計(jì)提供設(shè)計(jì)參數(shù)，也可以評(píng)價(jià)瀝青混凝土的低溫特性。我國(guó)瀝青混凝土路面的設(shè)計(jì)參數(shù)采用靜參數(shù)，采用的試驗(yàn)溫度為15℃ ，試驗(yàn)加載速率為50mm/min，計(jì)算時(shí)相應(yīng)的泊松比采用0.30。試件采用馬歇爾擊實(shí)成型的方法、輪碾機(jī)成型的板體試件和道路現(xiàn)場(chǎng)鉆孔試件。采用馬歇爾擊實(shí)成型的試件尺寸要求直徑101.6mm，高為63.5mm；輪碾機(jī)成型的板體試件和道路現(xiàn)場(chǎng)鉆孔試件的尺寸要求直徑為100mm 或150mm，高為40mm。

瀝青混凝土材料的設(shè)計(jì)參數(shù)也是根據(jù)室內(nèi)大量試驗(yàn)結(jié)果取95%的保證率后（均值一1.645×標(biāo)準(zhǔn)差）得到其代表值。再考慮現(xiàn)場(chǎng)大規(guī)模施工、質(zhì)量變化較大的情況，將代表值給予適當(dāng)?shù)恼蹨p得到推薦值。

四.結(jié)語(yǔ)

要想提高瀝青混凝土路面質(zhì)量，降低病害的發(fā)生機(jī)率，必須深入了解路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)各個(gè)參數(shù)的試驗(yàn)原理、參數(shù)自身的特性及在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的控制作用，對(duì)于路面的設(shè)計(jì)、施工和管理都有很重要的意義。

參考文獻(xiàn)：

[1]黃曉明，朱湘編著.瀝青路面設(shè)計(jì).人民交通出版社，2012.

[2]孫德棟，彭波編著.瀝青路面設(shè)計(jì)與施工技術(shù).黃河水利出版社，2013.