基于新版瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范的路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析

余四新， 徐飛萍， 劉甲榮， 郭建民， 韋金城

(1.高速公路養(yǎng)護(hù)技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 山東 濟(jì)南 250031； 2.山東高速股份有限公司)

2017版瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范采用力學(xué)-經(jīng)驗(yàn)法，根據(jù)彈性層狀體系理論解分析力學(xué)響應(yīng)，采用多個(gè)單項(xiàng)設(shè)計(jì)指標(biāo)分別控制相應(yīng)的路面損壞。路面結(jié)構(gòu)損壞由單一指標(biāo)控制向多指標(biāo)控制轉(zhuǎn)變。增加了瀝青混合料層永久變形量、路基頂面壓應(yīng)變和路面低溫開裂指數(shù)設(shè)計(jì)指標(biāo)，瀝青混合料層設(shè)計(jì)指標(biāo)由層底拉應(yīng)力改變?yōu)槔瓚?yīng)變，保留無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定層層底拉應(yīng)力設(shè)計(jì)指標(biāo)。路表彎沉由設(shè)計(jì)指標(biāo)改為檢驗(yàn)指標(biāo)。該版瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范還規(guī)定了交通荷載軸載譜檢測分析方法，反映了實(shí)際交通荷載，路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更精確。為了對(duì)按照2006版瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范設(shè)計(jì)的山東省省道S222路面結(jié)構(gòu)方案的適應(yīng)性進(jìn)行分析，并對(duì)原路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案提出優(yōu)化建議，依據(jù)新版瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范的要求對(duì)軸載譜進(jìn)行實(shí)測，對(duì)路面結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)分析，并對(duì)路床頂面回彈模量、瀝青層厚度等因素對(duì)路面結(jié)構(gòu)性能的影響進(jìn)行分析研究，提出針對(duì)原路面結(jié)構(gòu)方案的指標(biāo)要求，為新版瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范的使用提供參考。

1 項(xiàng)目概況

省道S222 (濰坊北-嵐山線)是位于山東省膠東半島中西部的一條省級(jí)干線公路，是連接濰坊、日照兩市的重要通道。該項(xiàng)目位于山東省日照市嵐山區(qū)，屬于一級(jí)公路，設(shè)計(jì)速度80 km/h，雙向四車道，路基寬24.5 m，設(shè)計(jì)使用年限為15年。原路面結(jié)構(gòu)為4 cm SMA-13+6 cm中粒式瀝青混凝土AC-20C( 70-A道路石油瀝青)+下封層+透層+2×18 cm二灰穩(wěn)定碎石基層+18 cm水泥穩(wěn)定碎石底基層。

2 軸載譜檢測

軸載是車輛荷載對(duì)路面造成損壞的關(guān)鍵因素，新版瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范還規(guī)定了交通荷載軸載譜檢測分析方法，該方法用實(shí)際軸載進(jìn)行分析。在此類荷載表示方法中，不用進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)軸載換算，每一個(gè)實(shí)際的軸載水平都參與力學(xué)響應(yīng)計(jì)算，可以有效避免當(dāng)量軸載換算帶來的誤差。用軸載譜的方法描述交通荷載比以往采用交通量數(shù)據(jù)和代表車型額定軸載更全面、精確。主線行車道動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)(Weight-In-Motion, WIM)不對(duì)車輛通行產(chǎn)生任何影響。

2.1 一般交通參數(shù)

根據(jù)2017版瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)道路通行車輛進(jìn)行分類。根據(jù)交通量OD調(diào)查分析，斷面大型客車和貨車交通量為6 364 pcu/d,交通量年增長率取5.0%, 方向系數(shù)取50.0%, 車道系數(shù)取65.0%。 根據(jù)交通觀測資料分析2～11類車型所占的百分比，得到車輛類型分布系數(shù)如圖1所示。其中，車型2包括12型和15型客車；車型3為12型貨車；車型4為15型貨車；車型5為17型貨車；車型6包括112型、115型及117型貨車；車型7包括125型和122型貨車；車型8包括127型和155型貨車；車型9為157型貨車；車型10包括1127型、1122型、1125型、1155型，和1157型貨車；車型11包括1522型和1222型貨車。

圖1 車輛類型分布系數(shù)

由圖1可知：該道路通行車輛數(shù)量中車型3和車型9即該道路兩軸六輪整體式貨車和六軸半掛車分布系數(shù)分別達(dá)到29.9%和36.1%。

車輛總重統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所示，由表1可知：所有車型均存在超載現(xiàn)象，其中六軸車超限比例高達(dá)43.72%，四軸車超限比例高達(dá)38.17%。

表1 車輛總重統(tǒng)計(jì)表

2.2 軸載譜檢測結(jié)果

單軸雙輪組、雙軸雙輪組、三軸雙輪組軸載譜調(diào)查結(jié)果如圖2～10所示。

由圖2可知：單軸雙輪組中軸重為90～94.5 kN所占比例約為13%，約1.4%的軸重達(dá)到126～130.5 kN。由圖3～7可知：車型4中，雙聯(lián)軸雙輪組軸組總重≥180 kN的比例達(dá)到27.6%；車型6中，雙聯(lián)軸雙輪組軸組總重198～207 kN的比例達(dá)到13%，雙聯(lián)軸雙輪組軸組總重≥180 kN的比例達(dá)到53.4%；車型8中，雙聯(lián)軸雙輪組軸組總重≥180 kN的比例達(dá)到33.3%；車型9中，雙聯(lián)軸雙輪組軸組總重≥180 kN的比例達(dá)到39.9%；車型10中，雙聯(lián)軸雙輪組軸組總重≥180 kN的比例達(dá)到31.8%。由圖8～10可知:車型8中，三聯(lián)軸雙輪組軸組總重≥270 kN的比例達(dá)到19.4%；車型9中，三聯(lián)軸雙輪組軸組總重≥270 kN的比例達(dá)到33.7%；車型10中，三聯(lián)軸雙輪組軸組總重≥270 kN的比例達(dá)到45.8%。由以上結(jié)果可知：該道路通行車輛中超載比例較高。

該設(shè)計(jì)路面對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)指標(biāo)為瀝青混合料層永久變形與無機(jī)結(jié)合料層疲勞開裂。按2017版瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范中公式A.3.1-4計(jì)算得到各類車輛在不同設(shè)計(jì)指標(biāo)下的當(dāng)量軸載換算系數(shù)如表2所示。

圖2 單軸雙輪組軸載譜

圖3 雙軸雙輪組軸載譜(車型4)

圖4 雙軸雙輪組軸載譜(車型6)

圖6 雙軸雙輪組軸載譜(車型9)

圖7 雙軸雙輪組軸載譜(車型10)

圖8 三軸雙輪組軸載譜(車型8)

圖9 三軸雙輪組軸載譜(車型9)

圖10 三軸雙輪組軸載譜(車型10)

由表2可知：6類車瀝青混合料層永久變形及無機(jī)結(jié)合料層疲勞開裂當(dāng)量軸載換算系數(shù)最高，分別為14.9和13 319.4，6類車(雙前軸整體式貨車，主要為料車和渣土車)的重載對(duì)瀝青層的永久變形和無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定類材料的疲勞損傷作用最大。

表2 各類車輛當(dāng)量軸載換算系數(shù)

根據(jù)2017版瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范中公式A.4.2計(jì)算得到對(duì)應(yīng)于瀝青混合料層永久變形的當(dāng)量設(shè)計(jì)軸載累計(jì)作用次數(shù)為64 386 185次, 對(duì)應(yīng)于無機(jī)結(jié)合料層疲勞開裂的當(dāng)量設(shè)計(jì)軸載累計(jì)作用次數(shù)為13 348 794 679次。該公路設(shè)計(jì)使用年限內(nèi)設(shè)計(jì)車道累計(jì)大型客車和貨車交通量為16 290 294次，交通等級(jí)屬于重交通。

3 路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析

3.1 初擬路面結(jié)構(gòu)方案

根據(jù)省道S222路面結(jié)構(gòu)原設(shè)計(jì)方案，進(jìn)行路面結(jié)構(gòu)分析時(shí)，初擬路面結(jié)構(gòu)及材料參數(shù)試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 初擬路面結(jié)構(gòu)

3.2 路面結(jié)構(gòu)驗(yàn)算

根據(jù)2017版瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范的要求，基于彈性層狀體系理論對(duì)路面結(jié)構(gòu)分別進(jìn)行了瀝青混合料層永久變形驗(yàn)算、無機(jī)結(jié)合料層疲勞開裂驗(yàn)算、路基頂面和路表驗(yàn)收彎沉值計(jì)算，結(jié)果匯總于表4。其中，路基頂面和路表驗(yàn)收彎沉分別為327.6(0.01 mm)和24.6(0.01 mm)。由表4可知：所選路面結(jié)構(gòu)和材料不滿足水泥穩(wěn)定碎石底基層的疲勞驗(yàn)算要求，需進(jìn)行調(diào)整。

表4 分析結(jié)果匯總

3.3 路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)影響因素分析

根據(jù)前文分析結(jié)果可知：水泥穩(wěn)定碎石底基層疲勞開裂驗(yàn)算不滿足設(shè)計(jì)要求，該節(jié)將對(duì)瀝青層厚度和路床頂面回彈模量兩個(gè)因素對(duì)路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的影響進(jìn)行分析，以期滿足2017版瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范的要求。

3.3.1 路床頂面回彈模量

與原設(shè)計(jì)方案相比，改變路床頂面回彈模量，其他參數(shù)保持不變，分析其對(duì)水穩(wěn)碎石底基層疲勞開裂的影響，分析結(jié)果如圖11所示。

圖11 路床頂面回彈模量對(duì)無機(jī)結(jié)合料層疲勞壽命的影響

由圖11可知：路床頂面回彈模量對(duì)無機(jī)結(jié)合料層疲勞開裂當(dāng)量軸次的影響較大，路床頂面回彈模量每增大10 MPa，無機(jī)結(jié)合料層疲勞開裂當(dāng)量軸次增大約4.5億次。因此，通過提高路床頂面當(dāng)量回彈模量對(duì)于提高無機(jī)結(jié)合料層疲勞壽命效果明顯并且較為經(jīng)濟(jì)。

3.3.2 瀝青層厚度

與原設(shè)計(jì)方案相比，改變?yōu)r青面層厚度，其他參數(shù)保持不變，分析其對(duì)水穩(wěn)碎石底基層疲勞開裂的影響，分析結(jié)果如圖12所示。

圖12 瀝青層厚度對(duì)無機(jī)結(jié)合料層疲勞壽命的影響

由圖12可知：瀝青層厚度每增大2 cm，無機(jī)結(jié)合料層疲勞開裂當(dāng)量軸次增大約0.74億次。當(dāng)瀝青層厚度達(dá)到18 cm(4 cm +6 cm +8 cm)時(shí)，無機(jī)結(jié)合料層疲勞開裂當(dāng)量軸次仍然不滿足要求，預(yù)計(jì)瀝青層厚度達(dá)到21 cm時(shí)，無機(jī)結(jié)合料層疲勞開裂當(dāng)量軸次方可滿足要求。顯然，通過增加瀝青層厚度來提高無機(jī)結(jié)合料層疲勞壽命效果不明顯且不經(jīng)濟(jì)。

4 結(jié)語

通過采用JTG D50-2017《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》的設(shè)計(jì)要求對(duì)省道S222軸載譜進(jìn)行了實(shí)測并對(duì)路面材料參數(shù)進(jìn)行了室內(nèi)試驗(yàn)，對(duì)路面結(jié)構(gòu)進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)，并對(duì)瀝青面層厚度、路床頂面回彈模量等參數(shù)對(duì)基層疲勞壽命的影響進(jìn)行了分析，得出以下結(jié)論：

(1) 該道路交通等級(jí)屬于重交通，并且各種軸型均存在超載現(xiàn)象，四軸車和六軸車超限比例分別達(dá)到38.17%和43.72%。

(2) 瀝青路面設(shè)計(jì)新規(guī)范對(duì)無機(jī)結(jié)合料層的疲勞壽命進(jìn)行了更準(zhǔn)確的分析，在該道路的實(shí)際交通荷載作用下，路面結(jié)構(gòu)原設(shè)計(jì)方案不滿足無機(jī)結(jié)合料層的疲勞壽命的驗(yàn)算要求。

(3) 為了滿足瀝青路面設(shè)計(jì)新規(guī)范的要求，在原設(shè)計(jì)方案的基礎(chǔ)上提高路基改善層厚度較為經(jīng)濟(jì)合理，建議路床頂面回彈模量不低于140 MPa。