重載道路路面設(shè)計(jì)方法分析

陳文甫

（保定市保通公路勘測(cè)設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司，河北保定071000）

1 引言

近年來(lái)，我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平逐漸提升，社會(huì)基礎(chǔ)建設(shè)方面也有了長(zhǎng)足的進(jìn)步，在該時(shí)代背景下，各種超限、重載車輛層出不窮。重載道路路面設(shè)計(jì)主要是針對(duì)重載車輛。但從目前來(lái)看，部分重載道路路面的設(shè)計(jì)方法不科學(xué)，在一定程度上制約著道路后期投入使用的安全性與穩(wěn)定性。例如，一些設(shè)計(jì)者常根據(jù)軸載對(duì)路面產(chǎn)生的有效應(yīng)力進(jìn)行設(shè)計(jì)，但實(shí)際調(diào)查表明，該方法的應(yīng)用會(huì)使路面面臨早期損壞的風(fēng)險(xiǎn)?；诖?，有必要對(duì)其展開更加深層次的探索。

2 重載道路路面設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮的因素

2.1 交通特點(diǎn)

在重載道路路面結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)路段交通流特點(diǎn)的重視。通常情況下，重載交通路段的車輛荷載等級(jí)較高，大部分車輛的車型為三軸及三軸以上的貨車，載重大多在30 t 以上，還有部分嚴(yán)重超載的貨車載重甚至?xí)哌_(dá)100~200 t。盡管這種嚴(yán)重超載的貨車比例相對(duì)較小，但是會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的道路路面損傷，甚至?xí)苯悠茐牡缆仿访?。重載道路的荷載范圍為10~40 t，并且其交通量相對(duì)較小，主要是因?yàn)樨涇嚨男旭偹俣容^慢，加之安全因素的影響，小型車輛較少[1]。

2.2 運(yùn)維情況

進(jìn)行重載道路路面設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)人員應(yīng)綜合考慮重載交通路段的實(shí)際運(yùn)維情況。在我國(guó)，重載道路大多位于經(jīng)濟(jì)較發(fā)達(dá)地區(qū)，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的使用后，道路的路基和路面常面臨著邊坡失穩(wěn)、局部塌陷以及路基沉陷等問(wèn)題，與此同時(shí)，還存在著嚴(yán)重的破損、坑洼、裂縫等病害。一旦未能及時(shí)修復(fù)，會(huì)導(dǎo)致這些病害的進(jìn)一步發(fā)展，不僅會(huì)使病害范圍擴(kuò)大，還有可能導(dǎo)致更嚴(yán)重的病害問(wèn)題，嚴(yán)重影響道路通行的安全性。

3 重載道路路面設(shè)計(jì)方法研究

3.1 累計(jì)當(dāng)量軸次比和彎沉值計(jì)算

3.1.1 累計(jì)當(dāng)量軸次比計(jì)算

某重載道路工程項(xiàng)目路面設(shè)計(jì)以BZZ-100（雙輪組單軸載100 kN）為標(biāo)準(zhǔn)荷載，采用瀝青混凝土路面，設(shè)計(jì)使用年限為15 年，車道系數(shù)選用0.45。具體的軸載換算按照J(rèn)TG D50—2017《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》的要求進(jìn)行。筆者分別采用設(shè)計(jì)彎沉值和瀝青層層底拉應(yīng)力、半剛性基層層底拉應(yīng)力以及剛性基層層底拉應(yīng)力3 部分內(nèi)容作為設(shè)計(jì)指標(biāo)進(jìn)行軸載換算，計(jì)算公式為：

式中，N″為標(biāo)準(zhǔn)軸載當(dāng)量軸次；ni為被換算車型的各級(jí)軸載作用次數(shù)；P 為設(shè)計(jì)軸載，本項(xiàng)目為100 kN；Pi為各級(jí)被換算車型的軸載；C′'、 C′'2分別為軸數(shù)系數(shù)和輪組系數(shù)，輪組系數(shù)中，雙輪組和單輪組的系數(shù)分別為6.4、0.38，四輪組為0.38；b 為換算指數(shù)；k=1,2，…11。

最終換算結(jié)果如表1 所示。

表1 軸載換算結(jié)果

但由于在設(shè)計(jì)年限內(nèi)，預(yù)測(cè)交通增長(zhǎng)率存在一定程度的差異性，所以，應(yīng)分段計(jì)算累計(jì)當(dāng)量軸次，并參考設(shè)計(jì)年限內(nèi)預(yù)測(cè)交通增長(zhǎng)量表，如表2 所示。

表2 設(shè)計(jì)年限內(nèi)預(yù)測(cè)交通增長(zhǎng)率

最終計(jì)算結(jié)果該路段在設(shè)計(jì)年限之內(nèi)，一個(gè)車道上的累計(jì)當(dāng)量軸次比為1.56×107。進(jìn)而可以判斷其為中交通路段。

3.1.2 彎沉值設(shè)計(jì)

我國(guó)大部分重載道路路面為瀝青路面，包括多個(gè)設(shè)計(jì)指標(biāo)，如車轍、基層層底拉應(yīng)力以及路標(biāo)彎沉等。但從目前來(lái)看，車轍預(yù)估模型在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中還面臨一定局限性，所以，本文主要在重載路面受力以及損壞特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，使用彎沉值的設(shè)計(jì)控制指標(biāo)，將半剛性基層和底基層層底彎拉應(yīng)力作為最終的檢驗(yàn)指標(biāo)，在充分考慮重載道路路面受力實(shí)際特點(diǎn)的情況下，進(jìn)行最大軸載應(yīng)力驗(yàn)算，彎沉值計(jì)算公式為：

式中，ld為設(shè)計(jì)彎沉值，10-2mm；Ne為一個(gè)車道在設(shè)計(jì)使用年限范圍內(nèi)的當(dāng)量軸次，取將層底拉應(yīng)力和設(shè)計(jì)彎沉值作為設(shè)計(jì)指標(biāo)時(shí)的累積當(dāng)量軸次；Ac、As、Ab分別為公路等級(jí)系數(shù)、面層類型系數(shù)、路面結(jié)構(gòu)類型系數(shù)。

最終所得出的計(jì)算結(jié)果需要經(jīng)過(guò)修正得到計(jì)算彎沉值。修正系數(shù)F 計(jì)算公式如下：

式中，ls為路面計(jì)算彎沉值（可近似取設(shè)計(jì)彎沉值0.01 mm）；P和δ 分別為標(biāo)準(zhǔn)車型的輪胎接地壓強(qiáng)以及當(dāng)量圓半徑；E0為土基抗壓回彈模量。

3.2 設(shè)計(jì)過(guò)程

進(jìn)行一般路面和重載道路路面劃分時(shí)，主要是考慮其荷載范圍，所以，應(yīng)在實(shí)際選用設(shè)計(jì)方法的過(guò)程中充分考慮以下2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)：（1）應(yīng)考慮道路本身是否會(huì)承擔(dān)大量的大件貨物以及專項(xiàng)物質(zhì)的運(yùn)輸工作；（2）要充分考慮軸重儀實(shí)際測(cè)試結(jié)果，假設(shè)會(huì)有特重型軸重車輛（單軸軸重在13 t 以上，雙軸軸重則在26 t 以上）于道路上通過(guò)，同時(shí)，其超載現(xiàn)象較為嚴(yán)重[2]。

在對(duì)重載道路路面進(jìn)行設(shè)計(jì)的過(guò)程中，設(shè)計(jì)人員需要對(duì)路面的疲勞效應(yīng)以及一次性破壞效應(yīng)進(jìn)行驗(yàn)證。針對(duì)疲勞效應(yīng)，需要在換算軸載的基礎(chǔ)上對(duì)疲勞應(yīng)力進(jìn)行確定，同時(shí)，還要對(duì)相關(guān)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對(duì)比分析。路面進(jìn)行對(duì)一次性破壞驗(yàn)證時(shí)，要對(duì)路面服務(wù)的極限載荷進(jìn)行詳細(xì)分析，并判斷路面面層是否會(huì)在相應(yīng)的荷載作用下產(chǎn)生一次性斷裂失效[3]。

在輪載作用下，瀝青路面面層結(jié)構(gòu)主要包括3 部分：高質(zhì)量瀝青混凝土面層、高彈性模量抗車轍性能瀝青混凝土中間層、高柔性抗疲勞瀝青混凝土熱拌瀝青混合料基層。

首先，車輪同路面接觸面向下約10~15 cm 為高受力區(qū)域，該區(qū)域是常出現(xiàn)病害的位置，所以，設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)盡可能地采用高質(zhì)量瀝青混凝土作為該區(qū)域的鋪筑材料，以達(dá)到提升其承載能力的目的。

其次，來(lái)自路面的車輪荷載會(huì)通過(guò)面層擴(kuò)散至下部結(jié)構(gòu)中，因此，應(yīng)確保下部結(jié)構(gòu)同上部面層之間的連接效果，可采用高彈性模量瀝青混凝土作為中間層，有效規(guī)避因上下層結(jié)構(gòu)錯(cuò)位而產(chǎn)生路面斷裂等病害。

最后，路面基層可選用高柔性抗疲勞瀝青混凝土材料，并保障該鋪筑層的厚度符合相關(guān)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)的要求。設(shè)計(jì)人員需要在路面各層受力特點(diǎn)的基礎(chǔ)上選用與之相符合的結(jié)構(gòu)構(gòu)造處理方式和材料，以保障路面層在受力與變形方面具有更強(qiáng)的可靠性、安全性以及合理性，滿足重載交通路段的相關(guān)要求，切實(shí)提升重載道路本身的服役性能，為后續(xù)行車安全創(chuàng)造良好的條件。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，優(yōu)化重載道路路面設(shè)計(jì)工作，能夠有效提升道路的設(shè)計(jì)質(zhì)量，對(duì)其后續(xù)的安全平穩(wěn)運(yùn)行有積極的作用。因此，設(shè)計(jì)人員應(yīng)在明確重載道路交通特點(diǎn)以及運(yùn)維情況的基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)計(jì)工作，同時(shí)，還應(yīng)轉(zhuǎn)變以往將荷載作為唯一依據(jù)的設(shè)計(jì)思路，選擇更加科學(xué)的路面設(shè)計(jì)指標(biāo)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)重載道路路面設(shè)計(jì)水平的提升，最大限度地延長(zhǎng)我國(guó)重載道路路面的使用年限。