重載道路路面設計方法分析

崔曉如

（山西省交通規(guī)劃勘察設計院有限公司，山西 太原 030006）

0 引言

如今的公路運輸表現(xiàn)出重載的特點，這對路面提出了很大考驗。為適應這種變化和要求，很多地區(qū)的重載交通道路都圍繞重載這一特點開展路面設計，以此減小重載交通對路面造成的不利影響，延長路面使用壽命和保證公路通行安全。

1 交通調查

1.1 交通組成

當路面結構交通組成設計完全一致時，若遇到相同的超載狀況，則以水泥混凝土路面比較敏感，柔性路面往往不敏感，也就是說當路面剛度較大時，重載帶來的影響較大?；诖?，在實際的路面設計過程中，應做好軸載調查及分析。

1.2 增長率

對于交通量的平均增長率，主要反映中型載重車對應的交通量實際增長情況。對重載道路而言，年均日交通量中，重型車所占比例并不大，但如果換算成標準軸載作用次數(shù)，則會很大，這說明重型車輛對應的增長率會對標準軸載作用次數(shù)造成較大影響?；诖?，對重載交通瀝青路面設計的過程中，應對一般車輛與重載車輛對應的增長率分別進行估計，然后再以估計結果為依據(jù)通過計算確定年均當量軸次增長率[1]。

1.3 方向系數(shù)

在重載交通道路中，通過交通量調查及軸載測試可知，在重載交通道路中通常具有兩個方向車輛實際交通量沒有明顯差別，但累計標準軸次卻有較大偏差的情況。由于重載交通道路主要用于運輸大件貨物或專項貨物，所以車輛負載方向性顯著。對此，需對重載與輕載方向分別進行設計，采用不同的路面結構，防止輕載方向路面設計太過保守導致浪費[2]。

1.4 標準軸載與軸載換算

對重載進行分析時需要對重載進行界定，即重載標準問題。以某地區(qū)路網為例，其重載調查結果如表1所示。

表1 某地區(qū)路網重載調查結果

從以上結果可知，可將重載軸重標準選擇為13t。

軸載換算過程中，還涉及等效原則問題。現(xiàn)行規(guī)范所用軸載換算公式就是以等效原則為基礎，從雙層體系輕、重車型的理論分析和實測的彎沉比，與容許彎沉值的調查結果相聯(lián)系得出的。如今，重載與超載車輛不斷增加，而采用半剛性基層結構的瀝青路面也越來越多，所以和路面面層結構耐久性之間并沒有直接關系，對此，應建立一個以等效原則為基礎的軸載換算方法，以疲勞與車轍兩個瀝青路面主要病害為切入點，最大限度考慮行車可能給路面造成的負面影響[3]。

2 重載交通路面破壞原因

在路面厚度設計過程中，交通軸載作為重要參數(shù)，在當前的設計工作中一般將標準軸載確定為100kN，但實際情況中路面行駛的車輛經常超限，導致實測軸載遠超設計確定的標準軸載，某些情況下甚至可以超出一倍。基于這種情況，為避免路面破壞，應適當增加面層等結構層次的厚度。不同超載水平下路面結構指標變化如表2所示。

表2 不同超載水平下路面結構指標變化

根據(jù)表2數(shù)據(jù)可知，當車輛的軸重增加20kN時，表2所有指標均明顯增大，幅度在19%左右，如果軸重從100kN提高至200kN，則底基層自身彎拉應力也將增加1倍左右。為適應這種軸重情況，需要增加37cm左右的底基層厚度。在結構疲勞方面，伴隨軸重增加，結構疲勞壽命快速衰減。

根據(jù)上述分析結果，當實際軸載遠超標準值時，軸載進一步增加給路面帶來的影響是十分顯著的。因軸載是一種潛力極大的路面破壞因素，所以即便低頻率超載也會使路面受到很大影響，進而導致破壞。基于此，超載是導致路面出現(xiàn)早期疲勞破壞與各項使用性能降低的重要因素之一，在設計中必須引起相關人員的高度重視。

3 重載交通路面設計步驟

根據(jù)之前的研究成果與現(xiàn)行技術規(guī)范，對于重載交通條件下的路面，可按照以下步驟進行設計：

步驟一：廣泛收集各類交通資料，主要包括以下方面：①初始年日均交通量及其組成；②軸載譜；③超載方式與規(guī)律；④歷年來的交通量及其組成；⑤方向分配系數(shù)；⑥車道分配系數(shù)；⑦軸載年均增長率。根據(jù)這些交通資料能確定道路是否可以進行重載交通條件下的路面設計，當確定可以進行時，則可利用之前的研究結果開展軸載換算，并對使用年限內對應的累計標準軸次進行計算，最后對設計彎沉進行計算。

步驟二：對沿線范圍內的地質情況、土質情況與筑路材料基本情況進行收集，同時結合原路面具體使用狀況及病害和破壞情況，確定適宜的筑路材料，并初步確定路面結構。此外還需通過試驗檢測確定不同結構層次各項設計參數(shù)，如抗壓回彈模量及劈裂強度。

步驟三：以設計彎沉值為依據(jù)對路面厚度進行計算，同時對以下參數(shù)進行驗算：①半剛性（底）基層的容許彎拉應力；②半剛性（底）基層的極限彎拉應力；③土基頂面容許壓應變。如果通過驗算發(fā)現(xiàn)無法達到要求，則要對路面不同結構層次的厚度進行調整，或對路面結構層次組合進行變更，之后重新計算，直到結果滿足要求。

4 重載交通路面設計方法

4.1 土基

在瀝青路面設計過程中，土基回彈模量對結構層厚度有直接影響，即便發(fā)生很小的變化也會影響到結構層厚度?；诖?，所選土基回彈模量合理與否，在一定程度上決定了路面經濟性及安全性。

經檢測，在高等級公路項目中，其瀝青路面大多采用的是半剛性基層，由于受到標準軸載不間斷作用，雙輪縫隙中心代表彎沉通常不超過0.5mm，大多在0.10~0.35mm之內波動；在受到重載交通的作用及影響后，產生的回彈變形現(xiàn)象將向后延伸。對0.3mm和0.6mm兩種回彈變形現(xiàn)象進行對比后可得，對于0.6mm的回彈變形現(xiàn)象，與0.3mm的回彈變形相比，土基模量小2%~6%。

按照承載板法實時測定回彈模量的過程中，宜選取回彈變形不超過0.6mm的點，借助線性歸納法對土基模量進行計算。公路建設對路基土的要求實際上和公路等級無關，但不同等級的公路，其壓實標準和路基的干濕狀況通常有明顯差別。

基于此，對土基自身非線性特征進行綜合考慮，結合相關實踐檢測，提出以下土基模量推薦值：對于三級公路，當路基為土質路基時，土基模量建議取40~50MPa；對于三級和二級公路，當路基為土質路基時，土基模量建議取50~65MPa；對于一級公路，當路基為土質路基時，土基模量建議取65~75MPa，而當路基為石質路基（包括土石混填路基）時，模量建議取55~75MPa[4]。

4.2 基層

4.2.1 半剛性基層

作為瀝青路面最常用基層，伴隨超載與超限交通持續(xù)增多，路面所受到的力與變形范圍都會有明顯的變化。為明確材料受重載作用后模量產生的變化，同時確定材料自身模量數(shù)值，以水泥穩(wěn)定碎石為例，對其進行抗壓試驗。從試驗結果可知，當荷載增加時，試件產生的變形也變大。在單位壓力低于0.7MPa的情況下，基層材料的應力和應變關系曲線呈線性；而在單位壓力超過0.7MPa的情況下，基層材料的應力和應變關系曲線為非線性。在確定材料自身模量數(shù)值的過程中，需將荷載增加至極限強度的0.8倍[5]。

在選定基層抗壓模量時，應先明確交通類型。規(guī)范值的提出都是針對高等級公路現(xiàn)有施工控制水平采用試驗的方法完成的。但目前很多路網都不超過二級，因資金或其他因素的限制，導致施工水平和質量控制水平都不高，因此基層材料性能可能略差。結合大量現(xiàn)場調查與試驗分析結果，對于以二級及以下公路為核心的路網，其基層材料模量及強度的建議值如表3所示。

表3 二級及以下公路基層材料模量及強度建議值

4.2.2 粒料基層

在粒料基層中，雖然級配碎石可以承受的應力低于瀝青混凝土，但因具備強化材料特征，所以在到達塑性階段后，承載力可以得到很好的發(fā)揮。另外，該結構可承受很大變形。不同因素協(xié)同作用，使材料吸收并儲存大量應變能。當前的技術規(guī)范對粒料基層模量的推薦值相對較小，在這種情況下，路面施工過程中即便所選碎石級配未能達到要求或基層不密實，則頂面彎沉也很容易達到設計要求。級配碎石模量和基層厚度及下承層強度有直接關系。在實際應用過程中，需要以下承層強度為依據(jù)取值[6]。

4.3 瀝青材料

在采用半剛性基層結構的瀝青路面中，面層所受荷載應力以壓應力為主，受到的彎拉應力很小，比基層小很多。在這種情況下，如果不考慮時間與溫度等因素的影響，瀝青材料可以在原應力區(qū)間連續(xù)工作。因此，在重載交通道路中，瀝青材料模量可按照相關規(guī)范提出的推薦值取值。A級道路石油瀝青70#應達到表4的要求，SBS聚合物改性瀝青應達到表5的要求。

表4 A級道路石油瀝青70#技術要求

表4 （續(xù)）

表5 SBS聚合物改性瀝青技術要求

5 結語

綜上所述，重載交通道路的瀝青路面設計和一般道路有很大不同，在設計過程中首先要做好交通分析，明確要求，然后確定重載交通道路各結構層材料參數(shù)，為保證路面功能奠定良好基礎。