重載道路路面設(shè)計問題淺析

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摘要：以某新建繞城高速為例，在進行其未來交通量預(yù)測后將其定性為重載交通路段，并對重載道路路面車輛荷載作用機理進行屬性分析，為提升重載道路路面路用性能和使用壽命，從臨界荷載、軸載的換算、彎沉值確定、瀝青路面面層結(jié)構(gòu)及輪載作用等方面進行了其重載道路路面設(shè)計探討，望能為同類工程挺借鑒。

關(guān)鍵詞：重載道路；路面；臨界荷載；彎沉值；設(shè)計

0引言

隨著我國經(jīng)濟發(fā)展速度的加快，道路所承受的交通荷載不斷增大?，F(xiàn)有研究成果大多集中在重載道路受力結(jié)構(gòu)方面，對于重載道路交通特性研究較少，所以基于新建道路工程分析重載道路交通特征以及重載道路路面設(shè)計問題對于指導(dǎo)道路設(shè)計規(guī)劃和交通管理具有重要意義。

1擬建重載道路概況

根據(jù)預(yù)測，擬建環(huán)繞某市區(qū)的繞城高速交通構(gòu)成情況復(fù)雜，對其交通量分類統(tǒng)計后，將統(tǒng)計結(jié)果換算成標(biāo)準(zhǔn)車，結(jié)果顯示，道路投運后，重型貨車、集裝箱貨車等交通量會逐年增大，大客車和大貨車占比有降低趨勢；環(huán)線路段車輛荷載等級均較大，且大部分車輛為三軸及以上載重量至少30t的貨車，少數(shù)嚴(yán)重超載貨車的最大載重量甚至達(dá)到200t。重載道路荷載規(guī)范為10～40t[1]，且對重載交通量有較嚴(yán)格限制，載重貨車因行駛速度緩慢，安全隱患突出，因此成為導(dǎo)致道路路面破壞及影響道路安全行駛的主要因素，大部分路段交通量飽和度在0.8以上，道路擁堵，屬三級服務(wù)水平。

2重載道路路面車輛荷載作用機理

車輛荷載對道路路面的作用主要通過輪壓體現(xiàn)，一般情況下輪壓和道路路面接觸面積小，而重載道路接觸面積和局部作用荷載顯著增加，這種影響主要包括彎曲效應(yīng)、剪切效應(yīng)、疲勞效應(yīng)和車轍效應(yīng)。

2.1彎曲效應(yīng)

行車對路面的作用整體來看屬于一次性彎曲作用，路面在彎曲變形的影響下，如果材料性能不佳或面層厚度不足，便會使荷載作用下的彎拉應(yīng)力超出結(jié)構(gòu)承載力極限值，造成路面底部開裂；車輛對道路路面的作用既包含靜力部分，又包含因路面平整度不佳、車輛振動等所引起的動力沖擊效應(yīng)，在重載條件下上述效應(yīng)尤為明顯。

2.2疲勞效應(yīng)

疲勞是道路路面結(jié)構(gòu)性能的具體體現(xiàn)，根據(jù)設(shè)計經(jīng)驗，大多數(shù)道路路面發(fā)生裂縫等病害均與其疲勞性能直接相關(guān)，車輛反復(fù)加載及卸載使道路路面在材料極限情況下提前產(chǎn)生裂縫；道路路面在持續(xù)荷載作用下的損傷效應(yīng)是疲勞效應(yīng)的基礎(chǔ)，在重載作用下軸載噸位增加，疲勞損傷便以指數(shù)形式遞增[2]，疲勞損傷加劇。

2.3剪切推移效應(yīng)

行車剎車、上下坡、轉(zhuǎn)彎等操作下其車輪不可避免地會對路面造成剪切推移影響，重載情況下這種剪切推移更加顯著，會直接導(dǎo)致路面結(jié)構(gòu)層破損，引發(fā)路面推移、擁包等病害。

2.4車轍效應(yīng)

瀝青路面結(jié)構(gòu)的瀝青材料具有高溫軟化特性，在高溫、大載重量等情況下發(fā)生車轍病害的可能性較大。

3重載道路路面設(shè)計

考慮到重載道路路面設(shè)計的特殊性和困難性，需在最大服役荷載調(diào)研的基礎(chǔ)上明確該重載道路運營過程中使用荷載臨界情況以及軸載換算，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)交通量進行路面設(shè)計，依據(jù)服役荷載最大值進行設(shè)計驗算。

3.1臨界荷載

車輛荷載只有達(dá)到一定噸位和碾壓次數(shù)才能對道路路面產(chǎn)生累積損傷影響，對于噸位不足及碾壓次數(shù)較少的車輛可忽略不計，所以臨界荷載值的確定對保證設(shè)計效率、提升設(shè)計方案針對性十分重要。當(dāng)前相關(guān)規(guī)范和工程實踐中均以50%的應(yīng)力水平為標(biāo)準(zhǔn)進行臨界荷載值的確定，在瀝青路面設(shè)計時，不考慮單軸設(shè)計軸載小于20kN及雙軸軸載小于40kN的情況。

3.2軸載的換算

軸載強度體現(xiàn)的是車輛荷載對道路路面結(jié)構(gòu)一次性破壞的程度，在軸載反復(fù)累計作用下引起道路路面結(jié)構(gòu)損傷即為路面疲勞，車轍也是車輪反復(fù)作用的結(jié)果。根據(jù)設(shè)計規(guī)范，瀝青混凝土路面以路面彎沉為設(shè)計控制指標(biāo)，以底部拉應(yīng)力為失效判定標(biāo)準(zhǔn)，所以本重載道路路面設(shè)計分別以彎沉等效和拉應(yīng)力等效進行標(biāo)準(zhǔn)軸載換算。該公路重載路段路面設(shè)計荷載標(biāo)準(zhǔn)按照雙輪組單軸載100kN確定，并采用瀝青混凝土路面行駛，車道系數(shù)按0.45確定，設(shè)計使用壽命15a，按照《公路瀝青路面設(shè)計規(guī)范》（JTGD50—2017）進行軸載換算[3]，具體公式如式（1）：N''=∑i=1kC'C'2ni(P)iPb（1）式中：N''為標(biāo)準(zhǔn)軸載當(dāng)量軸次；ni為待換算車輛各級軸載作用次數(shù)；C'為軸數(shù)系數(shù)；C'2為輪組系數(shù)，雙輪組取6.4，單輪組和四輪組取0.38；Pi為待換算車輛軸載；P為設(shè)計軸載，取100kN；b為換算指數(shù)。本重載道路路面設(shè)計累計當(dāng)量軸次比分別以設(shè)計彎沉值與瀝青層層底拉應(yīng)力、半剛性基層層底拉應(yīng)力、剛性基層層底拉應(yīng)力三部分內(nèi)容為軸載換算設(shè)計指標(biāo)，車道日平均當(dāng)量軸次設(shè)計結(jié)果分別為3840次/d、4255次/d、6630次/d。在設(shè)計年限內(nèi)，交通量增長率預(yù)測值和實際值存在一定出入，為此必須進行累計當(dāng)量軸次的分段計算，以調(diào)整預(yù)測交通量增長率。最終確定該路面病害路段屬于重載交通路段。

3.3彎沉值確定

重載瀝青道路路面設(shè)計指標(biāo)主要有車轍、基層層底拉應(yīng)力、路標(biāo)彎沉等，但是根據(jù)類似工程既有經(jīng)驗，車轍預(yù)估模型在實際應(yīng)用中面臨較大的局限，故本道路主要基于重載路面受力及損壞特性采用彎沉值設(shè)計控制指標(biāo)，以底基層層底彎拉應(yīng)力及半剛性基層為最終檢驗指標(biāo)，計算其最大軸載應(yīng)力。彎沉值按式（2）[4]確定：ld=600N-0.2eAcAsAb（2）式中：ld為彎沉值（×10-2mm）；Ne為設(shè)計使用年限內(nèi)單車道當(dāng)量軸次，即以層底拉應(yīng)力及彎沉值為設(shè)計指標(biāo)時的當(dāng)量軸次；Ac為道路等級系數(shù)；As為道路面層類型系數(shù)；Ab為道路路面結(jié)構(gòu)類型系數(shù)。將所得出的設(shè)計彎沉值進行修正，修正系數(shù)按照式（3）取值：F=1.63(l)s/2000δ0.38(E)0P0.36（3）式中：F為設(shè)計彎沉值修正系數(shù)；ls為道路路面計算彎沉值，取0.01mm；δ為標(biāo)準(zhǔn)車型輪胎當(dāng)量圓半徑；E0為土基抗壓回彈模量；P為標(biāo)準(zhǔn)車型輪胎接地壓強。3.4路面設(shè)計要點進行重載道路路面設(shè)計前必須根據(jù)其實際荷載范圍選用設(shè)計方法，首先考慮道路承擔(dān)大量貨物及專項物資運輸?shù)念l次，再根據(jù)軸重儀實測結(jié)果進行路面設(shè)計。在重載道路路面設(shè)計的同時還應(yīng)根據(jù)換算軸載確定疲勞應(yīng)力，進行路面疲勞效應(yīng)和一次性破壞效應(yīng)的驗證。現(xiàn)有的公路路面設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)主要采用臨界疲勞應(yīng)力和臨界溫度疲勞應(yīng)力組合的控制標(biāo)準(zhǔn)，并應(yīng)將其控制在道路路面層材料彎拉強度范圍內(nèi)。還應(yīng)進行道路路面服役極限荷載調(diào)研，并據(jù)此進行路面結(jié)構(gòu)是否會發(fā)生一次性斷裂失效的驗證。考慮到瀝青混凝土路面具有較好的平整性、低噪聲、抗高溫和耐老化等性能，本道路路面應(yīng)采用長壽命瀝青路面設(shè)計，自上而下分別為高質(zhì)量瀝青混凝土面層、高彈性模量抗車轍瀝青混凝土中間層、高柔性抗疲勞瀝青混凝土HMA基層。在重載交通作用下，車輪和路面接觸面以下100～150mm范圍受力最大，也是多種病害發(fā)生概率最大的區(qū)域，所以該區(qū)域承載面層必須采用高質(zhì)量瀝青混凝土材料；車輪荷載經(jīng)由面層向下部中間層擴散，并應(yīng)與上部面層存在有效連接，防止出現(xiàn)車轍病害，所以下部中間層應(yīng)使用高模量抗車轍瀝青混凝土材料；車輪荷載最后傳遞至路面拉彎應(yīng)力最大的HMA基層區(qū)域，該區(qū)域?qū)r青混凝土材料抗彎拉性能有較高要求，故采用高柔性抗疲勞瀝青混凝土材料，確保其具備足夠的抵抗性，避免發(fā)生由下至上的開裂和破壞。

4結(jié)語

該擬建環(huán)繞某市區(qū)的繞城高速于2018年初開工，2019年末建成投運，運行至今其道路路面結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性良好，實際交通量與道路建設(shè)前所預(yù)測的交通量基本吻合，路面設(shè)計方案科學(xué)合理。本文所進行的重載道路路面結(jié)構(gòu)設(shè)計的研究結(jié)果對類似工程具有參考價值。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳廣浩.淺析重載道路路面的設(shè)計方法[J].城市道橋與防洪，2014（8）：27-29.

[2]陳文甫.重載道路路面設(shè)計方法分析[J].工程建設(shè)與設(shè)計，2021（6）：81-82.

[3]中交路橋技術(shù)有限公司.公路瀝青路面設(shè)計規(guī)范：JTGD50—2017[S].北京：人民交通出版社股份有限公司，2017.

[4]孟琦.重載交通路段的道路路面設(shè)計方法探析[J].公路交通科技（應(yīng)用技術(shù)版），2017（10）：156-157.

作者:郭東亮 單位:江西省市政工程設(shè)計研究院有限公司