重交通条件下高等级公路沥青路面结构设计

重交通条件下高等级公路沥青路面结构设计

黄忆霖

(同济大学建筑设计研究院(集团)有限公司, 上海 200092)

摘要：随着国家经济的发展,公路交通运输呈现出“重载、大流量和渠化交通”的特点,交通量、大型货车和超载超重车辆的大幅增长,导致沥青路面受到严重的破坏,采用标准轴载和图式设计重交通路面结构厚度的方法已经不能满足现实需求.从重交通特点出发,对设计指标、参数和结构组合等进行研究,分析了沥青路面设计指标和参数确定的方法,确定了各结构层的厚度,为沥青路面结构设计提供一定的理论及工程参考价值.

关键词：重交通; 高等级公路; 沥青路面; 路面结构设计

沥青路面是用沥青作结合料,黏结矿料铺筑的直接承受行车荷载作用和自然因素作用的结构层,由于其具有表面平整、无接缝、耐磨、行车舒适度高、噪声低、施工期短、养护维修简便和适宜于分期修筑等优点,在道路建设中被广泛采用,也是我国高等级公路的主要路面形式[1-2].

近年来,随着运输市场的不断繁荣,公路交通流量越来越大,汽车载重量明显增加[3].公路运输逐渐向高速化、列车化、集装箱化的趋势发展,再加上超载超限现象屡禁不止,沥青路面出现了各种各样的病害,有的公路因为重车作用,通车当年就需要进行大修,这种现象已严重影响到行车安全和国民经济的健康发展[4-5].针对此问题,一方面,职能部门应通过行政管理和经济处罚等手段加大治理力度,规范运输市场;另一方面,研究设计人员在设计工作中应尤为重视在重交通条件下沥青路面材料设计和结构设计研究,延长公路使用寿命,以适应现阶段交通量日益增加的趋势.

本研究在总结重交通研究成果的基础上,从重交通条件下的交通特点出发,对设计指标、参数和结构组合等进行了分析研究,并结合实际工程,确定沥青路面设计指标和各结构层的厚度.

1 沥青路面设计

1.1 设计方法

现行规范要求下,路面结构设计需以满足沥青路面整体刚度与沥青层或半刚性基层、底基层抗疲劳开裂的要求作为路面设计的标准.在此条件下,实际设计中一般以沥青路表面回弹弯沉值和各材料层的层底拉应力为路面结构的设计指标,主要原则有以下两点[6]:

1) 控制路基路面结构的总变形,防止由于沉降等整体强度不足引起的破坏,采用弯沉设计指标,轮隙中心处实测路表弯沉值ls应不大于设计弯沉值ld,即ls≤ld;

2) 防止沥青路面各层在车载反复作用下疲劳开裂,采用拉应力指标,沥青路面各层层底拉应力不大于该材料的容许拉应力,即σm≤σR.

1.2 设计步骤

沥青路面结构设计按如下步骤设计:

1) 按照设计任务书的要求,通过对交通量的调查收集,确定路面等级、面层类型和一个车道设计年限内的累计当量轴次Ne,以此计算设计弯沉值;

2) 按路基土的种类和干湿类型,把路基划成若干路段(大规模机械化施工每段长度应该大于1 km,一般情况下长度不小于500 m),确定各段路基回弹模量;

3) 初拟几种路面结构方案,利用配合比试验,测量所选材料抗压回弹模量、抗拉强度,拟定路面各层的材料设计参数;

4) 按照设计弯沉值确定路面厚度,并验证各层层底拉应力是否满足要求.若不满足容许拉应力要求,可对各结构层厚度、路面结构组合、材料配合比等进行调整,并验算季节性冰冻地区防冻厚度;

5) 排水设计,按照路段所在位置的地质水文条件及路面结构形式来确定是否采用路面结构内部及边缘排水系统等排水设施;

图1 沥青路面设计流程示意图

Fig.1 Schematic diagram of asphalt pavement design

6) 表面特性设计,制定特定路段的路面抗滑措施;

7) 进行经济和技术上的比较,选取最合适的路面结构方案[7].具体设计流程如图1所示.

2 重交通参数分析

2.1 标准轴载

现行规范中,采用双轮组单轴载100 kN作为标准轴载进行路面设计[8],以BZZ-100表示，计算参数见表1.

表1 标准轴载计算参数

Table 1 Calculation parameters of standard axle load

标准轴载BZZ-100标准轴载/kN100轮胎接地胎压/MPa0.70传压面当量圆直径(d)/cm21.30两轮中心距/cm1.5d

2.2 当量轴次

当以设计弯沉值及沥青层层底拉应力为指标时,将各级轴载换算成标准轴载P的当量轴次N,公式如下

N=∑C1C2ni

(1)

式中:N为以设计弯沉值和沥青层层底拉应力为指标时的标准轴载的当量轴次,次/d;ni为被换算车型的各级轴载作用次数,次/d;P为标准轴载,kN;Pi为被换算车型的各级荷载,kN;C1为被换算车型的轴数系数,当轴间距≥3 m时,按单独的轴载计算,当轴间距<3>C1=1+1.2(m-1)计算双轴或多轴的轴数系数,其中m为轴数;C2为被换算车型轮组系数,双轮组、单轮组和四轮组分别为1.0、 6.4和0.38;K为被换算车型的轴载级别.

当设计指标为半刚性材料层的拉应力时,当量轴次N′计算式为

(2)

式中:N′为以半刚性材料层的拉应力为指标时的标准轴载的当量轴次,次为被换算车型的轴数系数,当轴间距<3>计算双轴或多轴的轴数系数,其中m为轴数为被换算车型轮组系数,单轮组、双轮组和四轮组分别为18.5、1.0和0.09.其他符号参照式(1).

2.3 设计指标

结合现行规范,按照高等级重交通沥青路面的受力及破坏特型,把设计弯沉值作为路面厚度设计的标准,以层底拉应力作为检验指标.

2.3.1 设计弯沉值

根据行业标准JTG D50-2006,计算设计弯沉值为

(3)

式中:ld为设计弯沉值,0.01 mm;Ne为一个车道设计年限内的累计当量轴次,次/车道;Ac为公路等级系数;As为面层类型系数;Ab为路面结构类型系数.

2.3.2 结构层层底拉应力

设计或验证指标为沥青混凝土面层、半刚性材料基层和底基层的拉应力时,确定材料容许拉应力为

σR=

(4)

式中:σR为路面结构层材料的容许拉应力,MPa;σS为沥青混凝土、半刚性材料的极限劈裂强度,MPa;KS为抗拉强度结构系数.

2.4 交通参数

使用期内标准轴载的累计作用次数是路面设计时需要考虑的主要设计参数之一.因此,需通过调查收集交通量和车辆轴载方面的信息,确定标准轴载作用次数.

2.4.1 轴载累计作用次数

设计车道在设计使用期内的标准轴载累计作用次数为

Ne=×η

(5)

式中:Ne为一个车道在设计年限内的累计当量轴次,次/车道;t为设计年限,年;N1为运行首年双向日平均当量轴次,次/d;γ为交通量在设计年限内的平均年增长率,%;η为车道系数,具体见表2.

表2 车道系数

Table 2 Lane coefficient

车道特征η车道特征η双向单车道1.0双向六车道0.3～0.4双向两车道0.6～0.7双向八车道0.25～0.35双向四车道0.4～0.5——

2.4.2 交通量的平均增长率及车道系数

交通量在设计年限内的平均增长率γ可根据项目可行性研究报告等材料,经分析处理确定[9].车道系数η按照表2选用.公路没有分隔时,车道系数宽应取大值,车道数越多,车道系数取值越小.

2.5 交通等级

依据规定交通量划分为4个等级见表3.在计算出累计当量轴次Ne后设计时选择一个较高的交通等级作为沥青路面设计交通等级.

表3 交通等级

Table 3 Traffic levels

交通等级BZZ-100条件时Ne/(次·车道-1)大型客车及中型以上货车交通量/(辆·(d·车道)-1)轻交通<><><><><><>

3 工程实例分析

3.1 工程背景

拟新建道路为福建省泉州市的二级公路,设计车速为60 km/h,双向六车道.根据《公路自然区划标准》第3.0.1—3.0.2条,本区属“Ⅳ4浙闽沿海山地中湿区(二级自然区)”,沿线筑路材料供应丰富[5].

3.2 确定累计当量轴次及设计指标

由调查及现有统计资料可知,交通量以每年7%的速度增长.根据相关规范,车道系数η取0.4,设计年限为12年.

由式(5)可知,设计年限内以设计弯沉值和沥青层层底或半刚性材料结构层层底拉应力为要求一个车道上的累计当量轴次分别为1.92×107和1.91×107,在此条件下,两者均属于重交通等级.由此可见,按设计弯沉值及沥青层层底拉应力为标准时设计更安全.实际工作中,需同时验算设计弯沉值及拉应力两项.

3.3 初步拟定路面结构类型

根据以往工程经验及当地施工情况,初步拟定该二级公路路面结构为18 cm的沥青混凝土面层+40 cm的水泥稳定碎石基层+15 cm的级配碎石底基层.其中,面层从上至下分别为苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物(SBS)改性4 cm细粒式沥青混凝土AC-13C、6 cm中粒式沥青混凝土AC-20C(SBS改性)和8 cm粗粒式沥青混凝土AC-25C.基层为20 cm水泥稳定碎石(5%)+20 cm水泥稳定碎石(3%).如表4所示.

表4 拟定路面结构

Table 4 Proposed pavement structure

路面结构厚度/cm细粒式沥青混凝土AC-13C(SBS改性)4中粒式沥青混凝土AC-20C(SBS改性)6粗粒式沥青混凝土AC-25C8水泥稳定碎石(5%)20水泥稳定碎石(3%)20级配碎石15

3.4 确定材料模量

材料模量设计时参考沥青路面设计规范,具体见表5和表6.

确定本二级公路设计中每层材料的劈裂强度和20 ℃时的抗压模量.20 ℃时每层材料的抗压模量:细粒式和中粒式沥青混凝土分别为1 400 MPa和1 200 MPa;水泥稳定碎石(5%和3%)分别为1 500 MPa和1 300 MPa;级配碎石为200 MPa.每层材料的劈裂强度:细粒式、中粒式和粗粒式沥青混凝土分别为1.4 MPa、1.0 MPa和0.8 MPa;水泥稳定碎石(5%)为0.5 MPa;水泥稳定碎石(3%)为0.5 MPa,由勘查资料及规范得土基回弹模量为36 MPa[10-11].

表5 沥青混合材料设计参数

Table 5 Design parameters of asphalt mixture

材料名称抗压模量/MPa20℃15℃15℃劈裂强度/MPa备注细粒式沥青混凝土密级配1200～16001800～22001.2～1.6AC-10,AC-13细粒式沥青混凝土开级配700～10001000～14000.6～1.0OGFC沥青玛蹄脂碎石1200～16001600～20001.4～1.9SMA中粒式沥青混凝土1000～14001600～20000.8～1.2AC-16,AC-20密级配粗粒式沥青混凝土800～12001000～14000.6～1.0AC-25沥青碎石基层密级配1000～14001200～16000.6～1.0ATB-25,ATB-35沥青碎石基层半开级配600～800 ——AM-25,AM-40沥青贯入式400～600 ———

表6 基层、底基层材料设计参数

Table 6 Material design parameters of basic and bottom

材料名称配合比或规格要求抗压模量/MPa(弯沉计算用)抗压模量/MPa(拉应力计算用)劈裂强度/MPa水泥砂砾4%～6%1100～15003000～42000.4～0.6水泥碎石4%～6%1300～17003000～42000.4～0.6二灰砂砾7∶13∶801100～15003000～42000.6～0.8二灰碎石8∶17∶851300～17003000～42000.5～0.8石灰水泥粉煤灰砂砾6∶3∶16∶751200～16002700～37000.4～0.55水泥粉煤灰碎石4∶16∶801300～17002400～30000.4～0.55石灰土碎石粒料>60%700～11001600～24000.3～0.4碎石灰土粒料>40%～50%600～9001200～18000.25～0.35水泥石灰砂砾土4∶3∶25∶68800～12001500～22000.3～0.4二灰土10∶30∶60600～9002000～28000.2～0.3石灰土8%～12%400～7001200～18000.2～0.25石灰土处理路基4%～7%200～350——级配碎石Ⅰ基层连续级配型300～350——级配碎石Ⅱ基层骨架密实型300～500——级配碎石Ⅲ底基层、垫层200～250——

3.5 确定设计指标

确定设计指标主要采用设计弯沉值和容许层底拉应力,采用公路路面设计程序系统HPDS2011对设计指标进行计算,如图2所示.

图2 设计弯沉和容许拉应力计算程序数据输入界面

Fig 2 Calculation program data input interface of design deflection and allowable tensile stress

将计算所得的累计当量轴次与初步拟定各面层厚度及材料模量输入程序,计算结果如图3所示.

3.6 验算路面结构各层厚度

利用HPDS2011系统对路面结构各面层厚度实行验算,数据输入界面如图4所示.

以4 cm AC-13C(SBS改性)沥青上面层为例,输入路面结构各层厚度及材料模量,计算结果如图5和图6所示.

图3 计算结果

Fig 3 Calculation results

图4 沥青路面结构层厚度计算程序数据输入界面

Fig 4 Calculation program data input interface of asphalt pavement structure layer thickness

计算结果显示,上面层按设计弯沉值和容许拉应力均能够满足要求.

图5 依据设计弯沉值计算的结果

Fig 5 Calculation results according to design deflection value

图6 根据容许拉应力计算的结果

Fig 6 Calculation results according to allowable tensile stress

用相同方法验算剩余面层厚度,限于篇幅不再具体说明.结果显示,初步拟定面层结构及厚度均能够满足按设计弯沉值及容许拉应力两方面的要求.

4 结 语

1)由于我国地域广阔,各省市存在气候环境、地质特点、交通量及技术条件等方面较大差异,在路面设计中,应遵循因地制宜、选材合理、施工养护方便的原则.

2)根据面层耐久性好、基层坚实性高、土基稳定性好的标准,结合当地经验先初步设计几种路面

结构方案,实行一系列分析比较后,选用方便机械化施工和质量管理的方案,做到技术先进,经济合理.

3)高等级道路在有条件的情况下,应进行现场试验,确定材料模量等参数,优化材料组成.采用合理的施工工艺,增强施工现场的监测管理,形成使用性能良好、经济合理、适用于重交通作用下的高等级公路沥青路面.

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(编辑: 林立云)

Structure Design of High Grade Highway Asphalt Pavement Under Heavy Traffic Conditions

HUANG Yilin

(Tongji Architectural Design(Group) Co., Ltd., Shanghai 200092, China)

Abstract：With the development of national economy,highway transportation presents a series of characteristics,such as heavy load,large flow and channel traffic.Due to the substantial increasing traffic volumes,heavy duty trucks and heavy-load vehicles,asphalt pavement appears severely damage,thickness design in pavement structure of heavy traffic using standard axle load and graphical representation can not satisfy the reality.Based on the characteristics of heavy traffic,the design indexes,parameters and structure combinations were studied,the determining method of design indexes and parameters of asphalt pavement were analyzed,and the thicknesses of structure layers were determined,which can provide theoretical and engineering reference for structure design of asphalt pavement.

Key words：heavy traffic; high grade highway; asphalt pavement; pavement structure design

文章编号：1009-444X(2017)01-0055-06

收稿日期：2016-11-09

作者简介：黄忆霖(1979-),男,助理工程师,硕士,研究方向为公路及市政道路设计.E-mail:[e-mail]

中图分类号：U 41

文献标志码：A