改建公路瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計分析

賈亞紅

（山西省交通規(guī)劃勘察設(shè)計院，山西 太原 030012）

1 工程概況

華南地區(qū)某一級公路，為雙向六車道，設(shè)計車速100 km/h，路基寬度為33.5 m，瀝青混凝土路面結(jié)構(gòu)。2000年通車，已接近既有路面的設(shè)計使用年限，近年來路面損壞日益嚴重，為提高服務(wù)水平，擬進行改建。本項目全長20 km，改建后路面結(jié)構(gòu)設(shè)計使用年限為15年。

項目所在地屬亞熱帶季風(fēng)氣候，自然區(qū)劃屬于Ⅳ-2區(qū)，瀝青路面氣候分區(qū)屬1-3區(qū)，年均降雨量1 047 mm，年平均氣溫15.9℃，月平均氣溫最低為2.6℃，月平均氣溫最高為28.1℃。

2 設(shè)計參數(shù)及指標

2.1 交通參數(shù)

根據(jù)現(xiàn)場交通調(diào)查和歷史交通數(shù)據(jù)分析，斷面大型客車和貨車交通量為2 000輛/日,交通量年增長率為5.0%，方向系數(shù)為0.56，車道系數(shù)為0.5。設(shè)計車道初始年日均貨車和大型客車交通量為560輛/日。

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，車輛類型分布系數(shù)及各車型車輛的累計交通量見表1。

表1 車輛類型分布系數(shù)和各車型車輛交通量

根據(jù)路網(wǎng)相鄰公路的車輛滿載情況及歷史數(shù)據(jù)的調(diào)查分析，得到各類車型非滿載與滿載比例，如表2所示。

表2 非滿載車與滿載車所占比例 %

根據(jù)規(guī)范中表6.2.1，對應(yīng)的設(shè)計指標為瀝青混合料層永久變形與無機結(jié)合料層疲勞開裂。不同設(shè)計指標下各車型對應(yīng)的非滿載車和滿載車當量設(shè)計軸載換算系數(shù)，采用設(shè)計項目所在地的典型值[1]，如表3所示。

表3 非滿載車與滿載車當量設(shè)計軸載換算系數(shù)

根據(jù)公式（A.4.2）計算得到對應(yīng)于瀝青混合料層永久變形的當量設(shè)計軸載累計作用次數(shù)為10 691 696次,對應(yīng)于無機結(jié)合料層疲勞開裂的當量設(shè)計軸載累計作用次數(shù)為622 785 098次[1]。本公路設(shè)計使用年限內(nèi)設(shè)計車道累計大型客車和貨車交通量為4 410 658 pcu/d，設(shè)計交通荷載等級為中等交通。

2.2 設(shè)計指標

a）路面設(shè)計年限為15年。

b）公路自然區(qū)劃 根據(jù)《公路自然區(qū)劃標準》，設(shè)計路段為公路自然區(qū)Ⅳ-2區(qū)，瀝青路面氣候分區(qū)屬1-3區(qū)。

表4 瀝青混凝土路面設(shè)計技術(shù)指標表

2.3 既有路面調(diào)查

調(diào)查表明既有路面主要損壞是車轍、橫向裂縫和網(wǎng)裂。

東段路面損壞嚴重，基層結(jié)構(gòu)性損壞嚴重，同時瀝青面層損壞嚴重。路面損壞狀況評價等級為中，且路表彎沉值較大，落錘式彎沉儀檢測彎沉代表值為40（0.01 mm），結(jié)構(gòu)強度評價等級為差。

西段路況較好，路面損壞狀況評價等級為良，落錘式彎沉儀檢測彎沉代表值為26（0.01 mm），結(jié)構(gòu)強度評價等級為良。

公路沿線路基狀況和水文條件良好，主線橋梁和其他構(gòu)造物結(jié)構(gòu)狀況良好。

3 路面結(jié)構(gòu)計算

采用瀝青路面結(jié)構(gòu)分析軟件（APAD）進行計算。

3.1 初擬路面結(jié)構(gòu)

表5 初擬路面結(jié)構(gòu)（東段）

表6 初擬路面結(jié)構(gòu)（西段）

3.2 路面結(jié)構(gòu)驗算

3.2.1 瀝青混合料層永久變形驗算

根據(jù)表G.1.2，基準等效溫度Tξ為22.1℃，由式（G.2.1）計算得到瀝青混合料層永久變形等效溫度分別為：東段23.7℃、西段22.1℃，可靠度系數(shù)為1.28[1]。

根據(jù)B.3.1條規(guī)定的分層方法，將東段瀝青混合料層分為6個分層,將西段瀝青混合料層分為10個分層[1]，各計算結(jié)果匯總于表7、表8中。

各層永久變形累加得到瀝青混合料層總永久變形量分別為：東段Ra=1.5 mm、西段Ra=2.0 mm，根據(jù)表3.0.6-1，瀝青層容許永久變形為15.0 mm，擬定的路面結(jié)構(gòu)滿足要求。

表7 瀝青層永久變形計算結(jié)果（東段）

表8 瀝青層永久變形計算結(jié)果（西段）

3.2.2 無機結(jié)合料層疲勞開裂驗算

根據(jù)彈性層狀體系理論，計算得到無機結(jié)合料層層底拉應(yīng)力為：東段0.321 MPa、西段0.305 MPa。根據(jù)氣象資料，工程所在地區(qū)凍結(jié)指數(shù)F為15.0℃·日，按照表B.1.1，季節(jié)性凍土地區(qū)調(diào)整系數(shù)ka取1.00。根據(jù)式（B.2.1-2），現(xiàn)場綜合修正系數(shù)為-0.981[1]。

根據(jù)工程所在地區(qū)，查表G.1.2得到基準路面結(jié)構(gòu)溫度調(diào)整系數(shù)為1.35，根據(jù)初擬路面結(jié)構(gòu)和路面結(jié)構(gòu)層材料參數(shù)，按式（G.1.3-1）計算得到溫度調(diào)整系數(shù) kT2為：東段 1.14、西段 1.51。由表 B.2.1-1，對于無機結(jié)合料穩(wěn)定粒料，疲勞開裂模型參數(shù)a=13.24，b=12.52。彎拉強度為：東段 1.8 MPa、西段1.6 MPa[1]。

根據(jù)以上參數(shù)，按式（B.2.1-1）計算得到無機結(jié)合料層底疲勞壽命分別為：東段1 735 945 818軸次、西段690 272 364軸次[1]。

3.2.3 貫入強度驗算

公路所在地區(qū)月平均氣溫大于0℃的月份數(shù)為12個月，由此得到對應(yīng)于貫入強度驗算的設(shè)計車道累計設(shè)計軸載作用次數(shù)Ne5為10 691 696。所在地區(qū)月平均氣溫大于0℃的各月份氣溫平均值為15.9℃。根據(jù)公路等級，參照表3.0.6-1，得到瀝青混合料層容許永久變形量為15.0 mm。路面結(jié)構(gòu)系數(shù)根據(jù)式（5.5.8-2）計算為：東段0.88、西段0.86。瀝青混合料層的綜合貫入強度由式（5.5.8-3）確定為：東段 0.65 MPa、西段 0.70 MPa。根據(jù)式（5.5.8-1），得到瀝青混合料層的貫入強度要求值為：東段0.51 MPa、西段0.50 MPa。所以，擬定的路面結(jié)構(gòu)和材料滿足貫入強度要求[1]。

3.2.4 路表驗收彎沉值

采用附錄B.7節(jié)規(guī)定荷載，采用彈性層狀體系理論計算得到加鋪后路面結(jié)構(gòu)路表驗收彎沉值分別為：東段 13.4（0.01 mm）、西段 18.5（0.01 mm）[1]。

3.3 計算結(jié)果

各項驗算結(jié)果匯總?cè)绫?、表10所示。

表9 分析結(jié)果匯總（東段）

表10 分析結(jié)果匯總（西段）

由表9、表10可知，所選路面結(jié)構(gòu)和材料能滿足各項驗算內(nèi)容的要求。

4 路面結(jié)構(gòu)設(shè)計方案

根據(jù)病害現(xiàn)狀，結(jié)合路線縱坡，擬從結(jié)構(gòu)修復(fù)、路面封水和改善表面功能3個方面來著手解決：

a）既有路面破損不嚴重且結(jié)構(gòu)性能較好的路段可參照現(xiàn)行《公路瀝青路面養(yǎng)護技術(shù)規(guī)范》對局部病害處治后進行加鋪。

本項目的西段首先對原有病害進行處治或銑刨原瀝青面層，然后將表面清理干凈后撒鋪黏層油，最后加鋪4 cm的AC-13細粒式密級配SBS改性瀝青混凝土。

b）既有路面破損嚴重或結(jié)構(gòu)性能不足的路段，宜采用整體性處理方式。處理深度和范圍應(yīng)根據(jù)路面破損程度、層位和處理工藝確定。

本項目的東段路面破損嚴重，因此銑刨原瀝青面層，對基層進行補強或銑刨后重新鋪筑瀝青面層和基層后，按上面層4 cm的AC-13細粒式密級配SBS改性瀝青混凝土，下面層采用6 cm的AC-20中粒式密級配瀝青混凝土（摻0.3%的抗車轍劑），基層采用30 cm的水泥穩(wěn)定碎石鋪筑。

對下面層摻配抗車轍劑，可以有效提高瀝青路面的高溫穩(wěn)定性能，減緩車轍的發(fā)生及降低車轍深度。

表11 路面結(jié)構(gòu)設(shè)計方案表

5 其他注意事項

a）確定改建設(shè)計方案時，應(yīng)充分利用既有路面結(jié)構(gòu)性能，最大程度地節(jié)能減排，減少環(huán)境污染；做到廢物利用，減少材料消耗，并積極穩(wěn)妥地利用再生后的混合料。

b）改建設(shè)計應(yīng)采用動態(tài)設(shè)計理念，工程實施階段應(yīng)逐段調(diào)查分析現(xiàn)場路況，動態(tài)調(diào)整改建方案。

c）由于該項目年均降雨量較大，同時又是改建工程，所以需重新設(shè)置排水系統(tǒng)或采取措施提高原排水系統(tǒng)的排水能力。

d）應(yīng)考慮施工期交通組織設(shè)計和臨時安全設(shè)施設(shè)計。

e）交工驗收時，其抗滑技術(shù)指標應(yīng)滿足表12的技術(shù)要求。

表12 抗滑技術(shù)要求

6 結(jié)語

與舊規(guī)范相比，新規(guī)范的主要優(yōu)點有：

a）規(guī)范了軸載譜及交通參數(shù)的調(diào)查分析方法，強調(diào)按實際情況做好交通荷載分析與預(yù)測，按照全壽命周期成本的理念進行路面設(shè)計。

b）引入了溫度調(diào)整系數(shù)和等效溫度。

c）改變了路面材料的設(shè)計參數(shù)，調(diào)整了相應(yīng)測試和取值方法。

d）增加了瀝青混合料層永久變形量、路基頂面豎向壓應(yīng)變和路面低溫開裂指數(shù)設(shè)計指標，改進了瀝青混合料層和無機結(jié)合料穩(wěn)定層疲勞開裂預(yù)估模型，取消了路表彎沉設(shè)計指標[1]。