低交通量農村公路水泥混凝土路面典型結構的研究

陳愛軍， 孟亞軍

（1.湖南工程學院 建筑工程學院，湘潭411104；2.中南大學 土木工程學院，長沙410083）

0 前 言

近些年來，由于我國經濟的快速發(fā)展和國家對"三農"的大力支持，湖南省農村公路的建設進入了一個前所未有大發(fā)展階段.依靠政府的財政支持，以及農民對交通出行的需求層次提高，原有的砂石路面或年久失修的瀝青路面已不能滿足農民出行的需要，新建或改建的農村公路基本上都是水泥混凝土路面.水泥路面和瀝青路面比較而言，雖然初期投資可能比瀝青路面大，但瀝青路面需要施工專業(yè)化和機械化程度較高、壽命較短和容易產生各種病害導致經常需要維修，而水泥混凝土路面具有施工工藝較簡單、施工機動靈活、建筑材料豐富、使用年限長、養(yǎng)護費用少、群眾參與程度高的優(yōu)點，因此，水泥混凝土路面在農村公路得到了大量普及.

低交通量公路是農村公路的一部分，主要是為滿足農業(yè)生產和農民生活交通需求，供機動車行駛的道路.根據(jù)《公路水泥混凝土路面設計規(guī)范》JTG D40－2011［1］的規(guī)定，設計基準期內設計車道承受設計軸載累計作用次數(shù)Ne小于30000次，交通荷載等級為輕，因此，筆者把Ne小于30000次的農村公路定義為低交通量農村公路，有些文獻［2］［3］也稱為輕交通量農村公路.

對于低交通量水泥混凝土路面結構的研究，我國水泥混凝土路面設計規(guī)范以及交通部門對農村公路的建設指導意見和參考標準缺乏相應的指導，而且我國幅員遼闊，氣候、地形、地理、材料來源和土壤地質條件差異較大，各個地方在路面設計和施工過程中難以采用統(tǒng)一的標準.文獻［3］－［6］對低（輕）交通量道路路面結構進行了廣泛的調查和研究，但其研究成果是在《公路水泥混凝土路面設計規(guī)范》JTJ012－2002的基礎上通過修正規(guī)范中某些不適條款提出來的，與現(xiàn)行規(guī)范規(guī)定相矛盾，也不一定適合各地的具體條件.本文針對湖南省的氣候、地形、土壤地質條件和材料來源，在新規(guī)范［1］的基礎上研究適合低交通量農村公路且經濟適用的水泥混凝土路面典型結構，不但能從經濟上節(jié)省農村公路建設資金，還能從技術上彌補現(xiàn)行路面設計規(guī)范在指導低交通量水泥混凝土路面設計不適用的缺陷.

1 湖南省農村公路現(xiàn)狀調查

為了全面地掌握湖南省內農村公路路面結構類型、交通狀況和道路病害情況，課題組對省內農村公路進行了詳細的調查，基本掌握了湖南農村公路路面結構形式和病害、路面材料、交通特點和交通組成情況等農村公路現(xiàn)狀，調查結果表明：

（1）省內農村公路地形地貌主要有湖區(qū)、丘陵地區(qū)和山區(qū)，湖區(qū)主要集中在洞庭湖周邊，線形以直線為主，縱坡平緩甚至個別路段以平坡為主；丘陵地區(qū)和山區(qū)農村公路線形以曲線為主，彎道半徑小，縱坡變化較大，公路等級較低.

（2）湖區(qū)農村公路的路基都是采用矮路堤的形式，地下水位較高，路基穩(wěn)定性受地下水影響較大，單車道路基寬度以4.5m為主，雙車道路基寬多為6.5m；丘陵地區(qū)和山區(qū)路基主要以半填半挖形式為主，少量采用全填和全挖，填挖高度不大，邊坡較陡且較少采用防護措施，路基寬度普遍較窄，單車道路基多數(shù)寬度為3.5m，雙車道路基寬度一般小于5.0m.

（3）農村公路路面大多數(shù)通過改造成為水泥混凝土路面，個別貧困地區(qū)農村公路仍然還是泥結碎石路面，或在原路基上簡單鋪一層碎石作路面，行車舒適性較差.水泥混凝土路面面層厚度在15～25 cm之間，大多數(shù)在20cm以上；雙車道公路基層為水泥穩(wěn)定碎石或砂礫，單車道公路基層多數(shù)為碎石碾壓而成以節(jié)省造價.大多數(shù)農村公路對路肩的設置不規(guī)范，土路肩很少，一般全幅路基硬化為行車道，或者全幅路基都是砂石路面.

（4）由于經濟條件不一致，各地農村公路的交通組成和交通量差異較大.一般村－村公路、鄉(xiāng)－村公路的主要交通組成是小型載貨卡車、摩托車、三輪農用車、微型面包車等供村民出行、簡單運輸?shù)能囕v和少量的東風卡車；在有資源礦產或重大建設項目的地區(qū)，其交通則以重型卡車為主，軸載較大，超載嚴重，對安全要求較高，因此其功能實際上已超出農村公路范疇，應單獨進行設計.絕大多數(shù)農村公路的交通量在800輛／晝夜以下，個別村道只有10～20輛／晝夜，節(jié)假日期間小客車數(shù)量會增加較多，路面結構設計和路面寬度應考慮實際的交通需求狀況.

（5）農村公路交通量低，路基路面寬度窄，路基強度不均勻，路面結構設計隨意性較大，基層強度低，水泥混凝土路面施工技術力量薄弱導致混凝土質量難以保證，同時缺乏正常的養(yǎng)護，路面病害主要是路基沉降導致的斷板和在車輛反復作用下產生的開裂.

2 農村公路路面結構設計及材料參數(shù)的確定

2.1 交通等級的劃分

從調查結果看，農村低交通量道路的交通組成以農用三、四輪車和摩托車為主，載重在1～5t之間，由于這部分車輛全部是單后軸單輪組型車輛，對路面結構的影響不大.但是，少量噸位在20～50t之間的大型車輛對農村公路的路面結構破壞較大，在低交通量道路路面結構設計中應該重點研究考慮.

文獻［1］規(guī)定累計標準軸作用次數(shù)低于3萬次的交通等級屬于輕交通，對于輕交通等級再進行分級，分別按累計標準軸作用次數(shù)為100、200、500、1000、5000、10000、20000和30000，對這8個級別的交通等級進行路面厚度計算.

2.2 水泥混凝土路面結構組合設計

根據(jù)課題組的調查結果，低交通量農村公路的基層一般采用水泥穩(wěn)定碎石基層或級配碎石基層，個別村道甚至不設基層而是直接在舊路基上鋪筑水泥混凝土面層.按照就地取材、實事求是的原則進行結構組合設計，不同交通等級的公路采用不同的結構組合，組合方案如表1所示.對于湖區(qū)或庫區(qū)的農村公路可以增設排水或防水墊層.

表1 初擬水泥混凝土路面結構組合方案

2.3 路面材料參數(shù)的確定

湖南省的農村公路主要在原舊路基或泥結碎石路面上進行加寬改建，除局部濕軟凹坑和加寬部分需要補強處治外，原路基經過長期行車碾壓，路基強度高且穩(wěn)定性好，土基回彈模量比較大.根據(jù)調查結果，原路基的土基回彈模量在55～100MPa之間，新建路面土基回彈模量在35～70MPa之間，為保守設計，土基回彈模量取50MPa進行路面結構計算.

水泥穩(wěn)定碎石基層的回彈模量取1500MPa，級配碎石的回彈模量取220MPa.考慮到水泥混凝土面層的強度對其厚度的影響較大，而提高一個等級的混凝土帶來的成本增加不大，因此，面層的彎拉強度等級分別取4.0MPa和4.5MPa，相對應的彎拉彈性模量為27GPa和29GPa.

3 水泥混凝土面層厚度的計算

3.1 荷載疲勞應力計算

依據(jù)文獻［1］，荷載疲勞應力的σpr計算公式為：

式中：

σps——標準軸載在四邊自由板的臨界荷位處產生的荷載應力（MPa），

kr——考慮接縫傳荷能力的應力折減系數(shù)，此處取kr＝1

kf——考慮設計基準期內荷載應力累計疲勞作用的疲勞應力系數(shù)，按kf＝Neλ計算；

kc——考慮偏載和動載等因素對路面疲勞損壞影響的綜合系數(shù)，此處取kc＝1

3.2 最大荷載應力計算

最重軸載在面層板臨界荷位處產生的最大荷載應力σp，max按下式計算：

式中：

σpm——最重軸載Pm在四邊自由板臨界荷位處產生的最大荷載應力（MPa）.

關于最重軸載Pm的大小問題，通過交通調查中得知，低交通量道路上重型車噸位在15～30t之間，因此，分別取Pm為150kN、125kN、100kN的單軸雙輪軸載進行檢驗.

3.3 溫度疲勞應力及最大溫度應力計算

在面層板臨界荷位處產生的溫度疲勞應力σtr按下式計算：

式中：

σt，max——最大溫度梯度時面層板產生的最大溫度應力（MPa）；

kt——考慮溫度應力累計疲勞作用的溫度疲勞應力系數(shù)，按規(guī)范計算；

αc——混凝土的線膨脹系數(shù)，按粗集料類型為石灰?guī)r取7；

Tg——公路所在地50年一遇的最大溫度梯度，根據(jù)公路自然區(qū)劃取90℃／m.

BL——綜合溫度翹曲應力和內應力的溫度應力系數(shù)，按規(guī)范計算.

3.4 水泥混凝土面層厚度計算

按照表1的路面結構組合方案，初擬面層厚度，分別計算混凝土面層板的最重軸載產生的最大荷載應力σp，max、設計軸載（100kN）產生的荷載疲勞應力σpr、最大溫度梯度產生的最大溫度應力σt，max及溫度疲勞應力σtr，通過不斷調整各結構層的厚度，最后確定滿足疲勞應力和一次荷載最大應力要求的路面結構組合.為了比較各個路面結構組合方案的成本，根據(jù)《公路工程預算定額》（JTG／TB06－02－2007）進行直接工程費的分析，因為成本分析是為了對比各個方案優(yōu)劣，直接工程費就套用定額的基價，各結構層的費用分析如下：

碎石基層（1000m2）：6869元（15cm）±426元（每增減1cm）

水穩(wěn)定碎石（5%水泥含量，拖拉機帶鏵犁拌和施工，1000m2）：13447元（15cm）±799元（每增減1cm）

C30混凝土（抗彎拉強度4.0MPa，人工鋪筑，1000m2）：57227元（20cm）±2663元（增減1cm）

C35混凝土（抗彎拉強度4.0MPa，人工鋪筑，1000m2）：59787元（20cm）±2791元（增減1cm）.

計算結果如表2～表6所示：

表2 I類結構組合方案

表3 Ⅱ類結構組合方案

19cm混凝土＋16cm水穩(wěn)碎石10000 4.5 125 4.45 4.35 71.2 19cm混凝土＋13cm水穩(wěn)碎石 5000 4.5 125 4.44 4.43 68.8 19cm混凝土＋13cm水穩(wěn)碎石1000 4.5 125 4.10 4.43 68.8

表4 Ⅲ類結構組合方案

表5 Ⅳ類結構組合方案

表6 Ⅴ類結構組合方案

4 路面結構的技術經濟分析

通過分析表2～表6，可以得到以下結果：

Ⅰ類結構組合方案和Ⅱ類結構組合方案在交通量相同的基礎上，Ⅰ類方案的最大荷載為150kN，Ⅱ類方案的最大荷載為125kN，Ⅰ類方案比Ⅱ類方案多一層碎石，同一交通量的費用增加10元／m2左右.但是，Ⅰ類方案抵抗荷載的能力較大，雖然成本稍高一些，對于30000～10000的累計軸載作用次數(shù)，建議采用Ⅰ類方案.

在同樣的荷載作用次數(shù)、最大荷載和混凝土強度等級的條件下，比較Ⅱ類和Ⅲ類兩種不同基層的結構組合方案，對于10000～1000次的累計軸載作用次數(shù)，采用Ⅲ類結構組合方案不但可以節(jié)省成本4～5元／m2，而且最大荷載應力更低，因此Ⅲ類方案更加合理.

Ⅲ類方案和Ⅳ類方案采用了相同的材料，但是它們的混凝土強度等級和最大荷載不一樣，而成本差別不大，因此建議1000～500的累計標準軸載作用次數(shù)采用Ⅲ類方案更加合理.

Ⅳ類方案和Ⅴ類方案采用了相同的混凝土強度等級和最大荷載，但是Ⅴ類方案沒有設置基層，Ⅳ類方案采用了級配碎石基層，可以發(fā)現(xiàn)Ⅴ類方案的成本稍低一些.針對500次以下的累計標準軸載作用次數(shù)，這類交通量極小的公路一般都是單車道的村道，甚至達不到四級公路的等級，在路基水文地質較好的情況下采用Ⅴ類方案比較合理.

經過上述分析，匯總得到針對不同的累計標準作用次數(shù)的水泥混凝土典型路面結構方案如表7所示.

表7 推薦的典型路面結構

5 結 語

近年來，湖南省的農村公路建設得到了很大發(fā)展，尤其是水泥混凝土路面由于具有施工方便和強度穩(wěn)定性高等優(yōu)點在農村公路得到了普遍應用.但是，我國交通部門的相關規(guī)范和標準對低交通量農村公路的路面設計缺乏針對性和實用性，在建設的過程中也沒有設計文件的指導，使得水泥混凝土路面設計和施工比較混亂.本文推薦的適應不同的交通荷載范圍的四種典型路面結構型式采用了當?shù)仄毡槭褂玫闹凡牧?，造價較低，路面型式簡單，施工方便，易為廣大農民群眾接受并推廣使用，不但可以減少政府對農村公路建設的巨大投入，而且可以規(guī)范低交通量農村公路路面的設計.

［1］ 中華人民共和國交通部.JTG D40－2011公路水泥混凝土路面設計規(guī)范［S］.北京：人民交通出版社，2010.

［2］ 尹 剛.輕交通量道路上土基等級的劃分［J］.中國水運，2007，（7）：72－73.

［3］ 文 靜.輕交通農村公路水泥混凝土路面結構研究［D］.西安：長安大學碩士論文，2008.

［4］ 袁承棟.低交通量道路典型路面結構的研究［D］.南京：東南大學碩士論文，2005.

［5］ 趙桂娟.低交通量道路技術標準與路面結構研究［D］.西安：長安大學碩士論文，2005.

［6］ 韓 輝.低交通量道路瀝青路面和水泥砼路面路面設計的研究［D］.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學碩士論文，2007.