山嶺重丘區(qū)公路路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

馬學(xué)勤

（原陽(yáng)縣公路管理局，河南 新鄉(xiāng) 453500）

1 引言

河南省境內(nèi)焦作至新鄉(xiāng)二級(jí)公路K3+500-K6+500 段，地處山嶺重丘區(qū)，地勢(shì)起伏、地形復(fù)雜。該路段設(shè)計(jì)車(chē)速為80km/h，設(shè)計(jì)使用年限12 年。 該路段沿線(xiàn)為松散黏性土與砂土互層，地下水位2.5m，為松散巖類(lèi)孔隙水，年平均降水量696mm。

2 路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本段道路設(shè)計(jì)為二級(jí)公路，依據(jù)規(guī)范應(yīng)選擇高級(jí)路面。 瀝青混凝土高級(jí)路面具有施工進(jìn)度快、便于養(yǎng)護(hù)、修補(bǔ)和易于分期施工等優(yōu)點(diǎn)。 水泥混凝土高級(jí)路面則具有強(qiáng)度高、經(jīng)久耐用、穩(wěn)定性強(qiáng)、平整度和粗糙度好等優(yōu)點(diǎn)。 但是考慮到本工程要求工期短、易就地取材和便于養(yǎng)護(hù)等實(shí)際，設(shè)計(jì)采用瀝青混凝土路面。

瀝青路面在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)， 一般選擇基于雙圓均布垂直載荷的彈性層狀連續(xù)體理論，計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖1 所示。

圖1 路面荷載計(jì)算示意圖

以路面回彈彎沉值為指標(biāo)， 驗(yàn)算瀝青混凝土層底拉應(yīng)力或半剛性材料層底拉應(yīng)力作為二級(jí)公路路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的依據(jù)。本段路面設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)軸載為雙輪組單軸載100KN。

(1) 當(dāng)驗(yàn)算瀝青層底拉應(yīng)力時(shí)

各級(jí)軸載可按下式計(jì)算：

式中：N-標(biāo)準(zhǔn)軸載的當(dāng)量軸次，次/天；ni-各級(jí)軸載作用次數(shù)，次/天；P-標(biāo)準(zhǔn)軸載，KN；Pi-各級(jí)軸載，KN；C1-軸載系數(shù)；C2-輪組系數(shù)；k-被換算車(chē)輛類(lèi)型數(shù)。

(2)當(dāng)驗(yàn)算半剛性材料層底拉應(yīng)力時(shí)

各級(jí)軸載可按下式計(jì)算：

根據(jù)本工程實(shí)際情況和規(guī)范中規(guī)定的二級(jí)公路要求，計(jì)算得知該路面在使用年限內(nèi)單個(gè)的車(chē)道累計(jì)標(biāo)準(zhǔn)軸次500 萬(wàn)次。 因此，設(shè)計(jì)采用雙層式結(jié)構(gòu)的瀝青混凝土，表面層為厚度60mm 的細(xì)粒式密級(jí)配瀝青， 下面層為厚度80mm 的中粒式密級(jí)配瀝青。 基層設(shè)計(jì)為厚度200mm 的水泥穩(wěn)定碎石，底基層設(shè)計(jì)為厚度180mm 的石灰穩(wěn)定土底。 路面結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 路面結(jié)構(gòu)示意圖

3 設(shè)計(jì)參數(shù)驗(yàn)算

3.1 土基回彈模量設(shè)計(jì)

本路段路基土為中濕的黏性土， 根據(jù) 《規(guī)范》(JTG D50-2006)查得路基平均稠度為1.05，進(jìn)而可得土基回彈模量設(shè)計(jì)值為41.5MPa。

3.2 抗壓模量計(jì)算

根據(jù)本段工程地質(zhì)參數(shù)及實(shí)際施工參數(shù)， 查規(guī)范得驗(yàn)算設(shè)計(jì)彎沉?xí)r20℃抗壓回彈模量和驗(yàn)算面底彎拉應(yīng)力時(shí)15℃抗壓模量，如表1 所示。

3.3 設(shè)計(jì)彎沉值計(jì)算

設(shè)計(jì)彎沉值按下式計(jì)算：

式中：ld-設(shè)計(jì)彎沉值，取0.01mm；Ne-設(shè)計(jì)年限內(nèi)一個(gè)車(chē)道累計(jì)當(dāng)量軸次；Ac-公路等級(jí)系數(shù)， 二級(jí)公路為1.1；As-面層類(lèi)型系數(shù)，瀝青混凝土面層為1.0；Ab-基層類(lèi)型系數(shù)，半剛性基層Ab=1.0。

本路段設(shè)計(jì)為瀝青混凝土面層二級(jí)公路， 取Ac=1.1，As=1.0，Ab=1.0，代入公式(3)得：ld=27.4383(0.01mm)。

3.4 容許拉應(yīng)力計(jì)算

瀝青混凝土面層、半剛性材料基層、底基層按彎拉應(yīng)力為設(shè)計(jì)指標(biāo)時(shí)，材料的容許拉應(yīng)力σR按下式計(jì)算：

式中：σR-材料容許拉應(yīng)力，MPa；σR-材料極限抗拉強(qiáng)度，MPa；KS-抗拉強(qiáng)度結(jié)構(gòu)系數(shù)。

無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定細(xì)粒土的抗拉強(qiáng)度結(jié)構(gòu)系數(shù)， 按下式計(jì)算：

本路段底基層材料為石灰穩(wěn)定土， 其抗拉強(qiáng)度結(jié)構(gòu)系數(shù)按(5)式計(jì)算為：KS=2.232。

代入式(4)計(jì)算得容許拉應(yīng)力：σR=0.112MPa。

綜上所述，路面各設(shè)計(jì)參數(shù)如下表1 所示。

表1 路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)

式中：F-彎沉綜合修正系數(shù)；ls-路面計(jì)算彎沉值，0.01mm；p-輪胎接地壓強(qiáng)，MPa；δ-輪胎當(dāng)量圓半徑，cm；ac-理論彎沉系數(shù)；E0、En-土基回彈模量值，Mpa；E1,E2,En-1-各層材料回彈模量，Mpa；hi-各結(jié)構(gòu)層厚度，cm。

根據(jù)表1 中及其它設(shè)計(jì)參數(shù)， 計(jì)算得路面實(shí)際彎沉值為26.27(0.01mm)，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

3.5 層底拉應(yīng)力驗(yàn)算

層底拉應(yīng)力取以單圓中心B 點(diǎn)或雙圓輪隙中心C 點(diǎn)二者之間較大值作為層底拉應(yīng)力計(jì)算點(diǎn)，層底最大拉應(yīng)力為：

根據(jù)設(shè)計(jì)計(jì)算參數(shù)可計(jì)算得石灰土底基層底面最大拉應(yīng)力為0.096MPa，小于容許應(yīng)力0.112MPa。 因此，路面厚度設(shè)計(jì)滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)河南焦作至新鄉(xiāng)山嶺重丘區(qū)二級(jí)公路路面的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以得到：

(1)考慮到本設(shè)計(jì)路段要求工期短、易就地取材和便于養(yǎng)護(hù)等實(shí)際，設(shè)計(jì)采用瀝青混凝土高級(jí)路面。

(2)設(shè)計(jì)采用雙層式瀝青混凝土面層結(jié)構(gòu)，表面層為厚度60mm 的細(xì)粒式密級(jí)配瀝青， 下面層為厚度80mm 的中粒式密級(jí)配瀝青；基層設(shè)計(jì)為厚度200mm 的水泥穩(wěn)定碎石，底基層設(shè)計(jì)為厚度180mm 的石灰穩(wěn)定土底，可滿(mǎn)足道路設(shè)計(jì)要求。

(3)經(jīng)驗(yàn)算，路面彎沉和厚度符合要求，可為其它山嶺重丘地區(qū)公路路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供有益參考。

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