港區(qū)重型荷載作用下全厚式瀝青鋪面設(shè)計

徐剛，袁靜波，唐乃膨

（1.中交第四航務(wù)工程勘察設(shè)計院有限公司，廣東 廣州 510230;

2.同濟大學道路與交通工程教育部重點實驗室，上海 201804）

港區(qū)重型荷載作用下全厚式瀝青鋪面設(shè)計

徐剛1，袁靜波1，唐乃膨2

（1.中交第四航務(wù)工程勘察設(shè)計院有限公司，廣東 廣州 510230;

2.同濟大學道路與交通工程教育部重點實驗室，上海 201804）

由于國內(nèi)重型荷載作用下瀝青鋪面的設(shè)計方法并不完善，通過對美國重型荷載作用下全厚式瀝青混凝土鋪面結(jié)構(gòu)的研究，介紹一種全厚式瀝青混凝土鋪面設(shè)計方法，為港區(qū)科學地進行全厚式瀝青混凝土鋪面設(shè)計提供一定的啟發(fā)和指導。

港口；全厚式瀝青鋪面；重型荷載

0 引言

瀝青鋪面在港區(qū)內(nèi)使用相對較少，從已有使用情況來看，瀝青鋪面對地基不均勻沉降適應(yīng)性較好，行駛舒適，開放交通快，養(yǎng)護方便；主要問題是車轍嚴重及承載能力相對較低。

全厚式瀝青鋪面[1]是一種直接修筑在路基上的厚層瀝青混凝土鋪面結(jié)構(gòu)，非常適用于重載車輛。主要優(yōu)點是總厚度比常規(guī)半剛性基層的瀝青混凝土路面結(jié)構(gòu)更薄，可以減少疲勞裂縫產(chǎn)生的可能性，并使路面可能發(fā)生的破壞限制在路面結(jié)構(gòu)的表面層。當路面表面的破壞達到某一臨界水平時，只需更換或加鋪一層表面層即可，不需要大的結(jié)構(gòu)性重修或重建。全厚式瀝青混凝土鋪面的后期維護和使用成本比常規(guī)半剛性基層的瀝青混凝土路面大幅度降低。由于國內(nèi)港區(qū)重型荷載作用下瀝青鋪面設(shè)計方法不完善，本文介紹一種美國港區(qū)全厚式瀝青鋪面設(shè)計方法[2]。

1 設(shè)計基礎(chǔ)

本設(shè)計方法基于彈性層狀體系理論，該理論假定荷載作用下鋪面有2個關(guān)鍵的設(shè)計指標，分別為瀝青混凝土層底水平拉應(yīng)變 εt和路基頂面豎向壓應(yīng)變 εc，見圖 1。

圖1 全厚式瀝青鋪面拉壓應(yīng)變位置與方向Fig.1 Stretch-pressstrain position and direction of the fu ll-depth asphalt pavement

1.1 設(shè)計指標及方法

路基頂面的豎向壓應(yīng)變是路基永久變形指標，當瀝青混凝土模量較低時（對應(yīng)溫度較高），路基頂面豎向壓應(yīng)變將作為控制指標；而當瀝青混凝土模量較高時（對應(yīng)溫度較低），瀝青層底水平拉應(yīng)變將作為控制指標，尤其是在重復荷載的條件下[3]。

針對港口的重型荷載情況，荷載重復作用次數(shù)相對較少。基于水平拉應(yīng)變指標設(shè)計出的鋪面厚度通常小于豎向壓應(yīng)變設(shè)計出的鋪面厚度。因此，為了簡化設(shè)計方法，只選取路基頂面豎向壓應(yīng)變作為設(shè)計指標。

設(shè)計方法基于“多輪組車輛荷載轉(zhuǎn)化為等效單輪荷載”理念。等效單輪荷載用于設(shè)計鋪面厚度，鋪面厚度設(shè)計同時還需要考慮輪胎接地壓力、荷載大小、輪距、土基強度及鋪面材料參數(shù)等。

1.2 荷載類型

本設(shè)計方法針對3種類型：單輪荷載，雙輪荷載，多輪荷載。設(shè)計基于圓形荷載作用假設(shè)，設(shè)計過程中需要考慮當量圓半徑（a），當量圓半徑可以通過以下公式計算得到。

式中：area 為接地面積；P 為單輪荷載，kN；p 為輪壓，kPa；

單輪荷載設(shè)計方法相對簡單，僅需要考慮輪載大?。≒），輪胎接地壓力（p）以及輪胎接地當量圓半徑（a）。輪胎類型是否能當作單輪問題來處理，取決于設(shè)計車輛的輪距，若輪距大于當量圓半徑（a）的 8 倍，可按單輪荷載進行設(shè)計；若輪距小于當量圓半徑的8倍，應(yīng)按雙輪荷載或多輪荷載進行設(shè)計。雙輪荷載和多輪荷載可換算成等效單輪荷載來計算。

1.3 基本設(shè)計分析過程

設(shè)計流程如圖 2 所示，其中，TA為全厚式瀝青鋪面層厚度。

2 單輪荷載設(shè)計

單輪荷載設(shè)計主要根據(jù)土基模量 Mr、荷載作用次數(shù)、輪胎接地壓力、氣候條件，直接查表或圖確定設(shè)計厚度。例如日平均溫度 t≤ 13 ℃，荷載作用次數(shù)為 10 000 次時，可查閱圖 3。同時注意這里查圖得到的是 TA/a，鋪面設(shè)計厚度需要再乘以當量圓半徑 a，即 TA=（TA/a）× a。

圖2 設(shè)計流程圖Fig.2 Design flow chart

圖3 設(shè)計 TA/a值（t≤13 ℃，荷載作用 10 000 次）Fig.3 The designed paving thicknessvalue TA/a(t≤13 ℃, loads10 000 tim es)

3 雙輪荷載設(shè)計

3.1 設(shè)計思路

雙輪荷載下的鋪面厚度設(shè)計的主要思路為：尋找能用于圖3的等效單輪荷載，從而確定鋪面厚度。

3.2 允許單輪荷載設(shè)計曲線

首先確定土基回彈模量 Mr及輪胎接地壓力p，利用單輪荷載設(shè)計方法確定 TA/a。選取一組單輪荷載 P，其取值從單輪最大荷載到 0.6 倍的車輛總重。依據(jù)式（1）確定與每個荷載 P對應(yīng)的當量圓半徑 a，按公式 TA= （TA/a）× a 計算得到 與每個 荷載 P對應(yīng)的鋪面設(shè)計厚度，繪制 P與 TA的關(guān)系圖，即允許單輪荷載曲線 （如圖 4）。

圖4 允許單輪荷載與等效單輪荷載設(shè)計曲線Fig.4 Design curvesof the allowed and equivalent single wheel loads

3.3 等效單輪荷載設(shè)計曲線

等效單輪荷載設(shè)計曲線通過如下步驟繪制：

1） 確定雙輪組的輪距 D；

2） 確定雙輪組的輪距系數(shù) （D/a）；

3） 選取一系列 TA/a值，確定荷載系數(shù) L 的范圍 （圖 5）。一般 TA/a值從 1.0 到 4.0，即可滿足設(shè)計要求；

圖5 雙輪荷載系數(shù)LFig.5 Doub lewheel load coefficient L

4） 計算所選 TA/a值 下的等效單輪荷載 Pe，Pe=2P/L；

5） 計算所選 TA/a值下的 TA=（TA/a）× a；

6） 繪制步驟 4）、5）中的 Pe和 TA曲線圖（圖 4）。

3.4 鋪面厚度

鋪面設(shè)計厚度通過允許單輪荷載設(shè)計曲線與等效單輪荷載設(shè)計曲線的交點即可求得。

4 多輪荷載設(shè)計

多輪荷載下的鋪面厚度設(shè)計與雙輪荷載類似，不同之處在于確定多輪組問題的相互影響。為獲取 Pe與 TA的關(guān)系曲線，需要應(yīng)用雙層彈性系統(tǒng)的路基頂面撓度因子。距荷載中心距離為 r的任意一點的撓度Δ可由下式算得：

式中：p 為輪胎接地壓力， kPa；a 為輪胎接地當量圓半徑，mm；Mr為土基回彈模量，kPa；F 為路基頂面撓度因子，該因子表征 TA/a與徑向偏移比（r/a）之間的函數(shù)關(guān)系，可直接查表獲得。

根據(jù)疊加理論，任一多輪荷載在任意一點的總撓度變形等于所有單輪荷載在該點產(chǎn)生的撓度變形的總和。

利用路基頂面撓度因子來計算多輪荷載的等效單輪荷載是基于如下假設(shè)：等效單輪荷載產(chǎn)生的最大撓度變形與多輪荷載產(chǎn)生的最大撓度變形相等。

5 結(jié)語

通過對美國重型荷載作用下全厚式瀝青混凝土鋪面結(jié)構(gòu)設(shè)計方法的研究，介紹一種全厚式瀝青混凝土鋪面設(shè)計方法，為港區(qū)科學地進行全厚式瀝青混凝土鋪面設(shè)計提供一定的啟發(fā)和指導作用。

[1]MS-11,Full-depth asphaltpavements for air carrierairports[S].

[2]MS-23,Thickness design-asphaltpavements for heavy wheel loads [S].

[3] MS-1,Thickness design-asphalt pavements for highways and streets[S].

Design of full-depth asphalt pavement for heavy wheel loads in port area

XUGang1,YUAN Jing-bo1,TANGNai-peng2
（1.CCCC-FHDIEngineering Co.,Ltd.,Guangzhou,Guangdong 510230,China;2.Key Laboratory of Road&Traffic EngineeringofMinistry of Education,TongjiUniversity,Shanghai201804,China）

As asphalt pavement designmethod for heavy wheel loads is not yet perfect in China,this paper introduces a fulldepth asphaltpavementdesignmethod for heavywheel loadsbased on analysisof the pavement structure developed by America. Thismethod can provide inspiration and guidance for the pavementdesign in portarea.

port;full-depth asphalt pavement;heavy wheel loads

U655.5

A

2095-7874（2014）10-0047-03

10.7640/zggw js201410013

2014-04-08

徐剛 （1983 — ），男，廣東廣州市人，碩士，高級工程師，土木工程專業(yè)。E-mail:461068444@qq.com