季凍地區(qū)干線公路瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究

范 雪，袁其華

(吉林建筑大學(xué)城建學(xué)院，長(zhǎng)春 130111)

季凍地區(qū)干線公路瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究

范 雪，袁其華

(吉林建筑大學(xué)城建學(xué)院，長(zhǎng)春 130111)

根據(jù)季凍地區(qū)交通狀況和氣候條件等因素的調(diào)查分析，提出適宜在季凍地區(qū)干線公路使用的半剛性瀝青路面3層面層結(jié)構(gòu)、半剛性瀝青路面2層面層結(jié)構(gòu)和組合式基層瀝青路面結(jié)構(gòu)。利用我國(guó)路面設(shè)計(jì)程序PADS和BISAR路面計(jì)算程序?qū)Y(jié)構(gòu)方案進(jìn)行計(jì)算分析。計(jì)算數(shù)據(jù)表明，所提出的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)是安全的。

干線公路；瀝青路面結(jié)構(gòu)；計(jì)算分析

我國(guó)干線公路對(duì)于經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和建設(shè)起著至關(guān)重要的作用，但季凍地區(qū)干線公路瀝青路面存在早期病害十分嚴(yán)重的問(wèn)題，除了與干線公路修筑時(shí)設(shè)計(jì)和施工技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)相對(duì)較低及超載現(xiàn)象日益嚴(yán)重有關(guān)外，路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也是造成瀝青路面早期破壞的主要原因，這對(duì)于地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展十分不利[1]。所以，為了減少季凍地區(qū)干線公路瀝青路面早期病害情況的發(fā)生，針對(duì)路面結(jié)構(gòu)展開(kāi)進(jìn)一步的設(shè)計(jì)研究具有重要意義。本文以現(xiàn)行公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范為設(shè)計(jì)指導(dǎo)，以季凍地區(qū)的氣候、土質(zhì)、地質(zhì)、水文和交通狀況為設(shè)計(jì)條件，提出了3種合理的路面結(jié)構(gòu)形式，并且結(jié)構(gòu)方案通過(guò)了我國(guó)路面設(shè)計(jì)程序PADS和BISAR路面計(jì)算程序的驗(yàn)證。

1 路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案計(jì)算分析

1.1 路面結(jié)構(gòu)形式

根據(jù)我國(guó)季凍地區(qū)干線公路建設(shè)中的實(shí)際情況(包括土基強(qiáng)度、路用材料來(lái)源、交通量等)，全面考慮季凍地區(qū)的自然氣候條件對(duì)公路產(chǎn)生的影響，以我國(guó)現(xiàn)行的公路瀝青路面設(shè)計(jì)理論和設(shè)計(jì)規(guī)范為指導(dǎo)，同時(shí)綜合已有試驗(yàn)工程的使用情況，本文提出3種路面結(jié)構(gòu)形式[2-3](表1)。

表1 季凍地區(qū)公路瀝青路面結(jié)構(gòu)形式匯總

1.2按照我國(guó)路面設(shè)計(jì)程序PADS進(jìn)行路面結(jié)構(gòu)分析

1)累計(jì)當(dāng)量軸次Ne。根據(jù)對(duì)季凍地區(qū)干線公路早期病害的分析和交通量的統(tǒng)計(jì)，再綜合已有試驗(yàn)路段的實(shí)際使用情況，3種結(jié)構(gòu)方案在通過(guò)我國(guó)路面設(shè)計(jì)程序PADS和BISAR路面計(jì)算程序進(jìn)行計(jì)算分析時(shí)，交通荷載選擇按重載交通上限累計(jì)軸載2 500萬(wàn)次/車(chē)道為計(jì)算參數(shù)[4-5]。

2)計(jì)算結(jié)構(gòu)(表2～4)。由于路基模量不均勻，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值，本文以路基模量35～55 MPa為代表值進(jìn)行驗(yàn)算。根據(jù)我國(guó)季凍地區(qū)干線公路的實(shí)際交通狀況和公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范推薦的各結(jié)構(gòu)層壓實(shí)厚度，選取滿足設(shè)計(jì)最小厚度要求的3種計(jì)算結(jié)構(gòu)的各層厚度。

表2 計(jì)算結(jié)構(gòu)1

表3 計(jì)算結(jié)構(gòu)2

表4 計(jì)算結(jié)構(gòu)3

3)計(jì)算結(jié)構(gòu)參數(shù)[6](表5)。

表5 按照我國(guó)設(shè)計(jì)方法的結(jié)構(gòu)參數(shù)

4)結(jié)構(gòu)彎沉計(jì)算結(jié)果。利用我國(guó)路面設(shè)計(jì)程序PADS進(jìn)行計(jì)算，得到的結(jié)構(gòu)彎沉結(jié)果見(jiàn)表6。

表6 PADS程序計(jì)算結(jié)果

從表6的PADS程序計(jì)算結(jié)果可以看出，3種路面計(jì)算結(jié)構(gòu)的彎沉指標(biāo)驗(yàn)算都能夠滿足要求。

1.3按照BISAR3.0路面計(jì)算程序進(jìn)行路面結(jié)構(gòu)分析

按照BISAR3.0路面計(jì)算程序進(jìn)行路面結(jié)構(gòu)分析時(shí)所用到的計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表7[7]。

表7 標(biāo)準(zhǔn)軸載計(jì)算參數(shù)

本文利用BISAR程序計(jì)算公路瀝青路面基層和底基層應(yīng)力時(shí)，以道路縱向?yàn)閄方向，道路橫向?yàn)閅方向，豎直方向?yàn)閆方向建立坐標(biāo)系，同時(shí)考慮到荷載具有對(duì)稱(chēng)性，故計(jì)算點(diǎn)取在兩輪荷載的中心和單輪輪心處[8]。應(yīng)力拉為正，壓為負(fù)。

針對(duì)3種計(jì)算結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)組合驗(yàn)算，BISAR路面計(jì)算程序的計(jì)算結(jié)果如圖1～6所示。

通過(guò)BISAR計(jì)算得出計(jì)算結(jié)構(gòu)1和計(jì)算結(jié)構(gòu)2的基層容許應(yīng)力及底基層容許應(yīng)力均為0.22 MPa；計(jì)算結(jié)構(gòu)3的基層容許應(yīng)力為0.29 MPa，底基層容許應(yīng)力為0.22 MPa。結(jié)合圖1～6可以得出，無(wú)論是哪種路面結(jié)構(gòu)，只要對(duì)應(yīng)的土基模量在35～55 MPa范圍內(nèi)，則基層和底基層層底應(yīng)力均小于容許應(yīng)力。同時(shí)從圖中可以看出，基層和底基層層底的應(yīng)力有隨土基模量增大而減小的趨勢(shì)。

圖1 計(jì)算結(jié)構(gòu)1的基層層底應(yīng)力

圖2 計(jì)算結(jié)構(gòu)1的底基層層底應(yīng)力

圖3 計(jì)算結(jié)構(gòu)2的基層層底應(yīng)力

圖4 計(jì)算結(jié)構(gòu)2的底基層層底應(yīng)力

圖5 計(jì)算結(jié)構(gòu)3的基層層底應(yīng)力

圖6 計(jì)算結(jié)構(gòu)3的底基層層底應(yīng)力

由于BISAR程序中回彈彎沉計(jì)算程序內(nèi)核沒(méi)有考慮彎沉綜合修整系數(shù)，因此，計(jì)算出的路表彎沉偏大，本文中路表彎沉是采用PADS程序計(jì)算的結(jié)果。3種路面結(jié)構(gòu)形式的彎沉和層底拉應(yīng)力通過(guò)PADS和BISAR路面計(jì)算程序驗(yàn)證得出的指標(biāo)均能滿足設(shè)計(jì)要求的結(jié)論，這表明本文所提出的結(jié)構(gòu)方案是可行的。

2 結(jié)語(yǔ)

1)根據(jù)季凍地區(qū)交通狀況和氣候條件等因素的調(diào)查分析，提出適宜在季凍地區(qū)干線公路使用的3種路面結(jié)構(gòu)形式，分別為3層瀝青面層+半剛性基層結(jié)構(gòu)、2層瀝青面層+半剛性基層結(jié)構(gòu)和2層瀝青面層+組合式基層結(jié)構(gòu)；

2)3種路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)均采用雙圓布垂直荷載作用下的彈性層狀連續(xù)體系理論，在進(jìn)行路面結(jié)構(gòu)組合設(shè)計(jì)時(shí)，為有效發(fā)揮各結(jié)構(gòu)層材料的效能，以面層、基層和墊層的層位功能為設(shè)計(jì)依據(jù)選取適宜的路用材料；

3)針對(duì)提出的3種路面結(jié)構(gòu)形式，分別運(yùn)用我國(guó)路面設(shè)計(jì)程序PADS和BISAR3.0路面計(jì)算程序進(jìn)行結(jié)構(gòu)彎沉和基層、底基層層底應(yīng)力的驗(yàn)算，計(jì)算結(jié)果均能滿足設(shè)計(jì)要求，證明本文所提出的結(jié)構(gòu)方案是可行的。建議季凍地區(qū)可根據(jù)當(dāng)?shù)氐膶?shí)際情況，選擇合適的路面結(jié)構(gòu)形式，從而提高公路服務(wù)水平和增加道路的使用壽命。

[1] 張明.湖區(qū)重載干線公路瀝青路面改建結(jié)構(gòu)適應(yīng)性研究[D].長(zhǎng)沙:長(zhǎng)沙理工大學(xué),2010.

[2] 丁海發(fā).東北地區(qū)高速公路瀝青路面典型結(jié)構(gòu)及路面材料指標(biāo)的研究[D].長(zhǎng)春:吉林大學(xué),2011.

[3] 沈金安.國(guó)外瀝青路面設(shè)計(jì)方法總匯[M].北京:人民交通出版社,2004.

[4] Brown SF,Thom NH,Sander PJ.A study of grid reinforced asphalt to combat reflection cracking[J].AAPT,2001,1(1):23-24.

[5] Strategic Highway Research Program National Research Council.SHRP-A-370 binder characterization and evaluation volume 4;test methods[R].Washington DC:Strategic Highway Research Program National Research Council,2004.

[6] 中華人民共和國(guó)交通部.JTG D50—2006公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京:人民交通出版社,2006.

[7] 戰(zhàn)高峰.公路路基路面工程[M].武漢:武漢理工大學(xué)出版社,2007:262-264.

[8]張明.中南地區(qū)干線公路瀝青路面改建結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究[J].吉林建筑大學(xué)學(xué)報(bào),2014,31(6):7-10.

TheStudyonStructuralDesigntoAsphaltPavementStructureonTrunkHighwayinSeasonalFrozenAreas

FAN Xue，et al.

(CollegeofUrbanArchitecture，JilinJianzhuUniversity，Changchun130111，China)

According to the investigation and analysis to the traffic conditions，climatic conditions and other factors in seasonal frozen area，this paper proposes the semi-rigid asphalt pavement of 3-tier surface structure，semi-rigid asphalt pavement of 2-tier surface structure，and asphalt pavement structure of combined base suitable for trunk highway used in seasonal frozen area.The structural schemes are calculated and analyzed by using the pavement design program PADS and road calculation procedure BISAR in China.The calculated data indicate that the proposed design structures are safe.

trunk highway；asphalt pavement structure；calculate and analyze

10.3969/j.issn.1009-8984.2017.03.006

2017-09-01

吉林建筑大學(xué)城建學(xué)院校級(jí)科碩項(xiàng)目(院科字[2015]007)吉林省教育廳“十三五”科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目(2016530)

范雪(1987-)，女(漢)，吉林梅河口，碩士 主要研究建筑材料性能。

U416.217

A

1009-8984(2017)03-0026-03