城市快速路瀝青路面結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

吳曉雯

(深圳市市政工程咨詢中心有限公司，廣東 深圳 518000)

1 城市快速路路面應(yīng)用現(xiàn)狀調(diào)查研究

對于城市快速路面而言，應(yīng)具備較好的路面平整度以及使用性能等，各項指標均應(yīng)該符合安全使用標準，本文以某地區(qū)的城市快速路為例，詳細分析其瀝青路面的使用現(xiàn)狀。得出原路面平整度指數(shù)對比差異明顯，因此，為保證車輛行駛的安全性，應(yīng)采取有效措施進行路面結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(見表1)。

表1 不同路面原有結(jié)構(gòu)形式應(yīng)用現(xiàn)狀

2 城市快速路路面結(jié)構(gòu)性能預估

對于一般面路而言，大型貨車、集裝箱貨車、特大型貨車流動量大都會造成路面出現(xiàn)裂縫的情況，同時路面也會因貨車長時間出行而導致路面的韌性在不斷下降。在實際針對城市快速路路面結(jié)構(gòu)性能展開預估的過程中，需要充分帶入計算方式，具體計算方式如下

(1)

在(公式)中，Nf1代表的是Nf1為瀝青混合料層疲勞壽命，單位為軸次；εα代表的是瀝青混合料層層底拉應(yīng)變(10-6)；kT1代表是的溫度調(diào)整系數(shù)。當該地區(qū)城市快速路面層厚度為10 cm時，瀝青面層層底拉應(yīng)變?yōu)?.1×10-4；Ea為瀝青混合料20 ℃時的動態(tài)模量，MPa；VFA為瀝青混合料的飽和度(%)；ha為瀝青混合料層厚度單位為mm。

2.1 路面結(jié)構(gòu)車轍深度預估

①車轍深度預估模型。通過對瀝青層永久變形預估模型的實際構(gòu)建進行分析，總結(jié)并創(chuàng)建出車轍深度預估模型，用于開展實際的試驗評估。

通過開展車轍試驗，從而得出不同瀝青混合料下，路面的永久變形量，根據(jù)公式(2)以及公式(3)，進行分層永久變形量以及總變形量的計算。為保證實際的試驗結(jié)果，對車轍隆起以及變形偏差等情況進行考慮，引入綜合修正系數(shù)K。

(2)

(3)

如公式(2)、(3)所示：Rα表示永久變形量，單位為mm；Rαi表示分層i的永久變形量；單位為mm;K表示的是綜合修正系數(shù)；μ表示的是輪跡橫向分布系數(shù)，對于城市快速路而言，取0.45即可；T表示的是瀝青層永久變形等效溫度，通過試驗地區(qū)的氣溫狀況與地理位置等，T值取26.3 ℃；h0表示瀝青混合料層厚度，單位是mm，隨后通過公式(4)至公式(6)開展實際計算。

Ki=(C1+C2·Zi)·0.9731Zi

(4)

C1=-1.01×10-4ha2+9.79×10-2ha-17.342

(5)

C2=1.05×10-6ha2-2.686×10-3ha+1.079 8

(6)

如公式(4)、(5)、(6)所示：C1與C2表示常數(shù)，Zi表示參數(shù)。

②路面結(jié)構(gòu)車轍預估。

通過實際的計算，最終計算出道路瀝青層的各分層壓應(yīng)力，分別應(yīng)用P1、P2、P3、P4、P5進行表示，見表2。

表2 得出的P1、P2、P3、P4、P5值(MPa)

在表2中可見P1、P2、P3、P4、P5的實際值，隨后根據(jù)計算結(jié)果來選擇相應(yīng)的取值規(guī)則，由上至下的各類分層內(nèi)的深度取值主要分為：15 mm、30 mm、50 mm、70 mm、90 mm，同時可以將C1與C2的實際計算結(jié)果(C1=-7.912 4，C2=0.772 6)帶入至公式(3)中，這樣就可以得到5個分層永久變形修正系數(shù)值，見表3。

表3 Ki計算結(jié)果

③具體評價的標準研究。在實際針對永久變形的車轍深度，就需要根據(jù)路面車轍養(yǎng)護的實際標準來展開分析與研究，同時還需要根據(jù)規(guī)定的標準來實現(xiàn)且完善實際養(yǎng)護計劃。

3 基于有限元計算的路面結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

3.1 計算方案

根據(jù)實際調(diào)查結(jié)果顯示，城市快速路所采用的施工結(jié)構(gòu)屬于雙層面層結(jié)構(gòu)，其實際厚度為9～15 cm，這其中上面層的厚度約4 cm，下面層的厚度約5～11 cm。在實際針對城市快速路結(jié)構(gòu)方案展開研究的過程中，基于雙層面層結(jié)構(gòu)，可以通過采用多種路面層組合的方式來展開結(jié)構(gòu)設(shè)計，同時在實際設(shè)計的過程中可以充分運用Abaqus有限元來展開建模設(shè)計與計算。在本次計算的過程中，主要選取3種具有較高代表性的下面層厚度與對應(yīng)的下面層模量來展開建模。具體建模結(jié)構(gòu)層材料參數(shù)情況如表5所示。

表5 路面結(jié)構(gòu)層厚度及材料參數(shù)

根據(jù)載荷應(yīng)力等效原則，得出矩形均布荷載，矩形內(nèi)側(cè)邊緣的間距為12.8 cm，模型尺寸及網(wǎng)格劃分見圖1。

圖1 方案一最大水平拉應(yīng)力

水平力按豎向力乘0.7的系數(shù)計算，考慮最不利計算工況，將表1中瀝青路面層厚度、車輛荷載、混合料模量正交組合，得出子方案，方案一、二、三分別對應(yīng)下面層厚度為5 cm、6 cm、7 cm。

3.2 路面結(jié)構(gòu)力學響應(yīng)分析

經(jīng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，該地區(qū)干線路面主要病害為車轍，而剪應(yīng)力是導致車轍病害嚴重的主要因素。以圖1～圖3的最大剪切應(yīng)力隨下面層模量變化進行分析。

圖2 方案二最大水平拉應(yīng)力

圖3 方案三最大水平拉應(yīng)力

在垂直荷載與水平荷載的綜合作用下，會使路面結(jié)構(gòu)層承受較大的層間剪應(yīng)力，若在混合料抗剪強度之上，會出現(xiàn)車轍、擁包等不良問題。從3個方案可以看出，無論何種路面結(jié)構(gòu)組合形式，瀝青面層中最大剪應(yīng)力均隨下面層模量的增大持續(xù)增大；最大剪應(yīng)變均隨下面層模量的增加而降低，表明下面層模量的提高有利于改善城市快速路路面結(jié)構(gòu)抗變形能力，提升使用性能。

3.3 結(jié)構(gòu)層組合設(shè)計措施

道路結(jié)構(gòu)層組合存在較多的類型，現(xiàn)階段應(yīng)用較為廣泛的有以下幾種：第一種為混合式瀝青路面；第二種為全厚式瀝青路面；第三種為半剛性基層加瀝青路面；第四種為剛性基層+瀝青路面，實際選擇中，應(yīng)按照建設(shè)位置的地質(zhì)情況進行選擇，以上幾種路面結(jié)構(gòu)中半剛性基層加瀝青路面結(jié)構(gòu)是應(yīng)用最為廣泛的，其造價較為低廉，因為，半剛性基層幾乎承擔了路面的全部荷載，所以，路面的使用壽命與半剛層基層有著直接的關(guān)系。四種結(jié)構(gòu)層組合自身存在不同的優(yōu)勢與不足，如，對于全厚式瀝青路面而言，其選擇的瀝青穩(wěn)定材料具備較好的粘合性及彈性，這種材料形成的瀝青層，可對半剛性基層起到有效的保護作用，降低損傷情況的發(fā)生，提升了實際的使用壽命，同時，維修較為簡單、便捷，不過會有較高的造價成本。而對于第四種路面結(jié)構(gòu)形式，應(yīng)用到的是素混凝土或者鋼筋混凝土，與半剛性基層存在明顯的差異，其具備較好的道路承重性，不過因為混凝土的剛性大，往往會出現(xiàn)道路斷層開裂問題，在道路維護及人力投入上存在較高的成本。所以，要從建設(shè)位置的實際情況出發(fā)，進行結(jié)構(gòu)層組合的選擇，要同時考慮道路的穩(wěn)定性，還應(yīng)考慮成本支出問題。

3.4 結(jié)構(gòu)層厚度設(shè)計方案

根據(jù)基層材料性質(zhì)的不同，可劃分出不同的路面結(jié)構(gòu)類型，通?？煞譃橐韵聨追N：第一種路面結(jié)構(gòu)類型為水泥混凝土基層瀝青路面；第二種路面結(jié)構(gòu)類型為粒料類基層瀝青路面；第三種路面結(jié)構(gòu)類型為無機結(jié)合料穩(wěn)定類基層瀝青路面；第四種路面結(jié)構(gòu)類型為瀝青混合料基層瀝青路面， 可依據(jù)交通荷載等級做出實際的選擇。現(xiàn)階段，在我國城市快速路建設(shè)中，通常選擇較多的是瀝青混合材料的路面，對于路面承重能力的提高，往往通過提升路面回彈彎沉治及路面與土層拉力的方式實現(xiàn)，通過這種方式進行路面結(jié)構(gòu)的設(shè)計，會保證道路的穩(wěn)固性。需要以當?shù)氐膶嶋H情況選擇路面設(shè)計用到的材料，由于進行城市快速路修建的區(qū)域多雨潮濕，因此，通常會選擇新型組合式瀝青混凝土路面結(jié)構(gòu)。對于新型路面結(jié)構(gòu)而言，其組成部分包括：抗滑層、中面層、粘層、瀝青穩(wěn)定碎石層、級配碎石基層、水泥穩(wěn)定碎石底基層、下封層等，實際設(shè)計過程中，需要從實際情況出發(fā)，確定出最佳的設(shè)計方案。

3.5 瀝青路面防水設(shè)計措施

對于道路結(jié)構(gòu)排水而言，需要將重點放在以下內(nèi)容上：首先，路面滲水率的降低；其次，若路面結(jié)構(gòu)中有水滲入，應(yīng)及時的將其排出，以防止不良情況的出現(xiàn)。設(shè)計路面排水時，應(yīng)保持第一層具備良好的防水性，從而保證雨水不會滲透到道路下部結(jié)構(gòu)中，便于雨水的排出，此外，也可以選擇空隙大的瀝青碎石作為道路的基層材料，這一方式也會利于雨水的排出，不過長時間的滲入排水，不利于路基的使用壽命，為解決這一問題，需要將道路基層封閉，將瀝青薄膜鋪設(shè)于路面表層，并在；路段中間位置處進行排水溝的設(shè)計，可有效較少路面雨水，同時，也會保證下滲水的及時排出。若城市快速路處于軟土地基上，隨著使用時間的增加，會產(chǎn)生一定的沉降，所以，為使水順利排出，滿足設(shè)計規(guī)范的情況下應(yīng)設(shè)置較大的橫坡值。

4 總 結(jié)

綜上所述，在我國自身實力不斷增強的今天，道路建設(shè)行業(yè)得以突飛猛進的發(fā)展，這一環(huán)境下，如何提升市政道路施工質(zhì)量已經(jīng)成為各界關(guān)注的關(guān)鍵問題。瀝青混凝土技術(shù)應(yīng)用于市政道路中，一方面有效提升了道路的應(yīng)用性能，另一方面也在一定晨讀上提升了道路的整體強度，有效保證市政道路質(zhì)量的同時，還使車輛行駛更具安全性，所以，道路建設(shè)單位應(yīng)不斷強化瀝青路面的結(jié)構(gòu)設(shè)計，進而有效促進我國道路建設(shè)的可持續(xù)性發(fā)展。