重載道路路面的優(yōu)化設(shè)計(jì)分析及研究

周毅

摘要 文章以國能新疆準(zhǔn)東煤田廠區(qū)道路工程路面設(shè)計(jì)作為切入點(diǎn)，簡要敘述重載道路路面的交通特點(diǎn)、常見損害問題。并從多方面著手，詳細(xì)闡述重載道路路面的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法與需要注意的問題事項(xiàng)。旨在進(jìn)一步提高重載道路設(shè)計(jì)水準(zhǔn)，滿足實(shí)際交通需要，維持重載道路在全壽命周期內(nèi)的良好路況。

關(guān)鍵詞 重載道路;路面設(shè)計(jì);優(yōu)化設(shè)計(jì)

中圖分類號 U416.2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 2096-8949（2022）05-0070-03

0 引言

近年來，隨著國民經(jīng)濟(jì)的蓬勃發(fā)展，重載道路的行車數(shù)量與載重量均呈現(xiàn)出逐年穩(wěn)步增加態(tài)勢，早期建成重載道路在使用期間出現(xiàn)疲勞開裂、水損壞、土基變形等質(zhì)量問題，危及交通安全[1]。因此，該文以國能新疆準(zhǔn)東煤田廠區(qū)道路工程為研究對象，研究路面常見的損害問題，并分析了路面設(shè)計(jì)方法。

1 重載道路路面概述

1.1 工程概況

國能新疆準(zhǔn)東煤田廠區(qū)道路工程，車輛類型：礦山專用卡車（限重40 t），路面類型：鋼筋混凝土路面。重載道路有著車輛荷載等級高、主要通行三軸及以上車型貨車、荷載范圍在10～40 t、交通量相對較小、車輛行駛速度慢、鮮有小型車輛通過的交通特點(diǎn)，使得常規(guī)道路路面設(shè)計(jì)方法在重載道路工程中缺乏適用性[2]。同時(shí)，根據(jù)已建成重載道路投運(yùn)使用情況來看，近年來，重載道路的行車數(shù)量和載重量不斷增加，雖然荷載范圍在10～40 t，但絕大多數(shù)通行車輛的載重量普遍在30 t以上，一些路段交通量飽和度始終維持在0.8及以上，且部分超載貨車的載重量高達(dá)100～200 t，對重載道路的路面性能提出較高要求，需要設(shè)計(jì)一定比例的冗余性能，以應(yīng)對貨車超載等突發(fā)問題，避免重載道路在使用期間頻繁出現(xiàn)路基變形、路面開裂等質(zhì)量缺陷。道路工程車輛情況表1，道路交通情況見表2。

行駛方向分配系數(shù)：.5;

車道分配系數(shù)：1;

輪跡橫向分布系數(shù)：.35;

設(shè)計(jì)軸載：100 kN;

最重軸載：200 kN;

路面的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期：20 年;

設(shè)計(jì)車道使用初期設(shè)計(jì)軸載日作用次數(shù)：327 680;

設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期內(nèi)設(shè)計(jì)車道上設(shè)計(jì)軸載累計(jì)作用次數(shù)：1.132858E+09;

路面承受的交通荷載等級：特重交通荷載等級;

混凝土彎拉強(qiáng)度：5 MPa;

混凝土彈性模量：31 000 MPa;

混凝土面層板長度：5 m;

地區(qū)公路自然區(qū)劃：Ⅵ;

面層最大溫度梯度：89 ℃/m;

接縫應(yīng)力折減系數(shù)：1;

混凝土線膨脹系數(shù)：10 10-6/℃。

1.2 水泥混凝土路面常見損害問題分析

煤田廠區(qū)道路投運(yùn)使用期間，由于大型重載汽車數(shù)量多，常出現(xiàn)質(zhì)量通病，影響道路使用功能正常發(fā)揮和縮短道路使用壽命，常見的路面損害問題包括唧泥、錯(cuò)臺、裂縫、角隅斷裂及持久性腐蝕等等[3]。其中，唧泥病害是路面細(xì)粒材料受到上部荷載影響而在裂縫以及接縫部位同水向外噴出，在周邊區(qū)域形成污跡，長此以往，會造成路面基礎(chǔ)脫空的嚴(yán)重后果。裂縫病害是在水泥混凝土路面上形成沿縱向、斜向或是橫向發(fā)育的裂縫，如路面板在高溫條件下于邊緣部位形成脹裂，因地基沉降而形成沉降裂縫，因承受過重上部荷載而形成超載裂縫。錯(cuò)臺通病表現(xiàn)為水泥混凝土路面裂縫或是接縫部位周邊形成臺階，高差不超過10 mm時(shí)為輕微錯(cuò)臺，高差大于20 mm時(shí)為嚴(yán)重錯(cuò)臺，形成原因包括細(xì)集料含量偏高、高壓水反復(fù)沖刷基層表面。角隅斷裂表現(xiàn)為在路面上形成一個(gè)豎直貫通整體板厚的裂縫面，產(chǎn)生原因包括角隅應(yīng)力過高、基礎(chǔ)塑性變形持續(xù)累積。持久性腐蝕病害表現(xiàn)為在局部路面處形成長條形或圓形黃色水跡，常見于水泥混凝土路面投入使用一段時(shí)間后，出現(xiàn)成因在于混凝土碳化程度過高，限制混凝土自身抗腐蝕性能的發(fā)揮，難以在混凝土表面形成穩(wěn)定的鈍化膜?？佣床『Ρ憩F(xiàn)為水泥混凝土路面上分布一處或多處直徑為2～10 cm、深度為1～5 cm的小坑，形成原因包括使用離析混凝土材料、搗固不良、承受過大上部行車荷載等。而板塊活動病害表現(xiàn)為路面板出現(xiàn)整體性的下沉或是翹起情況，形成原因?yàn)槌惺苓^大上部車輛荷載。

2 重載道路路面的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法

2.1 交通分析與參數(shù)計(jì)算

考慮到不同重載道路的使用要求、交通量飽和度、行車數(shù)量與載重量存在明顯差異，對路面結(jié)構(gòu)性能要求不一致[4]。因此，為保證路面設(shè)計(jì)方案具備可行性，切實(shí)滿足重載道路使用需要，避免產(chǎn)生過多冗余性能而增加不必要的造價(jià)成本。在路面設(shè)計(jì)工作開展前，需要全面收集、分析工程資料，了解重載道路的交通情況，在其基礎(chǔ)上計(jì)算重載道路使用期內(nèi)年平均當(dāng)量軸次增長率、方向系數(shù)等交通參數(shù)，以及為彎沉值、彎拉應(yīng)力、軸載換算等指標(biāo)參數(shù)的設(shè)定提供信息支持。

該項(xiàng)目為國能新疆準(zhǔn)東煤田廠區(qū)道路工程，路面多為重型礦用卡車，對于重載道路路面設(shè)計(jì)時(shí)，必須加強(qiáng)對道路交通問題的分析。其中，交通資料分析范圍包括重載道路設(shè)計(jì)年限、車輛橫向分布系數(shù)、車道特征、設(shè)計(jì)年限內(nèi)交通量平均增長率、同類項(xiàng)目重載道路運(yùn)營情況、各處路段年平均日交通量、車輛軸載等，根據(jù)交通分析結(jié)果來確定重車方向，規(guī)劃輕車道路和重車道路。長期觀察多處代表路段的交通狀況，結(jié)合周邊城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平、發(fā)展規(guī)劃方案，判斷重載道路的交通量增長規(guī)律，綜合分析軸載譜內(nèi)代表性與其他非代表性車型的增長規(guī)律，換算重載道路累計(jì)軸載次數(shù)增長情況，經(jīng)過多次換算后，確定重載道路在設(shè)計(jì)年限內(nèi)的年平均當(dāng)量軸次增長率。根據(jù)交通分析結(jié)果來計(jì)算方向系數(shù)，用于判斷重載道路特定方向累計(jì)當(dāng)流量軸次在總體當(dāng)流量軸次中占據(jù)的比例，表明對應(yīng)方向通行車輛對重載道路起到的作用。而方向系數(shù)的計(jì)算依據(jù)為各方向車輛荷載和對重載道路施加的作用，如在全部方向車輛荷載完全一致時(shí)，將方向系數(shù)取值設(shè)定為1。

2.2 軸載換算

在軸載換算環(huán)節(jié)，根據(jù)項(xiàng)目情況來設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)軸載及最重軸載，以基層彎沉作為控制指標(biāo)，以及把失效判定標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置為混凝土面層彎拉強(qiáng)度，使用相應(yīng)計(jì)算公式，在公式內(nèi)導(dǎo)入車道系數(shù)、標(biāo)準(zhǔn)軸載當(dāng)次軸次、各級被換算車型軸載、輪組系數(shù)等參數(shù)，用于換算標(biāo)準(zhǔn)軸載，在以基層彎沉值、面層最大綜合應(yīng)力等作為指標(biāo)時(shí)的計(jì)算公式有所不同。

2.3 路面材料參數(shù)設(shè)計(jì)

在該項(xiàng)目中，擬建單層水泥混凝土路面，中級變異等級，選用鋼筋混凝土面層，綜合分析面層厚度、路面材料層厚度與半剛性基層性能要求等因素，并考慮項(xiàng)目“荷載重、交通量小”的特點(diǎn)，最終采用雙層基層設(shè)計(jì)方案。上基層優(yōu)先選用半剛性的無機(jī)水泥穩(wěn)定粒料類材料，下基層選用柔性的級配碎石材料。與此同時(shí)，嚴(yán)格遵循《公路工程無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E51—2009）等規(guī)范文件，采取頂面法來測定基層材料的模量，在公式中導(dǎo)入單位壓力、試件回彈變形和試件高度數(shù)值來計(jì)算，將基層材料與底基層材料的單位壓力值設(shè)定為0.5～0.7 MPa和0.2～0.4 MPa，根據(jù)計(jì)算結(jié)果、路面厚度與重載道路組合特征來確定基層材料參數(shù)指標(biāo)要求。

在選用水泥穩(wěn)定粒料時(shí)，彈性模量在7 000～14 000 MPa范圍內(nèi);而在選用級配碎石時(shí)，回彈模量在300～700 MPa范圍內(nèi)。同時(shí)需要注意，將無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定類材料彈性模量應(yīng)乘以結(jié)構(gòu)層模量調(diào)整系數(shù)0.5。土基材料可選用剛性承載板法來測定各類土基材料的模量值，在公式中導(dǎo)入各級壓力值、回彈變形量、回彈模量與路基泊松比來計(jì)算模量值，將路基泊松比取值為0.35即可。隨后，根據(jù)模量值計(jì)算結(jié)果來選擇土基材料種類、設(shè)計(jì)路面結(jié)構(gòu)厚度?；▔|）層類型——新建公路路基上修筑的基（墊）層（如表3所示）。

板底地基當(dāng)量回彈模量 ET=110 MPa

中間計(jì)算結(jié)果（如表4所示）：

混凝土面層荷載疲勞應(yīng)力：3.35 MPa;

混凝土面層溫度疲勞應(yīng)力：.07 MPa;

考慮可靠度系數(shù)后混凝土面層綜合疲勞應(yīng)力：3.76 MPa （小于或等于面層混凝土彎拉強(qiáng)度）;

混凝土面層最大荷載應(yīng)力：1.96 MPa;

混凝土面層最大溫度應(yīng)力：.67 MPa;

考慮可靠度系數(shù)后混凝土面層最大綜合應(yīng)力：2.89 MPa （小于或等于面層混凝土彎拉強(qiáng)度）;

滿足路面結(jié)構(gòu)極限狀態(tài)要求的混凝土面層設(shè)計(jì)厚度：350 mm;

驗(yàn)算路面結(jié)構(gòu)層防凍厚度： 路面結(jié)構(gòu)層最小防凍厚度500 mm，新建基（墊）層總厚度750 mm;

驗(yàn)算結(jié)果表明，路面總厚度滿足路面結(jié)構(gòu)層防凍厚度要求（如表5所示）。

竣工驗(yàn)收彎沉計(jì)算：

新建基（墊）層的層數(shù)：3;

測定車后軸軸重：100kN;

第1層頂面交工驗(yàn)收彎沉值LS= 24.4（0.01 mm）（根據(jù)2006版“公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范”有關(guān)公式計(jì)算）;

第2層頂面交工驗(yàn)收彎沉值LS=89（0.01 mm）（根據(jù)2006版“公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范”有關(guān)公式計(jì)算）;

第3層頂面交工驗(yàn)收彎沉值LS=139.4（0.01 mm）（根據(jù)2006版“公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范”有關(guān)公式計(jì)算）;

路基頂面交工驗(yàn)收彎沉值LS=129.4（0.01 mm）（根據(jù)2006版“公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范”有關(guān)公式計(jì)算），LS=168.5（0.01 mm）（根據(jù)“公路路面基層施工技術(shù)規(guī)范”有關(guān)公式計(jì)算）。

2.4 路面厚度設(shè)計(jì)

在路面厚度設(shè)計(jì)時(shí)，以彎沉值、路面結(jié)構(gòu)類型、材料種類及環(huán)境適應(yīng)特性作為設(shè)計(jì)依據(jù)，依次對彎拉應(yīng)力和車轍等參數(shù)加以驗(yàn)算，判斷所選路面結(jié)構(gòu)類型是否合理，必要時(shí)對路面結(jié)構(gòu)層次加以調(diào)整。確定路面結(jié)構(gòu)組合排列方案后，選用試算法來計(jì)算各面層厚度容許范圍，反復(fù)開展仿真試驗(yàn)來確定最佳路面厚度值，如根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果判斷設(shè)定不同路面厚度值時(shí)的荷載應(yīng)力、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與彈性模量是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求和滿足相關(guān)規(guī)范規(guī)定。

2.5 路面預(yù)防病害設(shè)計(jì)

在重載道路使用期間，受到上部車輛載荷、材料、環(huán)境侵蝕等因素影響，各類質(zhì)量病害時(shí)有出現(xiàn)，包括裂縫、斷板、龜裂等，嚴(yán)重破壞路面結(jié)構(gòu)，影響到路面結(jié)構(gòu)性能與使用壽命。因此，需要從設(shè)計(jì)角度著手，預(yù)防和減少質(zhì)量病害形成，保障道路結(jié)構(gòu)質(zhì)量[5]。例如，針對表層裂縫病害，產(chǎn)生原因在于配合比設(shè)計(jì)不當(dāng)，包括外加劑摻量過多、水泥用量超標(biāo)等，需要對配合比方案進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，分別將碎石含泥量和砂含泥量控制在1%、3%以內(nèi)，并通過增大板面設(shè)計(jì)厚度來減輕上部行車荷載對路面造成的影響。針對斷板病害，需要對配合比方案中的原材料用量、骨料級配、外加劑種類、水泥品種進(jìn)行調(diào)整，將水泥與礫石的單位用量控制在170 kg/m3與160 kg/m3以內(nèi)，使用粒徑不超過40 mm的連續(xù)級配粗骨料，使用微膨脹劑或是高效減水劑作為外加劑，使用42.5普通硅酸鹽水泥。而對于基層裂縫問題，可選擇在重載路面的縱橫向接縫處填充適量填料，使用氯丁橡膠作為填料，起到改善路面板粘結(jié)效果、有效適應(yīng)路面板收縮的作用。

3 結(jié)語

綜上所述，為突破傳統(tǒng)路面設(shè)計(jì)模式的局限性，滿足現(xiàn)代重載道路的設(shè)計(jì)要求及建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，最大限度延長道路使用壽命，預(yù)防路面損害和交通安全事故出現(xiàn)。設(shè)計(jì)人員應(yīng)加強(qiáng)對重載道路路面設(shè)計(jì)問題的深入研究，采取優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，根據(jù)工程實(shí)際情況對原有方案內(nèi)容加以改進(jìn)，保證道路路面安全。

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