高速公路重載道路路面設(shè)計(jì)方法研究

何文進(jìn)、陳瑾

（江西贛北公路勘察設(shè)計(jì)院，江西 九江 332000）

0 引言

在高速公路重載道路路面設(shè)計(jì)的階段中，科學(xué)的設(shè)計(jì)方法是可以提高路面結(jié)構(gòu)性能的關(guān)鍵。因此，在設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)必須要注重重載道路路面設(shè)計(jì)方法的選擇，要確保設(shè)計(jì)效果達(dá)到項(xiàng)目的建設(shè)要求。

1 重載道路路面車輛荷載作用機(jī)理

車輛正常通行的情況下，輪胎給路面產(chǎn)生過大的沖擊和影響，產(chǎn)生輪壓的問題，通常情況下，輪壓與道路接觸面積越小，荷載產(chǎn)生的越大，產(chǎn)生的影響也是多方面的，主要是彎曲效應(yīng)、剪切效應(yīng)、疲勞效應(yīng)、車轍效應(yīng)方面，給道路帶來損壞問題。

1.1 彎曲效應(yīng)

車輛在道路上行駛，從整體的運(yùn)行路徑上看，屬于彎曲作用的情況，在路面彎曲作用之下，如果材料的性能不合格或者面層結(jié)構(gòu)厚度不合格，在荷載的持續(xù)作用之下，容易產(chǎn)生彎拉應(yīng)力超出承載性能的情況，極易出現(xiàn)道路底部發(fā)生開裂的問題；在道路的施工中，主要是通過靜力作用，在路面平整度不合格、車輛振動(dòng)等情況影響下，產(chǎn)生的沖擊反應(yīng)，重載條件下，上述作用變得更加的明顯，其給整個(gè)道路運(yùn)行產(chǎn)生很大的影響，極易發(fā)生病害問題。

1.2 疲勞效應(yīng)

從設(shè)計(jì)方案方面進(jìn)行分析，很多道路工程出現(xiàn)裂縫問題都與疲勞性能存在直接的關(guān)系，車輛反復(fù)加載、卸載的情況下，超出道路極限承載力的要求，極易產(chǎn)生裂縫的問題；道路存在持續(xù)性作用之下，產(chǎn)生損壞反應(yīng)，這是疲勞效應(yīng)發(fā)生的基礎(chǔ)，所以重載的影響之下軸載噸位增加，疲勞損壞的指數(shù)也會(huì)變得更加嚴(yán)重。

1.3 剪切推移效應(yīng)

車輛在行駛中，剎車、上下坡、轉(zhuǎn)彎等操作之下，會(huì)導(dǎo)致車輪給路面產(chǎn)生剪切推移的作用，尤其是重載條件之下，剪切推移會(huì)更加的嚴(yán)重，極易出現(xiàn)結(jié)構(gòu)層損害的問題，給道路表面造成較為嚴(yán)重的推移、擁包等病害，影響道路正常運(yùn)行，也會(huì)危害交通行駛安全性。

1.4 車轍效應(yīng)

瀝青路面的主要施工材料是瀝青材料，其高溫軟化性明顯，在受到高溫、車輛荷載的持續(xù)作用之下，極易發(fā)生車轍的病害問題，對(duì)于道路結(jié)構(gòu)造成很大的影響。

2 高速公路重載道路路面設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮的因素

2.1 交通特點(diǎn)

在高速公路重載道路設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，必須做好道路交通通行流量特點(diǎn)分析。從實(shí)際情況分析，重載交通通行路段中，車輛荷載等級(jí)較高的情況下，一般情況下，車輛車型為三軸及三軸以上的貨車，載重超出30t 以上，有些超載貨車甚至可以達(dá)到100～200t。雖然這些超載車占比不大，但是容易給道路造成損傷，易出現(xiàn)路面損壞的問題。重載道路荷載處于10～40t 范圍內(nèi)，且交通量較小，這些貨車的行駛速度都比較慢，所以道路上其他類型的車輛數(shù)量也比較少。

2.2 運(yùn)維情況

在重載道路路面設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)人員需要綜合分析重載交通路面的運(yùn)維具體狀況。我國(guó)的重載道路都處于經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的地帶，長(zhǎng)期通行，道路路基與路面存在邊坡失穩(wěn)、局部塌陷、路基沉陷等嚴(yán)重的問題，這種情況下，存在嚴(yán)重的損壞、坑洼、裂縫等病害問題。如果無法及時(shí)修復(fù)處理，會(huì)產(chǎn)生更為嚴(yán)重的病害問題，影響范圍持續(xù)性擴(kuò)大，給道路交通的運(yùn)行安全性、穩(wěn)定性產(chǎn)生不利的影響。

3 高速公路重載道路路面設(shè)計(jì)方法

高速公路重載道路的車輛荷載一般會(huì)超過常規(guī)車輛，所以在路面設(shè)計(jì)中，與普通道路會(huì)有明顯的差異。本文以實(shí)際的重載車輛特點(diǎn)分析為出發(fā)點(diǎn)，總結(jié)出一種合計(jì)方法，明確設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和要求，從而保證重載道路路面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度符合要求，防止車輛荷載作用下而產(chǎn)生嚴(yán)重的損壞問題。從目前來說，高速公路重載道路路面設(shè)計(jì)方法如下：

3.1 交通分析

在高速公路重載道路路面設(shè)計(jì)開始前，必須綜合分析該道路的交通量、車輛軸載等參數(shù)，準(zhǔn)確計(jì)算確定在使用壽命期間內(nèi)累計(jì)標(biāo)準(zhǔn)軸載次數(shù)與方向系數(shù)。彎沉等效公式、彎拉等效公式、車轍等效公式依次見式（1）～（3）：

式（1）～（3）中：、為車輛的軸數(shù)系數(shù)；、為車輛的輪組系數(shù)；為不同軸載的累計(jì)作用次數(shù)，其計(jì)算公式為：

式（4）中：為標(biāo)準(zhǔn)軸載條件下道路運(yùn)行初期累計(jì)作用次數(shù)；為當(dāng)量軸次增長(zhǎng)率，是道路常規(guī)車輛與重載車輛增長(zhǎng)率平均參數(shù)值；道路運(yùn)行時(shí)間。同時(shí)，設(shè)計(jì)人員還要具體分析當(dāng)前高速公路重載道路運(yùn)行狀況，結(jié)合具體的交通量與車輛分布特性，確定重載車輛的行駛方向，做好道路規(guī)劃設(shè)計(jì)，分析了解輕車道與重車車道，進(jìn)行不同方向設(shè)計(jì)，防止重載設(shè)計(jì)不能符合實(shí)際運(yùn)行情況，也不能過度提高承載力，否則性價(jià)比較差，綜合效益不足。

3.2 路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的階段中，當(dāng)確定路面系數(shù)之后需要按照路面結(jié)構(gòu)擬定的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)結(jié)合工程的施工要求，從路面彎沉值以及最大拉應(yīng)力層面上做好相應(yīng)材料的選擇以及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。綜合分析高速公路重載道路的特性，在具體的瀝青老結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，考慮到實(shí)際運(yùn)行的情況，選擇合適的路面結(jié)構(gòu)形式，保證各個(gè)層結(jié)構(gòu)的材料合格，結(jié)構(gòu)厚度符合運(yùn)行要求，以達(dá)到交通通行的標(biāo)準(zhǔn)要求?；诖耍O(shè)計(jì)人員還要考慮到項(xiàng)目運(yùn)行的具體情況，同時(shí)針對(duì)路面的彎沉值以及最大拉應(yīng)力參數(shù)要進(jìn)行計(jì)算，要根據(jù)計(jì)算結(jié)果選擇符合要求的路面結(jié)構(gòu)類型，一般來說在設(shè)計(jì)的過程中要根據(jù)路面結(jié)構(gòu)的層次，按照它的路面結(jié)構(gòu)需求選擇最標(biāo)準(zhǔn)的方式來達(dá)到設(shè)計(jì)方案的參數(shù)。就目前現(xiàn)狀而言，基底結(jié)構(gòu)的最佳施工材料，主要由二灰土、石灰土以及碎石灰土等材料組成。而對(duì)于基底層上部結(jié)構(gòu)使用的材料則是二次碎石、水泥碎石以及水穩(wěn)碎石等材料組成。因此，在路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的環(huán)節(jié)中，需要按照重載道路路面設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)選擇針對(duì)性的類型，這樣才能夠提高結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，以保證結(jié)構(gòu)性能合格，達(dá)到穩(wěn)固性標(biāo)準(zhǔn)。

3.3 路面厚度計(jì)算

在路面厚度計(jì)算的階段中，對(duì)于路面彎沉設(shè)計(jì)的參數(shù)要給予高度的重視，明確具體的路面結(jié)構(gòu)厚度參數(shù)，然后利用彎拉應(yīng)力、車轍等數(shù)據(jù)作為參考進(jìn)行驗(yàn)算，檢驗(yàn)路面結(jié)構(gòu)與形式是否達(dá)到合理性要求，如果滿足要求，完成設(shè)計(jì)過程。如果發(fā)現(xiàn)不合格，要及時(shí)地調(diào)整路面結(jié)構(gòu)的厚度以及相關(guān)參數(shù)，并且在設(shè)計(jì)的過程中根據(jù)試算的方法開展設(shè)計(jì)。首先，設(shè)計(jì)時(shí)要對(duì)各個(gè)結(jié)構(gòu)層的厚度容許范圍進(jìn)行明確，在掌握相關(guān)參數(shù)的基礎(chǔ)上，確定出最佳的厚度標(biāo)準(zhǔn)，主要按照下述流程完成：結(jié)合路面結(jié)構(gòu)形式，明確各個(gè)基層類型與路面結(jié)構(gòu)原材料，進(jìn)行路面結(jié)構(gòu)厚度的初步分析，而后結(jié)合材料、結(jié)構(gòu)參數(shù)、彈性模量等方面進(jìn)行分析，最終確定基層頂面的厚度參數(shù)，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行回填模量的計(jì)算。最后，按照相關(guān)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)荷載應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算同時(shí)還要保證設(shè)計(jì)符合要求。

4 高速公路重載道路路面設(shè)計(jì)實(shí)例

4.1 工程概況

以某高速公路重載道路工程為案例進(jìn)行分析，分析了解重載道路設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)和要求。該工程為當(dāng)?shù)刂匾煌ɑA(chǔ)設(shè)施，對(duì)于當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟(jì)發(fā)展產(chǎn)生極為重要的作用，所以當(dāng)?shù)卣块T對(duì)于該道路設(shè)計(jì)、建設(shè)以及運(yùn)維管理重視度較高，故而決定新建瀝青路面。按照軸載參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分析，該道路的重載交通量見表1。

表1 交通流量統(tǒng)計(jì)

4.2 交通分析

結(jié)合表1數(shù)據(jù)進(jìn)行全面分析可了解到，該路基回彈模量的設(shè)計(jì)參數(shù)取值為48MPa。為保證設(shè)計(jì)效果合格，確保重載道路各項(xiàng)數(shù)據(jù)符合要求，設(shè)計(jì)人員還要對(duì)主干路交通量按照6%的增長(zhǎng)率進(jìn)行分析，該道路內(nèi)的等效軸載按照9%的要求設(shè)計(jì)，其彎拉等效軸載增長(zhǎng)率為12%；把單軸雙輪車輛100kN 軸重進(jìn)行設(shè)計(jì)。根據(jù)該參數(shù)設(shè)計(jì)的要求，確定彎沉等效初始日標(biāo)準(zhǔn)軸載為75934 次，彎拉等效作用此時(shí)為833174 次。按照該道路設(shè)計(jì)壽命12年進(jìn)行分析，在規(guī)定的年限之內(nèi)，明確具體的累計(jì)作用次數(shù)。按照目前我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，彎沉等效計(jì)算確定，且累計(jì)次數(shù)為2.79×10次；根據(jù)彎拉等效公式，確定累計(jì)為3.69×10次。對(duì)于該道路項(xiàng)目運(yùn)行的具體情況，對(duì)歷年統(tǒng)計(jì)資料進(jìn)行全面的分析研究，發(fā)現(xiàn)該道路的車輛重載主要是從南到北的方向行駛，所以這一方向設(shè)計(jì)為重載道路的形式，而從北到南的方向則按照普通道路設(shè)計(jì)方式確定方案，對(duì)于該道路進(jìn)行重新的規(guī)劃設(shè)計(jì)，簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)方案，調(diào)整工作量參數(shù)，從而提高運(yùn)行效果，保證資源合理利用，實(shí)現(xiàn)綜合效益的提升。

4.3 路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

道路設(shè)計(jì)人員分析現(xiàn)場(chǎng)的運(yùn)行情況，對(duì)于道路結(jié)構(gòu)充分排布設(shè)計(jì)，明確路面結(jié)構(gòu)，保證結(jié)構(gòu)的性能合格。按照此次道路工程的設(shè)計(jì)要求，從下到上逐步按照下述要求確定：土基荷載48MPa，二次土層荷載與水泥穩(wěn)定碎石層荷載分別為750MPa、1500MPa；由于瀝青面層在一定的程度上會(huì)受到環(huán)境溫度的影響，當(dāng)環(huán)境溫度處于15C 時(shí)，粗?；炷梁奢d值為1400MPa，中粒式的荷載為1600MPa；當(dāng)環(huán)境溫度為20C 條件下，粗粒瀝青混凝土荷載為1000MPa，中粒式瀝青混凝土為1100MPa。

4.4 路面厚度計(jì)算

在設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，確定設(shè)計(jì)方案之后，還要做好路面厚度計(jì)算分析。在該工程設(shè)計(jì)中，應(yīng)用的二灰土結(jié)構(gòu)厚度為35cm，粗粒瀝青混凝土結(jié)構(gòu)厚度為8cm，而中?；炷梁穸葹?cm，根據(jù)該項(xiàng)目設(shè)計(jì)的要求，確定彎沉值參數(shù)，了解到水泥穩(wěn)定碎石基層設(shè)計(jì)要求，最終確定該結(jié)構(gòu)厚度為42.84cm，即43cm。按照該結(jié)構(gòu)的要求，確定拉應(yīng)力參數(shù)。基層拉應(yīng)力設(shè)計(jì)中，參數(shù)要比容許應(yīng)力低，達(dá)到技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的要求。最大軸重拉應(yīng)力根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定，以具體的荷載參數(shù)為出發(fā)點(diǎn)，做好底基層最大拉應(yīng)力控制，為0.186MPa，完全符合實(shí)際運(yùn)行的要求，滿足極限強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)，表示該結(jié)構(gòu)厚度的設(shè)計(jì)符合運(yùn)行要求，不會(huì)給工程質(zhì)量產(chǎn)生影響。

在高速公路重載路面設(shè)計(jì)工作開始前，還要考慮到荷載運(yùn)行的要求，確定最佳設(shè)計(jì)方式。首先，綜合分析該道路運(yùn)行中大量貨物與專項(xiàng)物資運(yùn)輸?shù)念l次，并且根據(jù)軸重儀測(cè)量后的參數(shù)確定設(shè)計(jì)方案。重載道路路面設(shè)計(jì)中，根據(jù)軸載來得出疲勞應(yīng)力參數(shù)，還要分析疲勞效應(yīng)與一次破壞效應(yīng)。當(dāng)前在公路設(shè)計(jì)中，主要是分析臨界疲勞效應(yīng)，保證技術(shù)指標(biāo)有效的控制，才能確保在規(guī)定的彎拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，同時(shí)也要分析確定在使用壽命期限內(nèi)的極限荷載參數(shù)，根據(jù)該參數(shù)的要求，設(shè)定是否會(huì)出現(xiàn)一次斷裂失效的問題。分析了解目前的瀝青道路的平整性、低噪聲、抗高溫、抗老化方面的性能，該道路在設(shè)計(jì)中，使用的是瀝青路面設(shè)計(jì)方案要求，確保結(jié)構(gòu)的性能和運(yùn)行效果滿足要求，不會(huì)給工程的質(zhì)量產(chǎn)生任何負(fù)面的影響。在重載道路的正常運(yùn)行中，車輪和路面結(jié)構(gòu)接觸面以下100～150mm 的范圍內(nèi)，容易產(chǎn)生較大的受力作用，也是病害集中發(fā)生的趨勢(shì)，因此，在該結(jié)構(gòu)部分的設(shè)計(jì)中，需要選擇強(qiáng)度性能合格的瀝青混凝土材料；在車輪荷載作用之下，荷載會(huì)在面層下部的各個(gè)結(jié)構(gòu)上擴(kuò)散運(yùn)行，再反映到面層結(jié)構(gòu)上，容易發(fā)生車轍的病害問題，因此，路面下部結(jié)構(gòu)應(yīng)用高模量抗車轍的材料；車轍荷載的作用之下，容易產(chǎn)生最大彎拉應(yīng)力的結(jié)構(gòu)就是HMA 基層結(jié)構(gòu)，整個(gè)部分的抗彎效果都受到該結(jié)構(gòu)的作用，所以根據(jù)要求應(yīng)用最佳的疲勞荷載性能的材料，保證結(jié)構(gòu)抵抗性能合格，防止從下到上會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的開裂與損壞的問題。

4.5 對(duì)比分析

為了能夠檢驗(yàn)確定重載道路設(shè)計(jì)方案是否合理，確定各個(gè)結(jié)構(gòu)層厚度、強(qiáng)度性能是否滿足要求，結(jié)合常規(guī)道路路面設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)要求，對(duì)比分析重載道路運(yùn)行的標(biāo)準(zhǔn)要求，從而可以確定是否可以達(dá)到正常的運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)。通過分析可以了解到重載道路在設(shè)計(jì)的階段中受到設(shè)計(jì)理念的影響，能夠全面提高設(shè)計(jì)方案的質(zhì)量，使其能夠滿足相應(yīng)的設(shè)計(jì)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。該結(jié)構(gòu)的厚度較大，可以承受較大車輛載荷的持續(xù)性作用，并且能夠延長(zhǎng)道路的使用壽命，在設(shè)計(jì)年限之內(nèi)完全可以達(dá)到交通通行的標(biāo)準(zhǔn)要求，不會(huì)發(fā)生損壞的問題。此外，重載道路結(jié)構(gòu)優(yōu)越，病害問題的發(fā)生概率較低，符合道路交通運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)?？傊剌d道路路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)之下，較之常規(guī)道路有著非常明顯的優(yōu)勢(shì)，道路結(jié)構(gòu)性能提升比較明顯，尤其是重載車輛較多的道路通行上，適用性比較好，所以可以推廣應(yīng)用，促進(jìn)我國(guó)道路交通總體通行效果。

5 結(jié)語

綜上所述，在重載道路路面設(shè)計(jì)的階段中，要結(jié)合道路運(yùn)行重載車輛數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)對(duì)設(shè)計(jì)的方案進(jìn)行優(yōu)化。同時(shí)，在掌握道路重載路面設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，對(duì)車輛的系數(shù)以及最大著重方面參數(shù)進(jìn)行確定，然后確定車輛系數(shù)與最大軸重方面的參數(shù)，以確定最佳的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，使用符合要求的工程材料，各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)合格，保證路面性能達(dá)標(biāo)，嚴(yán)重使用壽命，為當(dāng)前高速公路的運(yùn)行起到積極的促進(jìn)作用。