瀝青路面裝配式基層結(jié)構(gòu)計算分析

劉 偉，高 爽，張再晴，郭 高

（長春市市政工程設(shè)計研究院有限責(zé)任公司，吉林 長春 130033）

0 引言

瀝青路面裝配式基層是基塊間裝配組合，通過其三維嵌擠作用形成板體的結(jié)構(gòu)層。瀝青路面裝配式基層結(jié)構(gòu)通過有限元計算可知，除該層外采用裝配式基層的瀝青路面結(jié)構(gòu)的力學(xué)響應(yīng)分布規(guī)律與傳統(tǒng)的半剛性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)相似，所以可將裝配式基層與半剛性基層進(jìn)行等效替代后，選用瀝青路面結(jié)構(gòu)計算軟件進(jìn)行設(shè)計及驗(yàn)算。因此，本文通過工程案例對瀝青路面裝配式基層結(jié)構(gòu)進(jìn)行計算，明確符合技術(shù)要求且經(jīng)濟(jì)合理的路用材料、適合的結(jié)構(gòu)組合厚度，并分析設(shè)計參數(shù)選取對其結(jié)構(gòu)計算的影響情況。

1 工程概況

長春市育民路道路工程采用的裝配式基層的預(yù)制塊是一種上下面平行、四個側(cè)面都是斜面的混凝土塊體[1]，其裝配式基層結(jié)構(gòu)及鋪設(shè)情況見圖1~圖2。目前它已經(jīng)作為路面基層在長春、哈爾濱、沈陽等多個城市道路工程中得到大面積推廣應(yīng)用，并具有道路工程壽命長、施工工期短、可減少溫縮裂縫等優(yōu)點(diǎn)。

圖1 裝配式基層鋪設(shè)現(xiàn)場

圖2 裝配式基層鋪設(shè)完畢

2 計算過程

首先確定路面等級、面層類型、計算設(shè)計年限內(nèi)1條車道的累計當(dāng)量軸次和設(shè)計彎沉值，進(jìn)行路面結(jié)構(gòu)組合設(shè)計，其應(yīng)滿足各設(shè)計指標(biāo)要求，對于季節(jié)性冰凍道路應(yīng)驗(yàn)算防凍厚度，最終通過工程造價、技術(shù)指標(biāo)、產(chǎn)生的社會效益對比確定路面結(jié)構(gòu)方案[2]。

2.1 標(biāo)準(zhǔn)荷載

路面設(shè)計采用雙輪組單軸載100 kN作為標(biāo)準(zhǔn)軸載。采用雙圓垂直均布荷載作用下的彈性層狀連續(xù)理論進(jìn)行計算[2]。標(biāo)準(zhǔn)軸載的計算參數(shù)見表1。

表1 標(biāo)準(zhǔn)軸載的計算參數(shù)

2.2 設(shè)計交通量計算

路面結(jié)構(gòu)設(shè)計采用的交通量是按設(shè)計年限內(nèi)的交通量進(jìn)行計算，計算時需把各種車型的不同軸載換算成BZZ-100標(biāo)準(zhǔn)軸載的當(dāng)量軸次，再進(jìn)行交通等級劃分[2]。重交通及以下交通等級瀝青路面按《城鎮(zhèn)道路路面設(shè)計規(guī)范》CJJ 169—2012中的要求進(jìn)行半剛性基層結(jié)構(gòu)設(shè)計及驗(yàn)算；特重交通瀝青路面應(yīng)采用商業(yè)有限元軟件進(jìn)行裝配式基層結(jié)構(gòu)受力驗(yàn)算，且需技術(shù)論證后再采用此結(jié)構(gòu)[3]。

2.3 修建類型與設(shè)計指標(biāo)

育民路因道路已經(jīng)達(dá)到設(shè)計使用年限，且道路橫斷面形式由單幅路調(diào)整為雙幅路，道路需要全部翻建，故道路結(jié)構(gòu)修建類型按新建考慮。設(shè)計路段道路等級為城市次干路，瀝青路面設(shè)計基準(zhǔn)期15年，交通等級因重載車多取為重交通，基層類型為半剛性基層，以路表回彈彎沉值及瀝青層層底拉應(yīng)力為設(shè)計指標(biāo)，同時滿足抗凍設(shè)計[2]。

2.4 擬定設(shè)計結(jié)構(gòu)參數(shù)

根據(jù)長春市常用路用材料，結(jié)合已有的工程經(jīng)驗(yàn)與典型結(jié)構(gòu)，初擬結(jié)構(gòu)組合設(shè)計方案，面層分為上面層和下面層，基層均為標(biāo)準(zhǔn)型基塊[4]，底基層材料選為水穩(wěn)碎石、級配碎石和石灰土三種材料。裝配式基層道路組合設(shè)計方案見表2。

表2 裝配式基層道路組合設(shè)計

各種材料的結(jié)構(gòu)計算參數(shù)取值范圍見表3。

表3 裝配式基層道路結(jié)構(gòu)計算設(shè)計參數(shù)

2.5 路面結(jié)構(gòu)厚度計算

采用《路面分析與設(shè)計系統(tǒng)PADS1.0》計算軟件計算，并結(jié)合當(dāng)?shù)貙?shí)際經(jīng)驗(yàn)確定，基塊下底基層材料選取水穩(wěn)碎石最為適合，設(shè)計合理取值厚度為30 cm。設(shè)計彎沉值23.0（0.01 mm），路表實(shí)際設(shè)計彎沉值為12.8（0.01 mm）。

3 設(shè)計結(jié)構(gòu)計算影響分析

通過計算可知，設(shè)計彎沉值與材料、路面結(jié)構(gòu)組合形式及厚度有直接關(guān)系，而交通量和材料設(shè)計參數(shù)是結(jié)構(gòu)厚度計算的依據(jù)。選取輕、中、重、特重交通等級對應(yīng)的道路，分析不同材料模量在范圍值內(nèi)對結(jié)構(gòu)計算的影響。

1）交通量對結(jié)構(gòu)層影響分析

交通量根據(jù)規(guī)定劃分4個等級。瀝青路面設(shè)計取值：輕交通400萬次/車道；中等交通400萬次/車道~1 200萬次/車道；重等交通1 200萬次/車道~2 500萬次/車道；特重等交通>2 500萬次/車道。結(jié)構(gòu)計算取各交通等級的上限值，面層層數(shù)計算結(jié)果為單層或雙層，隨交通量增大，面層厚度增大；底基層材料不同，隨著模量值減小面層厚度也增大。數(shù)值關(guān)系見交通量與結(jié)構(gòu)厚度關(guān)系見表4。

表4 裝配式基層道路結(jié)構(gòu)面層數(shù)據(jù) cm

根據(jù)計算結(jié)果，采用裝配式基層結(jié)構(gòu)，選用水穩(wěn)碎石底基層結(jié)構(gòu)可不設(shè)面層即可能滿足各項(xiàng)設(shè)計指標(biāo)要求，為滿足功能要求設(shè)置單層面層；選用級配碎石除重交通外均可設(shè)單層面層就滿足各項(xiàng)設(shè)計指標(biāo)要求；選用石灰土底基層除輕交通外均應(yīng)設(shè)兩層面層才能滿足各項(xiàng)設(shè)計指標(biāo)要求；與常規(guī)結(jié)構(gòu)對比選用裝配式基層結(jié)構(gòu)除底基層材料選為石灰土外其他均可減薄至單層面層，即使是重交通采用單層面層也能滿足要求。為了充分發(fā)揮裝配式基塊結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢，同等結(jié)構(gòu)厚度情況下，且交通量等級要求高的路面，石灰土材料不適宜做其底基層材料。

2）交通量對彎沉影響分析

結(jié)構(gòu)計算取各交通等級的上限值，可知路表彎沉大小同軸載累計重復(fù)作用次數(shù)成反比關(guān)系。交通等級高，交通量大，道路結(jié)構(gòu)設(shè)計彎沉值小。同一等級道路，交通量不變情況下，彎沉值隨結(jié)構(gòu)材料的抗壓模量值變大而減小。取表4道路結(jié)構(gòu)層進(jìn)行計算，按輕、中、重交通等級選取數(shù)值對結(jié)構(gòu)設(shè)計路表彎沉值進(jìn)行影響分析，石灰土的彎沉值變化范圍分別為±6.2%，±8.1%，±9.9%；級配碎石的彎沉值變化范圍為±6.4%，±8.3%，±11.6%；水穩(wěn)碎石的彎沉值變化范圍為±3.8%，±5.2%，±9.8%。交通量及彎沉值對應(yīng)關(guān)系見圖3。

圖3 交通量對路表彎沉值影響

3）底基層材料對路表彎沉計算影響分析

選取固定結(jié)構(gòu)厚度30 cm的次干路結(jié)構(gòu)（見表3），采用單一變量計算各種結(jié)構(gòu)組合的路表彎沉，在其他結(jié)構(gòu)層條件不變的情況下，底基層材料模量取值大彎沉值變小，反之則大，彎沉曲線呈非線性變化，不同材料底基層模量與彎沉關(guān)系如圖4所示。

圖4 底基層模量與彎沉關(guān)系

4）土基模量對路表彎沉影響

回彈模量是反映土基強(qiáng)度的設(shè)計控制指標(biāo)，彎沉值是反映道路整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的指標(biāo)。在外界荷載作用下，土基回彈模量越大，土基變形越小，路表所產(chǎn)生的彎沉值也越小，標(biāo)志著路面抵抗變形能力越強(qiáng)。通過道路結(jié)構(gòu)計算，選用級配碎石基層土基回彈模量在30 MPa~40 MPa即滿足路面強(qiáng)度要求。采用級配碎石基層土基模量增大至45 MPa后顯示結(jié)構(gòu)層厚度取值不合理；采用石灰土和水穩(wěn)碎石基層土基回彈模量在30 MPa~40 MPa路表彎沉值沒有變化，之后隨著土基模量的增加在逐漸變小，達(dá)到80 MPa后變化逐漸變緩。不同材料的土基回彈模量和彎沉值關(guān)系見圖5。

圖5 土基對路表彎沉影響

5）既有結(jié)構(gòu)彎沉檢檢測數(shù)據(jù)對比分析

通過對竣工的大連路（次干路）、育民路（次干路）、文化街（支路）路面的彎沉檢測，根據(jù)圖6數(shù)據(jù)同樣可以看出底基層材料分別為水穩(wěn)碎石、級配碎石、石灰土實(shí)測彎沉值與計算值的關(guān)系，道路實(shí)測彎沉值均在計算值范圍以內(nèi)（不含突變點(diǎn)）。水泥穩(wěn)定碎石、級配碎石、石灰土三種底基層的計算彎沉結(jié)果分別乘以系數(shù)K水=0.408，K級=0.426，K土=0.614，即與實(shí)測彎沉值相符。由于受道路交通量、材料模量等參數(shù)影響，以水泥穩(wěn)定碎石為例，計算彎沉值浮動最大值為15.6（0.01 mm），最小值為12.8（0.01 mm），平均值為14.2（0.01 mm），其變化率為±9.8%；而實(shí)測平均彎沉值5.8（0.01mm），其對應(yīng)變化值為5.8（0.01 mm）±0.6%，其他同理。分析可知，水泥穩(wěn)定碎石彎沉標(biāo)準(zhǔn)差最小，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定；采用石灰土結(jié)構(gòu)，其在使用過程中模量受含水量影響，彎沉值變化最大；采用級配碎石結(jié)構(gòu)易松散，受裝配式基層板角應(yīng)力影響，容易形成路面反射裂縫，對路面彎沉值影響也大。

圖6 基層實(shí)測彎沉值與計算值的關(guān)系

4 結(jié)語

1）瀝青路面裝配式基層結(jié)構(gòu)計算設(shè)計指標(biāo)為設(shè)計彎沉值和允許抗壓應(yīng)力。對于裝配式基層結(jié)構(gòu)，重交通路面即便是采用單瀝青面層仍能滿足結(jié)構(gòu)要求。綜合考慮路面耐久性及使用壽命，對于輕交通可以選用單面層，中等交通及以上路面可以采用雙面層。

2）底基層結(jié)構(gòu)材料的設(shè)計模量參數(shù)值為區(qū)間值，模量與彎沉值為負(fù)相關(guān)，其對設(shè)計路表彎沉值的影響范圍在±3.8%~±11.6%。

3）底基層結(jié)構(gòu)材料模量選取和施工土基壓實(shí)控制有關(guān)，施工過程造成的變異性是導(dǎo)致道路實(shí)測彎沉值和計算值出現(xiàn)偏差的主要因素。

4）為了提高路面結(jié)構(gòu)的可靠性，對于中等及以上路面，裝配式基層的底基層材料推薦使用水穩(wěn)碎石。

5）裝配式路面基層可以采用《路面分析與設(shè)計系統(tǒng)PADS1.0》軟件計算，計算彎沉對模量變化取平均值分別乘以水穩(wěn)碎石換算系數(shù)0.408，級配碎石換算系數(shù)0.426，石灰土換算系數(shù)0.614，可得到實(shí)測彎沉值，模量區(qū)間范圍對實(shí)際彎沉值影響范圍分別±11.6%，±9.8%，±6.2%。