重載交通對瀝青路面的影響及設計探討

摘要 隨著重載交通的出現(xiàn)，部分運營中的瀝青路面產(chǎn)生了不同程度的質量病害，嚴重影響道路路用性能，縮短運營年限。鑒于此，文章結合某二級公路二期工程實踐，針對重載交通瀝青路面設計展開綜合探究，分析了重載交通對瀝青路面的影響，通過軸載換算，得到該二級公路標準軸載當量軸次，并根據(jù)該公路交通量、彎沉值等相關指標，確定了最佳的路面結構設計方案，可供同行參考和借鑒。

關鍵詞 公路工程項目；重載交通；二級公路；瀝青路面厚度

中圖分類號 U416.217 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2023）13-0135-03

0 引言

近年來，隨著交通量、載重量的不斷增大，現(xiàn)役瀝青路面呈現(xiàn)出超負荷運營狀態(tài)，路面使用性能嚴重下降，已無法滿足當前日益繁重的交通運輸需求。部分道路由于重載交通過多造成路面損壞，因此，現(xiàn)階段全國各地均在對現(xiàn)有國省干線進行精細化設計和路面修復養(yǎng)護設計。根據(jù)《公路瀝青路面設計規(guī)范》（JTGD50—2017）相關規(guī)定，僅明確了100 kN標準軸載計算方法及對應的二級公路瀝青路面設計標準，而針對標準范圍外的重載交通軸載換算并未給出說明。因此，如何科學完善標準軸載計算公式，得到準確、有效的重載交通作用下累計軸載次數(shù)及路面彎沉值，已成為當前重載交通條件下瀝青路面設計的重中之重[1]。為此，該文依托某二級公路工程實踐，詳細探究了重載交通環(huán)境下瀝青路面結構設計，具有重要意義。

1 重載交通對瀝青路面的影響

1.1 對路面疲勞壽命的影響

累計當量軸次是影響瀝青路面疲勞壽命的重要指標。公路路面承受的車輛荷載形式多樣，應換算出標準軸載，并將其他形式的軸載作用次數(shù)統(tǒng)一轉換成標準軸載次數(shù)。相關規(guī)范規(guī)定，當計算瀝青底層拉應力與設計彎沉值時，標準軸載及當量軸次換算應根據(jù)式（1）進行換算：

式中，N——標準軸次（次/d）；Ni——需換算車輛軸次（次/d）；Pi——需換算車輛軸載（kN）；P——標準軸載（kN）；C1——軸數(shù)系數(shù)；C2——輪組系數(shù)。

通過式（1）能夠看出，隨著需換算車輛軸載的增大，標準軸次呈4.35次方增大，充分表明重載對瀝青路面破壞程度較大。為有效探究重載對二級公路瀝青路面疲勞壽命的影響，在已知道路初期交通量的條件下，利用式（1）分別求出空載、滿載、超載50%、80%、100%等不同狀態(tài)下瀝青路面換算系數(shù)，從而得到標準軸次及累計標準軸次，并通過反算求出道路設計使用年限[2]。

二級公路瀝青路面設計使用年限為12年，當交通量增長率為5%時，其車道系數(shù)為0.5。按照標準軸載換算數(shù)據(jù)，當車輛超載率不斷增加時，各種形式的汽車換算系數(shù)顯著增大；其中，超載率為20%、50%、80%、100%條件下，對應的汽車換算系數(shù)為滿載條件下的2.21倍、5.83倍、12.89倍、20.39倍。按照公式（1）求出的二級公路瀝青路面標準軸次、累計標準軸次、使用年限值如表1所示：

通過表1能夠看出：當車輛超載率逐漸增加時，二級公路瀝青路面標準軸次、累計標準軸次逐漸增加。以滿載條件下累計標準軸次為標準進行二級公路瀝青路面設計，當超載20%、50%、80%、100%時，其使用年限依次為9.0年、4.0年、2.0年和1.5年。

1.2 對基層受力的影響

當車輛軸載增加時，瀝青路面彎沉顯著增大，基層應力作用同步增大。根據(jù)二級公路瀝青路面結構特點，采用彈性層狀結構計算軸載，并分別求出道路各結構層拉應力大小。

計算結果顯示：

（1）隨著軸載作用的不斷增加，二級公路基層、底基層拉應力均高于100 kN標準軸載的拉應力。

（2）當車輛軸載達到120 kN、150 kN時，其基底拉應力為標準軸載狀態(tài)下的1.2倍、1.5倍。

（3）隨著路基彈性模量的增加，基層底部拉應力呈現(xiàn)下降趨勢，充分證明土基彈性模量對路面應力分布具有重要影響[3-4]。

1.3 對路面厚度的影響

設計規(guī)范給出的標準軸載為100 kN，輪壓為0.7 MPa，而二級公路運營時軸載作用及輪壓均超過標準范圍。因此，應按照實際軸載與標準軸載作用下，基層底部受力相同的原理確定瀝青路面厚度，詳細數(shù)據(jù)如表2所示：

通過表2能夠看出：

（1）當汽車軸載以20 kN標準遞增時，各結構層相關指標同步增加20%。

（2）軸載由100 kN增至200 kN時，為確保實際軸載與標準軸載條件下路面結構層應力相同，底基層厚度需增加31 cm。

2 工程概況

某公路工程采用二級公路設計標準，其一期項目K29+000～K54+800區(qū)段于2013年投入運營，道路運營期間，由于車輛載重量日益增大，道路表面產(chǎn)生了不同程度的車轍、開裂、坑槽等質量病害，給交通安全造成嚴重威脅。導致路面病害的因素較多，但設計因素是重中之重。因此，在該公路二期項目設計時，結合該公路一期瀝青路面實際情況，對瀝青路面結構實施優(yōu)化，以有效防止類似病害發(fā)生。

2021年9月對二期項目K61+421、K84+227位置車流量、軸載情況實施調(diào)查統(tǒng)計，時間為3 d。結果顯示，兩位置總車流量為23 448輛，以6軸車為主，比重高達70.2%，其次為2軸車、轎車；其中6軸車超載比例為198%，5軸車為177%，4軸車為145%，3軸車為178%，2軸車為144%。

3 軸載換算

結合該公路實際運營狀況，以重載、非重載兩種狀況分別對不同車型實施軸載換算。重載車輛主要指標定軸載累計值的逐漸增加，結合理論運算及實際檢測數(shù)據(jù)，二級公路瀝青路面軸載累計值相較于標準公式求出的軸載累計值較大。經(jīng)轉換后軸載計算公式如下：

式中，m——超載率，結合實際檢測情況，該工程m=0.12；其余指標含義與式（1）相同。

對非重載車輛持續(xù)3 d監(jiān)測結果進行分析，其當量軸次與軸型作用次數(shù)之間的關系如表3～5所示。該公路車流量為3 644輛/d，經(jīng)換算得到標準軸次為21 579次/d。利用公式（2）對重載、非重載條件下各種車型軸載實施換算，求出兩種情況下汽車24 h累計標準軸次N為50 389次[5]。

4 路面設計

4.1 累計當量軸次及路面彎沉

根據(jù)上述累計標準當量軸次計算數(shù)據(jù)，該工程瀝青路面設計使用年限為12年，后續(xù)車流量以4%逐年遞增，按照相關計算標準，求出重載及非重載條件下累計當量軸次Ne依次為129 880 596次、73 160 515次[6-8]。

按照相關設計標準，重載、非重載兩種情況下，該工程瀝青路面彎沉值依次為22.03（0.01 mm）、24.04（0.01 mm）。

4.2 路面結構設計

按照調(diào)查統(tǒng)計得到的該工程車流量、軸載次數(shù)等相關指標，進行瀝青路面結構設計。標準軸載取BZZ-100，使用年限為12年，路基回填模量為40 MPa。在忽略重載作用條件下，擬建道路路面結構設計為4層，彎沉LD=24.04（0.01 mm），自上而下結構分布為40 mm厚細粒式SMA瀝青混凝土、60 mm厚中粒式瀝青混凝土、320 mm厚水泥穩(wěn)定碎石、180 mm厚填隙碎石層，各層次彈性模量分別為11 000 MPa、10 000 MPa、

7 500 MPa、250 MPa。路面檢測彎沉為Ls=24（0.01 mm），Ls≤LD，所以，理論彎沉滿足標準要求。

重載作用條件下，擬建道路路面結構設計為4層，彎沉LD=22.03（0.01 mm），自上而下結構分布為40 mm厚細粒式SMA瀝青混凝土、60 mm厚中粒式瀝青混凝土、360 mm厚水泥穩(wěn)定碎石、200 mm厚填隙碎石層，各層次彈性模量分別為11 000 MPa、10 000 MPa、

7 500 MPa、250 MPa。路面檢測彎沉為Ls=22（0.01 mm），Ls≤LD，所以，理論彎沉滿足標準要求[9-10]。

5 結語

綜上所述，重載交通對瀝青路面結構受力、疲勞壽命、結構層厚度及路面彎沉具有重要影響。重載車輛軸載作用顯著高于設計標準要求，導致二級公路瀝青路面累計軸載次數(shù)顯著增加，使道路產(chǎn)生較為嚴重的質量病害，影響道路使用功能與運營年限。傳統(tǒng)道路設計未考慮重載交通作用，導致瀝青路面極易產(chǎn)生早期質量病害。為保證重載交通條件下二級公路瀝青路面運營年限滿足相關規(guī)范要求，需適當增加路面結構層厚度。通過增加路面結構層厚度，能有效防止重載交通條件下瀝青路面產(chǎn)生早期破壞，增強道路承載性能，提高瀝青路面結構設計科學性，延長道路使用年限，從根本上保證公路工程建設的經(jīng)濟和社會效益。

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