低交通量农村公路水泥混凝土路面典型结构的研究

陈爱军， 孟亚军

（1.湖南工程学院 建筑工程学院，湘潭411104；2.中南大学 土木工程学院，长沙410083）

0 前 言

近些年来，由于我国经济的快速发展和国家对"三农"的大力支持，湖南省农村公路的建设进入了一个前所未有大发展阶段.依靠政府的财政支持，以及农民对交通出行的需求层次提高，原有的砂石路面或年久失修的沥青路面已不能满足农民出行的需要，新建或改建的农村公路基本上都是水泥混凝土路面.水泥路面和沥青路面比较而言，虽然初期投资可能比沥青路面大，但沥青路面需要施工专业化和机械化程度较高、寿命较短和容易产生各种病害导致经常需要维修，而水泥混凝土路面具有施工工艺较简单、施工机动灵活、建筑材料丰富、使用年限长、养护费用少、群众参与程度高的优点，因此，水泥混凝土路面在农村公路得到了大量普及.

低交通量公路是农村公路的一部分，主要是为满足农业生产和农民生活交通需求，供机动车行驶的道路.根据《公路水泥混凝土路面设计规范》JTG D40－2011［1］的规定，设计基准期内设计车道承受设计轴载累计作用次数Ne小于30000次，交通荷载等级为轻，因此，笔者把Ne小于30000次的农村公路定义为低交通量农村公路，有些文献［2］［3］也称为轻交通量农村公路.

对于低交通量水泥混凝土路面结构的研究，我国水泥混凝土路面设计规范以及交通部门对农村公路的建设指导意见和参考标准缺乏相应的指导，而且我国幅员辽阔，气候、地形、地理、材料来源和土壤地质条件差异较大，各个地方在路面设计和施工过程中难以采用统一的标准.文献［3］－［6］对低（轻）交通量道路路面结构进行了广泛的调查和研究，但其研究成果是在《公路水泥混凝土路面设计规范》JTJ012－2002的基础上通过修正规范中某些不适条款提出来的，与现行规范规定相矛盾，也不一定适合各地的具体条件.本文针对湖南省的气候、地形、土壤地质条件和材料来源，在新规范［1］的基础上研究适合低交通量农村公路且经济适用的水泥混凝土路面典型结构，不但能从经济上节省农村公路建设资金，还能从技术上弥补现行路面设计规范在指导低交通量水泥混凝土路面设计不适用的缺陷.

1 湖南省农村公路现状调查

为了全面地掌握湖南省内农村公路路面结构类型、交通状况和道路病害情况，课题组对省内农村公路进行了详细的调查，基本掌握了湖南农村公路路面结构形式和病害、路面材料、交通特点和交通组成情况等农村公路现状，调查结果表明：

（1）省内农村公路地形地貌主要有湖区、丘陵地区和山区，湖区主要集中在洞庭湖周边，线形以直线为主，纵坡平缓甚至个别路段以平坡为主；丘陵地区和山区农村公路线形以曲线为主，弯道半径小，纵坡变化较大，公路等级较低.

（2）湖区农村公路的路基都是采用矮路堤的形式，地下水位较高，路基稳定性受地下水影响较大，单车道路基宽度以4.5m为主，双车道路基宽多为6.5m；丘陵地区和山区路基主要以半填半挖形式为主，少量采用全填和全挖，填挖高度不大，边坡较陡且较少采用防护措施，路基宽度普遍较窄，单车道路基多数宽度为3.5m，双车道路基宽度一般小于5.0m.

（3）农村公路路面大多数通过改造成为水泥混凝土路面，个别贫困地区农村公路仍然还是泥结碎石路面，或在原路基上简单铺一层碎石作路面，行车舒适性较差.水泥混凝土路面面层厚度在15～25 cm之间，大多数在20cm以上；双车道公路基层为水泥稳定碎石或砂砾，单车道公路基层多数为碎石碾压而成以节省造价.大多数农村公路对路肩的设置不规范，土路肩很少，一般全幅路基硬化为行车道，或者全幅路基都是砂石路面.

（4）由于经济条件不一致，各地农村公路的交通组成和交通量差异较大.一般村－村公路、乡－村公路的主要交通组成是小型载货卡车、摩托车、三轮农用车、微型面包车等供村民出行、简单运输的车辆和少量的东风卡车；在有资源矿产或重大建设项目的地区，其交通则以重型卡车为主，轴载较大，超载严重，对安全要求较高，因此其功能实际上已超出农村公路范畴，应单独进行设计.绝大多数农村公路的交通量在800辆／昼夜以下，个别村道只有10～20辆／昼夜，节假日期间小客车数量会增加较多，路面结构设计和路面宽度应考虑实际的交通需求状况.

（5）农村公路交通量低，路基路面宽度窄，路基强度不均匀，路面结构设计随意性较大，基层强度低，水泥混凝土路面施工技术力量薄弱导致混凝土质量难以保证，同时缺乏正常的养护，路面病害主要是路基沉降导致的断板和在车辆反复作用下产生的开裂.

2 农村公路路面结构设计及材料参数的确定

2.1 交通等级的划分

从调查结果看，农村低交通量道路的交通组成以农用三、四轮车和摩托车为主，载重在1～5t之间，由于这部分车辆全部是单后轴单轮组型车辆，对路面结构的影响不大.但是，少量吨位在20～50t之间的大型车辆对农村公路的路面结构破坏较大，在低交通量道路路面结构设计中应该重点研究考虑.

文献［1］规定累计标准轴作用次数低于3万次的交通等级属于轻交通，对于轻交通等级再进行分级，分别按累计标准轴作用次数为100、200、500、1000、5000、10000、20000和30000，对这8个级别的交通等级进行路面厚度计算.

2.2 水泥混凝土路面结构组合设计

根据课题组的调查结果，低交通量农村公路的基层一般采用水泥稳定碎石基层或级配碎石基层，个别村道甚至不设基层而是直接在旧路基上铺筑水泥混凝土面层.按照就地取材、实事求是的原则进行结构组合设计，不同交通等级的公路采用不同的结构组合，组合方案如表1所示.对于湖区或库区的农村公路可以增设排水或防水垫层.

表1 初拟水泥混凝土路面结构组合方案

2.3 路面材料参数的确定

湖南省的农村公路主要在原旧路基或泥结碎石路面上进行加宽改建，除局部湿软凹坑和加宽部分需要补强处治外，原路基经过长期行车碾压，路基强度高且稳定性好，土基回弹模量比较大.根据调查结果，原路基的土基回弹模量在55～100MPa之间，新建路面土基回弹模量在35～70MPa之间，为保守设计，土基回弹模量取50MPa进行路面结构计算.

水泥稳定碎石基层的回弹模量取1500MPa，级配碎石的回弹模量取220MPa.考虑到水泥混凝土面层的强度对其厚度的影响较大，而提高一个等级的混凝土带来的成本增加不大，因此，面层的弯拉强度等级分别取4.0MPa和4.5MPa，相对应的弯拉弹性模量为27GPa和29GPa.

3 水泥混凝土面层厚度的计算

3.1 荷载疲劳应力计算

依据文献［1］，荷载疲劳应力的σpr计算公式为：

式中：

σps——标准轴载在四边自由板的临界荷位处产生的荷载应力（MPa），

kr——考虑接缝传荷能力的应力折减系数，此处取kr＝1

kf——考虑设计基准期内荷载应力累计疲劳作用的疲劳应力系数，按kf＝Neλ计算；

kc——考虑偏载和动载等因素对路面疲劳损坏影响的综合系数，此处取kc＝1

3.2 最大荷载应力计算

最重轴载在面层板临界荷位处产生的最大荷载应力σp，max按下式计算：

式中：

σpm——最重轴载Pm在四边自由板临界荷位处产生的最大荷载应力（MPa）.

关于最重轴载Pm的大小问题，通过交通调查中得知，低交通量道路上重型车吨位在15～30t之间，因此，分别取Pm为150kN、125kN、100kN的单轴双轮轴载进行检验.

3.3 温度疲劳应力及最大温度应力计算

在面层板临界荷位处产生的温度疲劳应力σtr按下式计算：

式中：

σt，max——最大温度梯度时面层板产生的最大温度应力（MPa）；

kt——考虑温度应力累计疲劳作用的温度疲劳应力系数，按规范计算；

αc——混凝土的线膨胀系数，按粗集料类型为石灰岩取7；

Tg——公路所在地50年一遇的最大温度梯度，根据公路自然区划取90℃／m.

BL——综合温度翘曲应力和内应力的温度应力系数，按规范计算.

3.4 水泥混凝土面层厚度计算

按照表1的路面结构组合方案，初拟面层厚度，分别计算混凝土面层板的最重轴载产生的最大荷载应力σp，max、设计轴载（100kN）产生的荷载疲劳应力σpr、最大温度梯度产生的最大温度应力σt，max及温度疲劳应力σtr，通过不断调整各结构层的厚度，最后确定满足疲劳应力和一次荷载最大应力要求的路面结构组合.为了比较各个路面结构组合方案的成本，根据《公路工程预算定额》（JTG／TB06－02－2007）进行直接工程费的分析，因为成本分析是为了对比各个方案优劣，直接工程费就套用定额的基价，各结构层的费用分析如下：

碎石基层（1000m2）：6869元（15cm）±426元（每增减1cm）

水稳定碎石（5%水泥含量，拖拉机带铧犁拌和施工，1000m2）：13447元（15cm）±799元（每增减1cm）

C30混凝土（抗弯拉强度4.0MPa，人工铺筑，1000m2）：57227元（20cm）±2663元（增减1cm）

C35混凝土（抗弯拉强度4.0MPa，人工铺筑，1000m2）：59787元（20cm）±2791元（增减1cm）.

计算结果如表2～表6所示：

表2 I类结构组合方案

表3 Ⅱ类结构组合方案

19cm混凝土＋16cm水稳碎石10000 4.5 125 4.45 4.35 71.2 19cm混凝土＋13cm水稳碎石 5000 4.5 125 4.44 4.43 68.8 19cm混凝土＋13cm水稳碎石1000 4.5 125 4.10 4.43 68.8

表4 Ⅲ类结构组合方案

表5 Ⅳ类结构组合方案

表6 Ⅴ类结构组合方案

4 路面结构的技术经济分析

通过分析表2～表6，可以得到以下结果：

Ⅰ类结构组合方案和Ⅱ类结构组合方案在交通量相同的基础上，Ⅰ类方案的最大荷载为150kN，Ⅱ类方案的最大荷载为125kN，Ⅰ类方案比Ⅱ类方案多一层碎石，同一交通量的费用增加10元／m2左右.但是，Ⅰ类方案抵抗荷载的能力较大，虽然成本稍高一些，对于30000～10000的累计轴载作用次数，建议采用Ⅰ类方案.

在同样的荷载作用次数、最大荷载和混凝土强度等级的条件下，比较Ⅱ类和Ⅲ类两种不同基层的结构组合方案，对于10000～1000次的累计轴载作用次数，采用Ⅲ类结构组合方案不但可以节省成本4～5元／m2，而且最大荷载应力更低，因此Ⅲ类方案更加合理.

Ⅲ类方案和Ⅳ类方案采用了相同的材料，但是它们的混凝土强度等级和最大荷载不一样，而成本差别不大，因此建议1000～500的累计标准轴载作用次数采用Ⅲ类方案更加合理.

Ⅳ类方案和Ⅴ类方案采用了相同的混凝土强度等级和最大荷载，但是Ⅴ类方案没有设置基层，Ⅳ类方案采用了级配碎石基层，可以发现Ⅴ类方案的成本稍低一些.针对500次以下的累计标准轴载作用次数，这类交通量极小的公路一般都是单车道的村道，甚至达不到四级公路的等级，在路基水文地质较好的情况下采用Ⅴ类方案比较合理.

经过上述分析，汇总得到针对不同的累计标准作用次数的水泥混凝土典型路面结构方案如表7所示.

表7 推荐的典型路面结构

5 结 语

近年来，湖南省的农村公路建设得到了很大发展，尤其是水泥混凝土路面由于具有施工方便和强度稳定性高等优点在农村公路得到了普遍应用.但是，我国交通部门的相关规范和标准对低交通量农村公路的路面设计缺乏针对性和实用性，在建设的过程中也没有设计文件的指导，使得水泥混凝土路面设计和施工比较混乱.本文推荐的适应不同的交通荷载范围的四种典型路面结构型式采用了当地普遍使用的筑路材料，造价较低，路面型式简单，施工方便，易为广大农民群众接受并推广使用，不但可以减少政府对农村公路建设的巨大投入，而且可以规范低交通量农村公路路面的设计.

［1］ 中华人民共和国交通部.JTG D40－2011公路水泥混凝土路面设计规范［S］.北京：人民交通出版社，2010.

［2］ 尹 刚.轻交通量道路上土基等级的划分［J］.中国水运，2007，（7）：72－73.

［3］ 文 静.轻交通农村公路水泥混凝土路面结构研究［D］.西安：长安大学硕士论文，2008.

［4］ 袁承栋.低交通量道路典型路面结构的研究［D］.南京：东南大学硕士论文，2005.

［5］ 赵桂娟.低交通量道路技术标准与路面结构研究［D］.西安：长安大学硕士论文，2005.

［6］ 韩 辉.低交通量道路沥青路面和水泥砼路面路面设计的研究［D］.哈尔滨：哈尔滨工业大学硕士论文，2007.