基于新版沥青路面设计规范的路面结构设计分析

余四新， 徐飞萍， 刘甲荣， 郭建民， 韦金城

(1.高速公路养护技术交通行业重点实验室， 山东 济南 250031； 2.山东高速股份有限公司)

2017版沥青路面设计规范采用力学-经验法，根据弹性层状体系理论解分析力学响应，采用多个单项设计指标分别控制相应的路面损坏。路面结构损坏由单一指标控制向多指标控制转变。增加了沥青混合料层永久变形量、路基顶面压应变和路面低温开裂指数设计指标，沥青混合料层设计指标由层底拉应力改变为拉应变，保留无机结合料稳定层层底拉应力设计指标。路表弯沉由设计指标改为检验指标。该版沥青路面设计规范还规定了交通荷载轴载谱检测分析方法，反映了实际交通荷载，路面结构设计更精确。为了对按照2006版沥青路面设计规范设计的山东省省道S222路面结构方案的适应性进行分析，并对原路面结构设计方案提出优化建议，依据新版沥青路面设计规范的要求对轴载谱进行实测，对路面结构进行设计分析，并对路床顶面回弹模量、沥青层厚度等因素对路面结构性能的影响进行分析研究，提出针对原路面结构方案的指标要求，为新版沥青路面设计规范的使用提供参考。

1 项目概况

省道S222 (潍坊北-岚山线)是位于山东省胶东半岛中西部的一条省级干线公路，是连接潍坊、日照两市的重要通道。该项目位于山东省日照市岚山区，属于一级公路，设计速度80 km/h，双向四车道，路基宽24.5 m，设计使用年限为15年。原路面结构为4 cm SMA-13+6 cm中粒式沥青混凝土AC-20C( 70-A道路石油沥青)+下封层+透层+2×18 cm二灰稳定碎石基层+18 cm水泥稳定碎石底基层。

2 轴载谱检测

轴载是车辆荷载对路面造成损坏的关键因素，新版沥青路面设计规范还规定了交通荷载轴载谱检测分析方法，该方法用实际轴载进行分析。在此类荷载表示方法中，不用进行标准轴载换算，每一个实际的轴载水平都参与力学响应计算，可以有效避免当量轴载换算带来的误差。用轴载谱的方法描述交通荷载比以往采用交通量数据和代表车型额定轴载更全面、精确。主线行车道动态称重系统(Weight-In-Motion, WIM)不对车辆通行产生任何影响。

2.1 一般交通参数

根据2017版沥青路面设计规范对道路通行车辆进行分类。根据交通量OD调查分析，断面大型客车和货车交通量为6 364 pcu/d,交通量年增长率取5.0%, 方向系数取50.0%, 车道系数取65.0%。 根据交通观测资料分析2～11类车型所占的百分比，得到车辆类型分布系数如图1所示。其中，车型2包括12型和15型客车；车型3为12型货车；车型4为15型货车；车型5为17型货车；车型6包括112型、115型及117型货车；车型7包括125型和122型货车；车型8包括127型和155型货车；车型9为157型货车；车型10包括1127型、1122型、1125型、1155型，和1157型货车；车型11包括1522型和1222型货车。

图1 车辆类型分布系数

由图1可知：该道路通行车辆数量中车型3和车型9即该道路两轴六轮整体式货车和六轴半挂车分布系数分别达到29.9%和36.1%。

车辆总重统计结果如表1所示，由表1可知：所有车型均存在超载现象，其中六轴车超限比例高达43.72%，四轴车超限比例高达38.17%。

表1 车辆总重统计表

2.2 轴载谱检测结果

单轴双轮组、双轴双轮组、三轴双轮组轴载谱调查结果如图2～10所示。

由图2可知：单轴双轮组中轴重为90～94.5 kN所占比例约为13%，约1.4%的轴重达到126～130.5 kN。由图3～7可知：车型4中，双联轴双轮组轴组总重≥180 kN的比例达到27.6%；车型6中，双联轴双轮组轴组总重198～207 kN的比例达到13%，双联轴双轮组轴组总重≥180 kN的比例达到53.4%；车型8中，双联轴双轮组轴组总重≥180 kN的比例达到33.3%；车型9中，双联轴双轮组轴组总重≥180 kN的比例达到39.9%；车型10中，双联轴双轮组轴组总重≥180 kN的比例达到31.8%。由图8～10可知:车型8中，三联轴双轮组轴组总重≥270 kN的比例达到19.4%；车型9中，三联轴双轮组轴组总重≥270 kN的比例达到33.7%；车型10中，三联轴双轮组轴组总重≥270 kN的比例达到45.8%。由以上结果可知：该道路通行车辆中超载比例较高。

该设计路面对应的设计指标为沥青混合料层永久变形与无机结合料层疲劳开裂。按2017版沥青路面设计规范中公式A.3.1-4计算得到各类车辆在不同设计指标下的当量轴载换算系数如表2所示。

图2 单轴双轮组轴载谱

图3 双轴双轮组轴载谱(车型4)

图4 双轴双轮组轴载谱(车型6)

图6 双轴双轮组轴载谱(车型9)

图7 双轴双轮组轴载谱(车型10)

图8 三轴双轮组轴载谱(车型8)

图9 三轴双轮组轴载谱(车型9)

图10 三轴双轮组轴载谱(车型10)

由表2可知：6类车沥青混合料层永久变形及无机结合料层疲劳开裂当量轴载换算系数最高，分别为14.9和13 319.4，6类车(双前轴整体式货车，主要为料车和渣土车)的重载对沥青层的永久变形和无机结合料稳定类材料的疲劳损伤作用最大。

表2 各类车辆当量轴载换算系数

根据2017版沥青路面设计规范中公式A.4.2计算得到对应于沥青混合料层永久变形的当量设计轴载累计作用次数为64 386 185次, 对应于无机结合料层疲劳开裂的当量设计轴载累计作用次数为13 348 794 679次。该公路设计使用年限内设计车道累计大型客车和货车交通量为16 290 294次，交通等级属于重交通。

3 路面结构设计分析

3.1 初拟路面结构方案

根据省道S222路面结构原设计方案，进行路面结构分析时，初拟路面结构及材料参数试验结果如表3所示。

表3 初拟路面结构

3.2 路面结构验算

根据2017版沥青路面设计规范的要求，基于弹性层状体系理论对路面结构分别进行了沥青混合料层永久变形验算、无机结合料层疲劳开裂验算、路基顶面和路表验收弯沉值计算，结果汇总于表4。其中，路基顶面和路表验收弯沉分别为327.6(0.01 mm)和24.6(0.01 mm)。由表4可知：所选路面结构和材料不满足水泥稳定碎石底基层的疲劳验算要求，需进行调整。

表4 分析结果汇总

3.3 路面结构设计影响因素分析

根据前文分析结果可知：水泥稳定碎石底基层疲劳开裂验算不满足设计要求，该节将对沥青层厚度和路床顶面回弹模量两个因素对路面结构设计的影响进行分析，以期满足2017版沥青路面设计规范的要求。

3.3.1 路床顶面回弹模量

与原设计方案相比，改变路床顶面回弹模量，其他参数保持不变，分析其对水稳碎石底基层疲劳开裂的影响，分析结果如图11所示。

图11 路床顶面回弹模量对无机结合料层疲劳寿命的影响

由图11可知：路床顶面回弹模量对无机结合料层疲劳开裂当量轴次的影响较大，路床顶面回弹模量每增大10 MPa，无机结合料层疲劳开裂当量轴次增大约4.5亿次。因此，通过提高路床顶面当量回弹模量对于提高无机结合料层疲劳寿命效果明显并且较为经济。

3.3.2 沥青层厚度

与原设计方案相比，改变沥青面层厚度，其他参数保持不变，分析其对水稳碎石底基层疲劳开裂的影响，分析结果如图12所示。

图12 沥青层厚度对无机结合料层疲劳寿命的影响

由图12可知：沥青层厚度每增大2 cm，无机结合料层疲劳开裂当量轴次增大约0.74亿次。当沥青层厚度达到18 cm(4 cm +6 cm +8 cm)时，无机结合料层疲劳开裂当量轴次仍然不满足要求，预计沥青层厚度达到21 cm时，无机结合料层疲劳开裂当量轴次方可满足要求。显然，通过增加沥青层厚度来提高无机结合料层疲劳寿命效果不明显且不经济。

4 结语

通过采用JTG D50-2017《公路沥青路面设计规范》的设计要求对省道S222轴载谱进行了实测并对路面材料参数进行了室内试验，对路面结构进行了重新设计，并对沥青面层厚度、路床顶面回弹模量等参数对基层疲劳寿命的影响进行了分析，得出以下结论：

(1) 该道路交通等级属于重交通，并且各种轴型均存在超载现象，四轴车和六轴车超限比例分别达到38.17%和43.72%。

(2) 沥青路面设计新规范对无机结合料层的疲劳寿命进行了更准确的分析，在该道路的实际交通荷载作用下，路面结构原设计方案不满足无机结合料层的疲劳寿命的验算要求。

(3) 为了满足沥青路面设计新规范的要求，在原设计方案的基础上提高路基改善层厚度较为经济合理，建议路床顶面回弹模量不低于140 MPa。