京台高速公路济泰段改扩建工程路面结构差异化设计

2021-03-01宋晓莉

山东交通科技 2021年6期

宋晓莉

（山东省交通规划设计院集团有限公司，山东济南 250031）

1 工程概况

京台高速公路是国家高速公路网中的放射线之一，连接了北京、天津、济南、合肥、福州和台北等城市，构成了北京向南辐射的快速主干通道。目前，京台高速山东境内的四车道路段，即德州（鲁冀界）至齐河（约93.1 km）、泰安至枣庄（鲁苏界）（约189.5 km）正在按双向八车道标准实施改扩建；京台高速山东境内的六车道路段（齐河至泰安段）拟实施改扩建，其中济南至泰安段（约53.3 km）拟由六车道改扩建为八车道[1]。

2 原老路路面养护情况

自1999年全线建成通车，实施了较为完善的养护工作。自2007年，每年均进行路面的专项维修，对路面进行连片的铣刨挖补。截止2018年，大部分的老路病害已经进行了维修。养护大修后行车道典型路面回铺结构为4 cm沥青玛蹄脂碎石（SMA-13）+7 cm中粒式改性沥青混凝土（AC-20）+8 cm粗粒式沥青混凝土（AC-25）+13 cm改性沥青碎石+15 cm水泥稳定碎石+34 cm石灰土，路面结构层总厚度为81 cm；但硬路肩部位仅加铺了4 cm的SMA-13面层，即4 cm SMA-13（改性）+4 cm AC-16（改性）+5 cm AC-20（改性）+6 cm AC-30+基层为28 cm水泥稳定碎石+34 cm石灰土。现状京台老路的行车道与硬路肩的现状路面结构不一致。根据路面结构检查报告，维修养护后的京台高速济南至泰安段老路面层主要病害为条状修补、裂缝类病害主要以横向裂缝为主，原有路面结构具有较高的承载能力，半刚性基层可以为行车荷载提供足够的强度。

3 新旧路面拼宽设计

项目拼宽宽度为3.25 m，拼宽路面部位基本位于拼宽新建高速的硬路肩，硬路肩部位仅供临时车辆通行，如果采用山东地区典型的柔性基层路面结构进行拼宽，既不经济也无必要。因此，对平纵线形都没有调整的拼宽路段的路面结构进行了差异化设计，即拼宽部位的柔性基层由LSPM-25或是ATB-25变为级配碎石柔性基层。（1）具体路面拼宽结构：挖除老路硬路肩19 cm沥青面层，重新铺筑8 cm AC-25C+11 cm厂拌热再生沥青混合料或ATB-25；（2）非超高路段拼宽新建硬路肩路面结构：4 cm改性SMA-13+6 cm改性AC-20C+19 cm 级配碎石柔型基层+2×18 cm水泥稳定碎石基层+18 cm厂拌冷再生水泥稳定铣刨料或水泥稳定碎石底基层。

3.1 拼宽部位路面结构模型计算

3.1.1 模型构件

根据改扩建拼接情况建立模型，见图1。

图1 路面结构模型

由图1可知，左幅（X轴负向）为4 cmSMA-13 +6 cmAC20+8 cmAC-25+11 cmATB+28 cm水泥稳定碎石基层+34cm石灰土；右幅（x轴正向）为4 cm SMA-13+6 cmAC20+19 cm级配碎石+28 cm水泥稳定碎石基层+34 cm石灰土。根据《公路沥青路面设计规范》（JTG D50—2017）考虑轴对称，施加双圆均布荷载，见图2。荷载为双圆均布荷载，施加于接缝左侧75 cm处，荷载中心处记为（0，0）点[3-4]。

图2 荷载施加效果

3.1.2 拉应力计算

在双圆均布荷载处计算求得各层层底最大拉应力见表1，应力云图见图3 。

表1 应力计算结果

图3 应变云图

在双圆均布荷载处计算求得各层层底最大应变见表2，其中负值表示压应变，正值表示拉应变。

表2 各层层底最大应变

在双圆均布荷载处计算求得层顶最大弯沉为 20.88（0.01 mm）。在双圆均布荷载作用处6 cmAC-20沥青层层底延X轴正方向按照不同距离选取11个点计算其应变变化，结果见图4。

图4 横向应变变化

由图4可知，荷载处层底为拉应变，其值为 19.4 με，随着距离荷载中心位置逐渐变远，应变由拉应变转化为压应变，在距离荷载中心处75 cm处即两幅路面接缝处取得最大压应变，其值为53.7 με。

在双圆均布荷载作用处6 cmAC-20沥青层层底延X轴正方向按照不同距离选取11个点计算其弯沉变化，结果见图5。

图5 横向弯沉变化

由图5可知，荷载作用处取得最大弯沉，其值为20.35（0.01 mm），延X轴正方向的弯沉逐渐递减。在双圆均布荷载作用处6 cmAC-20沥青层层底延X轴正方向按照不同距离选取9个点计算其应力变化，结果见图6。

图6 横向应力变化

由图6可知，荷载作用周围存在最大应力，其值为0.525 MPa，沿X轴正方向的应力逐渐递减。

由ABAQUS计算可得荷载作用中心处11 cm沥青稳定碎石处的应变为5.54 με，距离荷载作用处75 cm即接缝处的应变为53.7 με，将左幅老路路面结构带入BISAR进行计算可得双圆均布荷载作用处11 cm沥青稳定碎石处的应变为4.72 με，经过等比例外推可得距离荷载作用处75 cm即接缝处的应变为45.7 με。

左侧为ABAQUS计算结果，右侧为BISAR计算结果。将按比例求得的应变45.7 με带入《公路沥青路面设计规范》（JTG D50—2017）的沥青层疲劳预估模型，求得沥青混合料层疲劳开裂寿命为10.3×107次，表明在行车道上作用10.3×107标准轴次后，硬路肩理论上可能出现疲劳开裂。根据本项目的交通量预测，计算得到车道标准轴次3.7×107，小于柔性基层的疲劳开裂寿命，因此，柔性级配碎石作为硬路肩的柔性基层没有问题。