重载道路路面的优化设计分析及研究

周毅

摘要 文章以国能新疆准东煤田厂区道路工程路面设计作为切入点，简要叙述重载道路路面的交通特点、常见损害问题。并从多方面着手，详细阐述重载道路路面的优化设计方法与需要注意的问题事项。旨在进一步提高重载道路设计水准，满足实际交通需要，维持重载道路在全寿命周期内的良好路况。

关键词 重载道路;路面设计;优化设计

中图分类号 U416.2 文献标识码 A 文章编号 2096-8949（2022）05-0070-03

0 引言

近年来，随着国民经济的蓬勃发展，重载道路的行车数量与载重量均呈现出逐年稳步增加态势，早期建成重载道路在使用期间出现疲劳开裂、水损坏、土基变形等质量问题，危及交通安全[1]。因此，该文以国能新疆准东煤田厂区道路工程为研究对象，研究路面常见的损害问题，并分析了路面设计方法。

1 重载道路路面概述

1.1 工程概況

国能新疆准东煤田厂区道路工程，车辆类型：矿山专用卡车（限重40 t），路面类型：钢筋混凝土路面。重载道路有着车辆荷载等级高、主要通行三轴及以上车型货车、荷载范围在10～40 t、交通量相对较小、车辆行驶速度慢、鲜有小型车辆通过的交通特点，使得常规道路路面设计方法在重载道路工程中缺乏适用性[2]。同时，根据已建成重载道路投运使用情况来看，近年来，重载道路的行车数量和载重量不断增加，虽然荷载范围在10～40 t，但绝大多数通行车辆的载重量普遍在30 t以上，一些路段交通量饱和度始终维持在0.8及以上，且部分超载货车的载重量高达100～200 t，对重载道路的路面性能提出较高要求，需要设计一定比例的冗余性能，以应对货车超载等突发问题，避免重载道路在使用期间频繁出现路基变形、路面开裂等质量缺陷。道路工程车辆情况表1，道路交通情况见表2。

行驶方向分配系数：.5;

车道分配系数：1;

轮迹横向分布系数：.35;

设计轴载：100 kN;

最重轴载：200 kN;

路面的设计基准期：20 年;

设计车道使用初期设计轴载日作用次数：327 680;

设计基准期内设计车道上设计轴载累计作用次数：1.132858E+09;

路面承受的交通荷载等级：特重交通荷载等级;

混凝土弯拉强度：5 MPa;

混凝土弹性模量：31 000 MPa;

混凝土面层板长度：5 m;

地区公路自然区划：Ⅵ;

面层最大温度梯度：89 ℃/m;

接缝应力折减系数：1;

混凝土线膨胀系数：10 10-6/℃。

1.2 水泥混凝土路面常见损害问题分析

煤田厂区道路投运使用期间，由于大型重载汽车数量多，常出现质量通病，影响道路使用功能正常发挥和缩短道路使用寿命，常见的路面损害问题包括唧泥、错台、裂缝、角隅断裂及持久性腐蚀等等[3]。其中，唧泥病害是路面细粒材料受到上部荷载影响而在裂缝以及接缝部位同水向外喷出，在周边区域形成污迹，长此以往，会造成路面基础脱空的严重后果。裂缝病害是在水泥混凝土路面上形成沿纵向、斜向或是横向发育的裂缝，如路面板在高温条件下于边缘部位形成胀裂，因地基沉降而形成沉降裂缝，因承受过重上部荷载而形成超载裂缝。错台通病表现为水泥混凝土路面裂缝或是接缝部位周边形成台阶，高差不超过10 mm时为轻微错台，高差大于20 mm时为严重错台，形成原因包括细集料含量偏高、高压水反复冲刷基层表面。角隅断裂表现为在路面上形成一个竖直贯通整体板厚的裂缝面，产生原因包括角隅应力过高、基础塑性变形持续累积。持久性腐蚀病害表现为在局部路面处形成长条形或圆形黄色水迹，常见于水泥混凝土路面投入使用一段时间后，出现成因在于混凝土碳化程度过高，限制混凝土自身抗腐蚀性能的发挥，难以在混凝土表面形成稳定的钝化膜。坑洞病害表现为水泥混凝土路面上分布一处或多处直径为2～10 cm、深度为1～5 cm的小坑，形成原因包括使用离析混凝土材料、捣固不良、承受过大上部行车荷载等。而板块活动病害表现为路面板出现整体性的下沉或是翘起情况，形成原因为承受过大上部车辆荷载。

2 重载道路路面的优化设计方法

2.1 交通分析与参数计算

考虑到不同重载道路的使用要求、交通量饱和度、行车数量与载重量存在明显差异，对路面结构性能要求不一致[4]。因此，为保证路面设计方案具备可行性，切实满足重载道路使用需要，避免产生过多冗余性能而增加不必要的造价成本。在路面设计工作开展前，需要全面收集、分析工程资料，了解重载道路的交通情况，在其基础上计算重载道路使用期内年平均当量轴次增长率、方向系数等交通参数，以及为弯沉值、弯拉应力、轴载换算等指标参数的设定提供信息支持。

该项目为国能新疆准东煤田厂区道路工程，路面多为重型矿用卡车，对于重载道路路面设计时，必须加强对道路交通问题的分析。其中，交通资料分析范围包括重载道路设计年限、车辆横向分布系数、车道特征、设计年限内交通量平均增长率、同类项目重载道路运营情况、各处路段年平均日交通量、车辆轴载等，根据交通分析结果来确定重车方向，规划轻车道路和重车道路。长期观察多处代表路段的交通状况，结合周边城市经济发展水平、发展规划方案，判断重载道路的交通量增长规律，综合分析轴载谱内代表性与其他非代表性车型的增长规律，换算重载道路累计轴载次数增长情况，经过多次换算后，确定重载道路在设计年限内的年平均当量轴次增长率。根据交通分析结果来计算方向系数，用于判断重载道路特定方向累计当流量轴次在总体当流量轴次中占据的比例，表明对应方向通行车辆对重载道路起到的作用。而方向系数的计算依据为各方向车辆荷载和对重载道路施加的作用，如在全部方向车辆荷载完全一致时，将方向系数取值设定为1。

2.2 軸载换算

在轴载换算环节，根据项目情况来设定标准轴载及最重轴载，以基层弯沉作为控制指标，以及把失效判定标准设置为混凝土面层弯拉强度，使用相应计算公式，在公式内导入车道系数、标准轴载当次轴次、各级被换算车型轴载、轮组系数等参数，用于换算标准轴载，在以基层弯沉值、面层最大综合应力等作为指标时的计算公式有所不同。

2.3 路面材料参数设计

在该项目中，拟建单层水泥混凝土路面，中级变异等级，选用钢筋混凝土面层，综合分析面层厚度、路面材料层厚度与半刚性基层性能要求等因素，并考虑项目“荷载重、交通量小”的特点，最终采用双层基层设计方案。上基层优先选用半刚性的无机水泥稳定粒料类材料，下基层选用柔性的级配碎石材料。与此同时，严格遵循《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》（JTG E51—2009）等规范文件，采取顶面法来测定基层材料的模量，在公式中导入单位压力、试件回弹变形和试件高度数值来计算，将基层材料与底基层材料的单位压力值设定为0.5～0.7 MPa和0.2～0.4 MPa，根据计算结果、路面厚度与重载道路组合特征来确定基层材料参数指标要求。

在选用水泥稳定粒料时，弹性模量在7 000～14 000 MPa范围内;而在选用级配碎石时，回弹模量在300～700 MPa范围内。同时需要注意，将无机结合料稳定类材料弹性模量应乘以结构层模量调整系数0.5。土基材料可选用刚性承载板法来测定各类土基材料的模量值，在公式中导入各级压力值、回弹变形量、回弹模量与路基泊松比来计算模量值，将路基泊松比取值为0.35即可。随后，根据模量值计算结果来选择土基材料种类、设计路面结构厚度。基（垫）层类型——新建公路路基上修筑的基（垫）层（如表3所示）。

板底地基当量回弹模量 ET=110 MPa

中间计算结果（如表4所示）：

混凝土面层荷载疲劳应力：3.35 MPa;

混凝土面层温度疲劳应力：.07 MPa;

考虑可靠度系数后混凝土面层综合疲劳应力：3.76 MPa （小于或等于面层混凝土弯拉强度）;

混凝土面层最大荷载应力：1.96 MPa;

混凝土面层最大温度应力：.67 MPa;

考虑可靠度系数后混凝土面层最大综合应力：2.89 MPa （小于或等于面层混凝土弯拉强度）;

满足路面结构极限状态要求的混凝土面层设计厚度：350 mm;

验算路面结构层防冻厚度： 路面结构层最小防冻厚度500 mm，新建基（垫）层总厚度750 mm;

验算结果表明，路面总厚度满足路面结构层防冻厚度要求（如表5所示）。

竣工验收弯沉计算：

新建基（垫）层的层数：3;

测定车后轴轴重：100kN;

第1层顶面交工验收弯沉值LS= 24.4（0.01 mm）（根据2006版“公路沥青路面设计规范”有关公式计算）;

第2层顶面交工验收弯沉值LS=89（0.01 mm）（根据2006版“公路沥青路面设计规范”有关公式计算）;

第3层顶面交工验收弯沉值LS=139.4（0.01 mm）（根据2006版“公路沥青路面设计规范”有关公式计算）;

路基顶面交工验收弯沉值LS=129.4（0.01 mm）（根据2006版“公路沥青路面设计规范”有关公式计算），LS=168.5（0.01 mm）（根据“公路路面基层施工技术规范”有关公式计算）。

2.4 路面厚度设计

在路面厚度设计时，以弯沉值、路面结构类型、材料种类及环境适应特性作为设计依据，依次对弯拉应力和车辙等参数加以验算，判断所选路面结构类型是否合理，必要时对路面结构层次加以调整。确定路面结构组合排列方案后，选用试算法来计算各面层厚度容许范围，反复开展仿真试验来确定最佳路面厚度值，如根据试验结果判断设定不同路面厚度值时的荷载应力、结构强度与弹性模量是否达到设计要求和满足相关规范规定。

2.5 路面预防病害设计

在重载道路使用期间，受到上部车辆载荷、材料、环境侵蚀等因素影响，各类质量病害时有出现，包括裂缝、断板、龟裂等，严重破坏路面结构，影响到路面结构性能与使用寿命。因此，需要从设计角度着手，预防和减少质量病害形成，保障道路结构质量[5]。例如，针对表层裂缝病害，产生原因在于配合比设计不当，包括外加剂掺量过多、水泥用量超标等，需要对配合比方案进行优化调整，分别将碎石含泥量和砂含泥量控制在1%、3%以内，并通过增大板面设计厚度来减轻上部行车荷载对路面造成的影响。针对断板病害，需要对配合比方案中的原材料用量、骨料级配、外加剂种类、水泥品种进行调整，将水泥与砾石的单位用量控制在170 kg/m3与160 kg/m3以内，使用粒径不超过40 mm的连续级配粗骨料，使用微膨胀剂或是高效减水剂作为外加剂，使用42.5普通硅酸盐水泥。而对于基层裂缝问题，可选择在重载路面的纵横向接缝处填充适量填料，使用氯丁橡胶作为填料，起到改善路面板粘结效果、有效适应路面板收缩的作用。

3 结语

综上所述，为突破传统路面设计模式的局限性，满足现代重载道路的设计要求及建设标准，最大限度延长道路使用寿命，预防路面损害和交通安全事故出现。设计人员应加强对重载道路路面设计问题的深入研究，采取优化设计方法，根据工程实际情况对原有方案内容加以改进，保证道路路面安全。

参考文献

[1]陈文甫. 重载道路路面设计方法分析[J]. 工程建设与设计， 2021（6）： 81-82+87.

[2]杨超， 肖城. 重载道路路面设计问题探讨[J]. 交通世界， 2021（32）： 77-78.

[3]郭东亮. 重载道路路面设计问题分析[J]. 交通世界， 2021（33）： 117-118.

[4]张虎. 城市道路工程路基路面设计要点研究[J]. 科学技术创新， 2020（18）： 138-139.

[5]罗佳. 路基设计参数对路面设计的影响分析[J]. 交通世界， 2021（33）： 125-126.