毛九线共振碎石化路面结构设计计算探讨

李婷婷

(中交公路规划设计院有限公司，北京 570100)

1 工程概况

本项目起点位于抱由镇西南侧，迎宾路与乐福南路交叉口北(K47+118)，顺接迎宾大道，为六车道市政路。沿着现状省道S313布线，线位基本与原路重合，经扫水、抱由镇综合农场、畜牧场、水梅村后，沿原毛九线线位穿越千家镇镇区，继续沿既有道路向南延伸，经抱用村、温仁村、跨越G98高速(利用现有桥梁)，终于已建九所镇(K91+294.2)，与“九龙大道”市政路起点位置，路线全长44.176 km。

该项目采用共振碎石化路面结构设计，目前此类结构路面实际工程较少，缺乏设计施工参考依据，本文基于《公路沥青路面设计规范》(JTG D50—2017)的验算方式，使用毛世怀公路路面设计系统对共振碎石化路面结构弯沉进行验算，比较其与正常、同等等级下沥青混凝土路面的结构弯沉，论证该项目共振碎石化路面结构设计的合理性，并阐述了碎石化施工工艺，供类似工程设计施工参考。

2 交通量计算

2.1 交通组成及交通量

按照相关规范[1]要求，不同车型折算系数如图1所示。项目沿线千家交通量观测站2019年1月～2019年6月的数据见表1。

图1 不同车型折算系数示意

表1 千家观测站2019年1～6月交通量情况

2.2 交通量计算

基于项目沿线千家交通量观测站数据、采用二级公路交通模型预测，其中交通量计算参数取值见表2，车辆满载率比例见图2[2]。

表2 交通量计算参数取值情况表

图2 车辆满载率比例

计算得：在设计使用期内，设计车道大型客车和货车交通量总计值预测为1.94×106辆，此类车型初始年的交通量计算值为379辆/日，所以毛久路设计交通荷载等级为轻。

开展沥青混合料和无机结合料稳定层疲劳验算时，均取设计使用期内的当量设计轴载累计作用次数[3]，结算分别为3.21×106次和1.036×108次。

进行沥青混合料层永久变形量和路基顶面竖向压应变计算时，分别取通车至第一次车辙维修期限间的当量设计轴载累计作用次数及设计使用年限内的当量设计轴载累计作用次数，计算结果分别为1.21×106次和4.59×106次。

3 路面结构设计

3.1 共振碎石路面结构计算

毛久线改造项目采用共振碎石化路面结构设计，此类路面结构在实际工程中应用就少[4]，本文在整理及了解该项目共振碎石化设计方案后，确定共振碎石化设计指标要求，共振碎石化层顶面模量要求不小于300 MPa。全厚度范围内碎石化层粒径为8～20 cm，与路面形成35°～40°夹角。

(1)材料参数选择

该改造工程路段各结构层厚度及材料参数如图3所示。

图3 各层厚度及参数取值情况

(2)第3层无机结合料稳定层疲劳开裂验算

根据原路面结构设计概况，对该层面无机结合料稳定层疲劳开裂进行验算。计算结果见表3。

表3 第3层无机结合料稳定层疲劳开裂验算

(3)第5层无机结合料稳定层疲劳开裂验算

根据原路面结构设计概况，对该路面无机结合料稳定层疲劳开裂进行验算。计算结果见表4。

表4 第5层无机结合料稳定层疲劳开裂验算

(4)沥青混合料层永久变形量验算

永久变形量计算的等效温度为30.3 ℃，通车至第一次车辙维修期内当量设计轴载累计作用次数为1.21×106轴次。分5层计算。第1层、第2层、第3层、第4层、第5层永久变形量计算结果分别为0.32、0.86、1.50、1.07和0.62 mm。总变形量为4.37 mm，小于其允许值20 mm。

计算表明：沥青混合料层永久变形量验算满足要求。

(5)弯沉计算

第1层和第2层车辙试验动稳定度技术要求分别为5 139次/mm和 2 412次/mm，根据文献1相关条文规定，计算得到路表验收弯沉值为33/0.01 mm。

3.2 沥青路面结构计算

新建沥青路面结构层厚度及材料参数如图4所示。

图4 沥青路面结构层厚度及材料参数

在工况一致的情况下，经计算：本结构层无机结合料稳定层疲劳开裂验算满足设计要求，沥青混合料层永久变形量满足规范要求；路表验收弯沉值LA为36.8/0.01 mm。

3.3 结果对比

共振碎石路面和沥青路面单位造价及竣工最大拉应力和最大弯沉值对比见表5。

表5 共振碎石路面与沥青路面结构经济性与力学性能对比

研究表明：本项目采用共振碎石化路面结构，其各项指标满足规范要求，交工验收弯沉值满足设计要求，略小于新建沥青路面结构层，且差值较少，不造成投资浪费，该方案在实施及使用阶段可实现良好的使用性能及经济效益。

4 共振碎石化施工工艺

4.1 碎石化层碾压

碎化路面需首先采用碾压性能满足要求的压路机压实。为保证压实质量，应避免过压或少压，严格按照规范要求的工艺进行操作。碾压顺序和普通无机结合料路面相同，对于直线和不设超高的平曲线路段，从两侧路肩向中心开展，设超高的平曲线路段，从内侧向外侧开展。

4.2 局部软弱地段处治

碎石工艺实施后需立即清理该碎石层，加强低刚度区域，操作过程中需结合实际情况增设保护措施。

4.3 碎石化层清理

碎石表层碎块尺寸需小于5 cm，否则需清理抛除，并回填尺寸性能满足要求的石屑，杜绝碎石层的钢筋外露，对于外露钢筋，应截断处理，确保钢筋与碎石层顶面齐平。破碎的标线应予以清理。

4.4 碎石化层保护

碎石化工艺操作后，需进行交通管理，控制施工车辆非必须通行，尽量避免施工车辆在碎石化层上刹车或者启动，禁止与施工无关的车辆和人员通行。同时，做好充分的防水排水工作。

4.5 验收

碎石化路面需进行专门的质量检测，内容主要包括碎化层的粒径范围、碎化的纹路、碎化后顶面回弹模量。

5 结 语

毛九线改造项目采用共振碎石化路面结构设计，此类路面结构在实际工程中应用较少，本文在整理及了解该项目共振碎石化设计方案后，确定共振碎石化设计指标要求，开展路面结构方案设计，对比共振碎石路面和沥青路面的使用性能和经济性能。计算表明，本项目采用共振碎石化路面结构，其各项指标满足规范要求，交工验收弯沉值满足设计要求，略小于新建沥青路面结构层，且差值较少，不造成投资浪费，该方案在实施及使用阶段可达到良好的使用性能及经济效益。

现毛九线改造项目已进入施工收尾阶段，根据施工实际情况反馈，毛九线改造项目交工竣工弯沉值满足设计要求，处理面模量要求较易达到，说明共振碎石化层顶面模量对标级配碎石顶面模量要求不小于300 MPa是合理的，如此结构设计是经济且可行的，本文设计和施工方法可为此类路面结构提供参考。