重载道路路面设计方法分析

2022-09-14崔晓如

交通世界 2022年23期

关键词：交通量模量沥青路面

崔晓如

（山西省交通规划勘察设计院有限公司，山西太原 030006）

0 引言

如今的公路运输表现出重载的特点，这对路面提出了很大考验。为适应这种变化和要求，很多地区的重载交通道路都围绕重载这一特点开展路面设计，以此减小重载交通对路面造成的不利影响，延长路面使用寿命和保证公路通行安全。

1 交通调查

1.1 交通组成

当路面结构交通组成设计完全一致时，若遇到相同的超载状况，则以水泥混凝土路面比较敏感，柔性路面往往不敏感，也就是说当路面刚度较大时，重载带来的影响较大。基于此，在实际的路面设计过程中，应做好轴载调查及分析。

1.2 增长率

对于交通量的平均增长率，主要反映中型载重车对应的交通量实际增长情况。对重载道路而言，年均日交通量中，重型车所占比例并不大，但如果换算成标准轴载作用次数，则会很大，这说明重型车辆对应的增长率会对标准轴载作用次数造成较大影响。基于此，对重载交通沥青路面设计的过程中，应对一般车辆与重载车辆对应的增长率分别进行估计，然后再以估计结果为依据通过计算确定年均当量轴次增长率[1]。

1.3 方向系数

在重载交通道路中，通过交通量调查及轴载测试可知，在重载交通道路中通常具有两个方向车辆实际交通量没有明显差别，但累计标准轴次却有较大偏差的情况。由于重载交通道路主要用于运输大件货物或专项货物，所以车辆负载方向性显著。对此，需对重载与轻载方向分别进行设计，采用不同的路面结构，防止轻载方向路面设计太过保守导致浪费[2]。

1.4 标准轴载与轴载换算

对重载进行分析时需要对重载进行界定，即重载标准问题。以某地区路网为例，其重载调查结果如表1所示。

表1 某地区路网重载调查结果

从以上结果可知，可将重载轴重标准选择为13t。

轴载换算过程中，还涉及等效原则问题。现行规范所用轴载换算公式就是以等效原则为基础，从双层体系轻、重车型的理论分析和实测的弯沉比，与容许弯沉值的调查结果相联系得出的。如今，重载与超载车辆不断增加，而采用半刚性基层结构的沥青路面也越来越多，所以和路面面层结构耐久性之间并没有直接关系，对此，应建立一个以等效原则为基础的轴载换算方法，以疲劳与车辙两个沥青路面主要病害为切入点，最大限度考虑行车可能给路面造成的负面影响[3]。

2 重载交通路面破坏原因

在路面厚度设计过程中，交通轴载作为重要参数，在当前的设计工作中一般将标准轴载确定为100kN，但实际情况中路面行驶的车辆经常超限，导致实测轴载远超设计确定的标准轴载，某些情况下甚至可以超出一倍。基于这种情况，为避免路面破坏，应适当增加面层等结构层次的厚度。不同超载水平下路面结构指标变化如表2所示。

表2 不同超载水平下路面结构指标变化

根据表2数据可知，当车辆的轴重增加20kN时，表2所有指标均明显增大，幅度在19%左右，如果轴重从100kN提高至200kN，则底基层自身弯拉应力也将增加1倍左右。为适应这种轴重情况，需要增加37cm左右的底基层厚度。在结构疲劳方面，伴随轴重增加，结构疲劳寿命快速衰减。

根据上述分析结果，当实际轴载远超标准值时，轴载进一步增加给路面带来的影响是十分显著的。因轴载是一种潜力极大的路面破坏因素，所以即便低频率超载也会使路面受到很大影响，进而导致破坏。基于此，超载是导致路面出现早期疲劳破坏与各项使用性能降低的重要因素之一，在设计中必须引起相关人员的高度重视。

3 重载交通路面设计步骤

根据之前的研究成果与现行技术规范，对于重载交通条件下的路面，可按照以下步骤进行设计：

步骤一：广泛收集各类交通资料，主要包括以下方面：①初始年日均交通量及其组成；②轴载谱；③超载方式与规律；④历年来的交通量及其组成；⑤方向分配系数；⑥车道分配系数；⑦轴载年均增长率。根据这些交通资料能确定道路是否可以进行重载交通条件下的路面设计，当确定可以进行时，则可利用之前的研究结果开展轴载换算，并对使用年限内对应的累计标准轴次进行计算，最后对设计弯沉进行计算。

步骤二：对沿线范围内的地质情况、土质情况与筑路材料基本情况进行收集，同时结合原路面具体使用状况及病害和破坏情况，确定适宜的筑路材料，并初步确定路面结构。此外还需通过试验检测确定不同结构层次各项设计参数，如抗压回弹模量及劈裂强度。

步骤三：以设计弯沉值为依据对路面厚度进行计算，同时对以下参数进行验算：①半刚性（底）基层的容许弯拉应力；②半刚性（底）基层的极限弯拉应力；③土基顶面容许压应变。如果通过验算发现无法达到要求，则要对路面不同结构层次的厚度进行调整，或对路面结构层次组合进行变更，之后重新计算，直到结果满足要求。

4 重载交通路面设计方法

4.1 土基

在沥青路面设计过程中，土基回弹模量对结构层厚度有直接影响，即便发生很小的变化也会影响到结构层厚度。基于此，所选土基回弹模量合理与否，在一定程度上决定了路面经济性及安全性。

经检测，在高等级公路项目中，其沥青路面大多采用的是半刚性基层，由于受到标准轴载不间断作用，双轮缝隙中心代表弯沉通常不超过0.5mm，大多在0.10~0.35mm之内波动；在受到重载交通的作用及影响后，产生的回弹变形现象将向后延伸。对0.3mm和0.6mm两种回弹变形现象进行对比后可得，对于0.6mm的回弹变形现象，与0.3mm的回弹变形相比，土基模量小2%~6%。

按照承载板法实时测定回弹模量的过程中，宜选取回弹变形不超过0.6mm的点，借助线性归纳法对土基模量进行计算。公路建设对路基土的要求实际上和公路等级无关，但不同等级的公路，其压实标准和路基的干湿状况通常有明显差别。

基于此，对土基自身非线性特征进行综合考虑，结合相关实践检测，提出以下土基模量推荐值：对于三级公路，当路基为土质路基时，土基模量建议取40~50MPa；对于三级和二级公路，当路基为土质路基时，土基模量建议取50~65MPa；对于一级公路，当路基为土质路基时，土基模量建议取65~75MPa，而当路基为石质路基（包括土石混填路基）时，模量建议取55~75MPa[4]。

4.2 基层

4.2.1 半刚性基层

作为沥青路面最常用基层，伴随超载与超限交通持续增多，路面所受到的力与变形范围都会有明显的变化。为明确材料受重载作用后模量产生的变化，同时确定材料自身模量数值，以水泥稳定碎石为例，对其进行抗压试验。从试验结果可知，当荷载增加时，试件产生的变形也变大。在单位压力低于0.7MPa的情况下，基层材料的应力和应变关系曲线呈线性；而在单位压力超过0.7MPa的情况下，基层材料的应力和应变关系曲线为非线性。在确定材料自身模量数值的过程中，需将荷载增加至极限强度的0.8倍[5]。

在选定基层抗压模量时，应先明确交通类型。规范值的提出都是针对高等级公路现有施工控制水平采用试验的方法完成的。但目前很多路网都不超过二级，因资金或其他因素的限制，导致施工水平和质量控制水平都不高，因此基层材料性能可能略差。结合大量现场调查与试验分析结果，对于以二级及以下公路为核心的路网，其基层材料模量及强度的建议值如表3所示。

表3 二级及以下公路基层材料模量及强度建议值

4.2.2 粒料基层

在粒料基层中，虽然级配碎石可以承受的应力低于沥青混凝土，但因具备强化材料特征，所以在到达塑性阶段后，承载力可以得到很好的发挥。另外，该结构可承受很大变形。不同因素协同作用，使材料吸收并储存大量应变能。当前的技术规范对粒料基层模量的推荐值相对较小，在这种情况下，路面施工过程中即便所选碎石级配未能达到要求或基层不密实，则顶面弯沉也很容易达到设计要求。级配碎石模量和基层厚度及下承层强度有直接关系。在实际应用过程中，需要以下承层强度为依据取值[6]。

4.3 沥青材料

在采用半刚性基层结构的沥青路面中，面层所受荷载应力以压应力为主，受到的弯拉应力很小，比基层小很多。在这种情况下，如果不考虑时间与温度等因素的影响，沥青材料可以在原应力区间连续工作。因此，在重载交通道路中，沥青材料模量可按照相关规范提出的推荐值取值。A级道路石油沥青70#应达到表4的要求，SBS聚合物改性沥青应达到表5的要求。