行车荷载作用下沥青混凝土路面结构设计

发表时间:2017/11/10   来源:《基层建设》2017年第22期   作者:付毅
[导读] 摘要:沥青混凝土路面结构设计直接关系到路面的结构性能以及使用寿命,对车辆的行驶安全及舒适性具有十分重要的影响。

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        摘要:沥青混凝土路面结构设计直接关系到路面的结构性能以及使用寿命,对车辆的行驶安全及舒适性具有十分重要的影响。本文对沥青混凝土路面结构设计进行了分析,并结合工程实例,介绍了行车荷载作用下的沥青混凝土路面结构设计。
        关键词:超载;沥青混凝土路面;结构设计
        沥青混凝土路面具有强度大、稳定性好、行车舒适、平整性高、噪音低、维护简单等优点,在公路建设中得到广泛的应用。但是,随着我国国民经济的快速发展,我国交通运输日益繁重,超载现象日益突出,对沥青混凝土路面造成了巨大的影响,严重降低了路面的使用性能。因此,研究超载条件下沥青混凝土路面结构设计,确保超载条件下路面使用性能具有十分重要的意义。
        1 沥青路面设计
        1.1 设计方法
        沥青路面结构是承受交通荷载的直接载体,也经受外界环境变化带来的影响,因此路面设计方法对决定路面结构类型和厚度至关重要,同时不同的设计方法,其理念和方法也有区别,有其各自的使用范围和特点。现行规范要求下,路面结构设计需以满足沥青路面整体刚度与沥青层或半刚性基层、底基层抗疲劳开裂的要求作为路面设计的标准。在此条件下,实际设计中一般以沥青路表面回弹弯沉值和各材料层的层底拉应力为路面结构的设计指标,主要原则有以下两点:
        1)控制路基路面结构的总变形,防止由于沉降等整体强度不足引起的破坏,采用弯沉设计指标,轮隙中心处实测路表弯沉值ls应不大于设计弯沉值ld,即ls≤ld;
        2)防止沥青路面各层在车载反复作用下疲劳开裂,采用拉应力指标,沥青路面各层层底拉应力不大于该材料的容许拉应力,即σm≤σR。
        1.2 设计步骤
        根据道路等级、使用要求、交通条件,沥青路面结构设计按如下步骤设计:
        1)按照设计任务书的要求,通过对交通量的调查收集,确定路面等级、面层类型和一个车道设计年限内的累计当量轴次Ne,以此计算设计弯沉值;
        2)按路基土的种类和干湿类型,把路基划成若干路段(大规模机械化施工每段长度应该大于1km,一般情况下长度不小于500m),确定各段路基回弹模量;
        3)初拟几种路面结构方案,利用配合比试验,测量所选材料抗压回弹模量、抗拉强度,拟定路面各层的材料设计参数;
        4)按照设计弯沉值确定路面厚度,并验证各层层底拉应力是否满足要求。若不满足容许拉应力要求,可对各结构层厚度、路面结构组合、材料配合比等进行调整,并验算季节性冰冻地区防冻厚度;
        5)排水设计,按照路段所在位置的地质水文条件及路面结构形式来确定是否采用路面结构内部及边缘排水系统等排水设施;


        3 工程实例分析
        3.1 工程背景
        拟新建道路为二级公路,设计车速为60km/h,双向六车道。根据《公路自然区划标准》第3.0.1—3.0.2条,本区属二级自然区,沿线筑路材料供应丰富。
        3.2 确定累计当量轴次及设计指标
        由调查及现有统计资料可知,交通量以每年7%的速度增长。根据相关规范,车道系数η取0.4,设计年限为12年。
        由式(5)可知,设计年限内以设计弯沉值和沥青层层底或半刚性材料结构层层底拉应力为要求一个车道上的累计当量轴次分别为1.92×107和1.91×107,在此条件下,两者均属于重交通等级。由此可见,按设计弯沉值及沥青层层底拉应力为标准时设计更安全。实际工作中,需同时验算设计弯沉值及拉应力两项。
        3.3 初步拟定路面结构类型
        根据以往工程经验及当地施工情况,初步拟定该二级公路路面结构为18cm的沥青混凝土面层+40cm的水泥稳定碎石基层+15cm的级配碎石底基层。其中,面层从上至下分别为苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物(SBS)改性4cm细粒式沥青混凝土AC-13C、6cm中粒式沥青混凝土AC-20C(SBS改性)和8cm粗粒式沥青混凝土AC-25C。基层为20cm水泥稳定碎石(5%)+20cm水泥稳定碎石(3%)。如表4所示。
        3.4 确定材料模量
        材料模量设计时参考沥青路面设计规范,具体见表5和表6。
        确定本二级公路设计中每层材料的劈裂强度和20℃时的抗压模量。20℃时每层材料的抗压模量:细粒式和中粒式沥青混凝土分别为1400MPa和1200MPa;水泥稳定碎石(5%和3%)分别为1500MPa和1300MPa;级配碎石为200MPa。每层材料的劈裂强度:细粒式、中粒式和粗粒式沥青混凝土分别为1.4MPa、1.0MPa和0.8MPa;水泥稳定碎石(5%)为0.5MPa;水泥稳定碎石(3%)为0.5MPa,由勘查资料及规范得土基回弹模量为36MPa。
        3.5 确定设计指标
        确定设计指标主要采用设计弯沉值和容许层底拉应力,采用公路路面设计程序系统HPDS2011对设计指标进行计算,用相同方法验算剩余面层厚度,限于篇幅不再具体说明。结果显示,初步拟定面层结构及厚度均能够满足按设计弯沉值及容许拉应力两方面的要求。
        4 结语
        综上所述,日益繁重的交通流量以及超载现象的存在,对沥青混凝土路面的结构设计提出了更高的要求。在行车荷载作用下沥青混凝土路面结构设计中,设计人员要结合当地的实际情况,因地制宜,选择合适的材料进行施工,并合理设计路面结构方案,引进先进的技术措施,从而确保沥青混凝土路面施工的经济合理,保障路面的良好性能。
        参考文献
        [1]沥青混凝土路面结构设计中若干问题探讨[J].陈华斌,郑少鹏,徐默楠,程志豪,张莹莹.公路交通科技(应用技术版).2016(07).
        [2]高等级公路沥青混凝土路面结构设计[J].黄小云.黑龙江交通科技.2016(09).

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