中南地区干线公路沥青路面改建结构设计研究

张 明

(吉林建筑大学城建学院，长春 130111)

国省干线公路在地区经济建设中发挥着举足轻重的作用.但干线公路修筑时间较早，其设计和施工技术标准相对较低，干线公路破坏严重,这对于地区经济发展十分不利，所以对于现有旧路进行改建的研究显得尤为必要.本文通过中南地区实地调查检测，收集大量资料.对湖区沥青路面在特殊的地形地貌、水文气象、地质条件下各种病害及产生的原因进行分析，提出了柔性和半刚性基层沥青路面结构方案，并采用我国设计方法和AASHTO方法对改建结构进行了验证.

1 改造工程结构方案结构力学验算

1.1 路面结构形式

目前，该路段沥青路面存在的主要问题是半刚性基层路面结构承载能力不足，路表面纵横向裂缝多和路面水损坏严重，若不及时采取措施，将出现大面积严重破坏现象.针对以上的路面破坏的特点，本文提出两种路面改建结构[1-2]形式(见表1).

1.2 按照我国弯沉指标和层底弯拉应力[3]进行验算分析

(1) 计算累计当量标准轴次. 对于弯沉和沥青层底弯拉应力验算，由交通量调查求得路面竣工第一年的单向标准轴次N1为2 477次/日,取车道系数为1，一个设计车道设计年限内累计当量轴次为1.36×107(BZZ-100).而对于半刚性底基层层底弯拉应力验算，BZZ-100荷载下的设计年限12年的累计当量标准轴次为1.20×107.

(2) 计算结构(见表2). 由于旧路模量不均匀，根据现场实测值，本文将旧路模量分为具有代表性的300MPa和500MPa.

表1 路面改建结构形式汇总

表2 计算结构

(3) 计算结构参数(见表3).

表3 按照我国设计方法的结构参数[3]

注：“*”表示的抗压模量，仅在计算拉应力时使用.

(4) 结构弯沉和层底拉应力计算结果. 采用东南大学的HPDS2006路面结构设计软件计算，得到的结构弯沉和层底拉应力结果见表4.

表4 HPDS2006程序计算结果

从表4计算结果可以看出，半刚性基层和柔性基层路面结构的弯沉指标和层底弯拉应力验算都能够满足要求，且大厚度半刚性路面结构的计算结果更加安全.

1.3 按照AASHTO设计方法[4]进行验算分析

(1) 累计标准轴次. 根据实测代表车型的交通数据，根据AASHTO的计算公式，换算成标准荷载80kN下的累计标准轴次，双向累计标准轴次2.83E+07，车道系数取1，方向分布系数取0.5，设计累计标准轴次4.24E+07.交通量车型比例汇总见表5.

表5 交通量车型比例汇总

根据设计文件，交通量增长率为4%，设计使用年限为12年.

(2) 计算结构和基本结构参数(见表2和表3).

(3) AASHTO计算基本参数(见表6).

(4) 计算结果(见表7，表8).

表6 AASHTO计算基本参数

表7 半刚性路面结构计算结果

表8 柔性路面结构计算结果

注：2%水泥级配碎石是鉴于级配碎石和水泥稳定碎石之间的一种材料，所以结构系数取值时，需要对水泥稳定材料进行折减.

AASHTO疲劳方程：

式中，Mr为路基土有效回弹模量；D1，D2…Dn为各结构层的厚度；a1，a2…an为各结构层的结构系数；m1，m2…mn为各结构层的排水系数；Wt18为80kN单轴荷载的容许作用次数；Pt为在服务期末的服务能力指数；Za，S0分别是正态偏差、标准差；SN为考虑当地的降水和排水条件的路面结构数，SN=D1×a1+D2×a2×m2…Dn×an×mn.

图1 荷载圆图示及计算点位

根据上述AASHTO公式计算的疲劳寿命如表9.

表9 AASHTO计算结果(标准荷载80kN)

从以标准荷载80kN的AASHTO计算结果可以看出，半刚性的路面结构类型要明显优于柔性路面结构类型，但是在路面反射裂缝的防治反面，级配碎石有自己明显的优势，尤其在一些路基不均匀的湖区地区.AASHTO方法计算结果要比我国设计方法计算结果要大，分析其原因，主要有两点：

(1) AASHTO设计方法在参数取值上与我国设计方法有所不同，我国设计方法都是以代表值为标准，而代表值会导致参数取值的降低；

(2) 我国的标准轴载为100kN，而AASHTO方法的标准轴载为80kN,这也是也是国外计算轴次和设计累计标准轴次高的一个原因.

1.4 BISAR3.0路面分析软件结构验证

运用BISAR程序计算，所采用计算参数如表10所示.

表10 标准轴载计算参数

本文在计算沥青路面结构内的应力情况时，考虑到荷载具有对称性，所以在两轮荷载的中心、单轮轮心和荷载圆的内侧边缘处等位置进行计算，如图1所示.

对结构组合进行验算时，采用BISAR程序计算结果如表11所示.

表11 BISAR程序计算结果

注：半刚性基层路面修正后计算弯沉为21.39，柔性基层路面修正后的计算弯沉为33.97.

2 结语

(1) 根据当地交通状况和气候条件等因素，针对该路段路面破坏的现状，提出适宜在湖区地区使用两种改建结构方案，分别为半刚性基层沥青路面结构方案、柔性基层沥青路面结构方案；

(2) 分别运用我国的设计方法、AASHTO设计方法、对半刚性基层和柔性基层沥青路面设计方案进行计算，两种设计方法计算的结果均满足设计要求.最后笔者SHELL公司的BISAR3.0软件进行结构验算，其结果均能满足要求；

(3) 根据计算结果和两种路面结构的实际使用情况分析，大厚度的半刚性基层路面承载力提高明显，而级配碎石基层路面防治反射裂缝的性能比较优越.建议根据当地交通量情况和气候情况，选择适合中南地区路面结构，这对于提高当地公路服务水平和增加道路的使用寿命尤为重要.

参 考 文 献

[1] 公路沥青设计规范(JTG D50-2006)[S].北京：人民交通出版社，2006.

[2] 陈忠达,武建民,张小荣,徐 强.干线公路沥青路面典型结构的研究[J].公路交通科技,2001,18(2):9-12.

[3] 邵显智,邵敏华,毕玉峰,孙立军.沥青混合料泊松比的测试方法[J].同济大学学报,2006,34(11):1470-1474.

[4] (美)黄仰贤.路面分析与设计[M].北京：人民交通出版社，1994:387-396.