沥青路面最优厚度设计方案研究

谢红飞 ，宋亮，高阳江 ，李永刚

（1.新疆农业大学，新疆乌鲁木齐830052；2.新疆维吾尔自治区交通规划勘察设计研究院，新疆乌鲁木齐830000）

随着经济的持续发展和技术的改进，我国交通事业迅速发展，路面材料沥青混凝土品种增多，性能也大大提升。但是随着道路交通量逐渐增大，车辆超载现象屡见不鲜，道路所经历的荷载频数越来越多，所承受的荷载也越来越大，导致道路提前疲劳破坏或产生车辙，严重影响了道路的整体质量和行车安全[1-4]。为了适应道路在使用年限内正常运营的要求，推动道路建设的可持续发展，提高道路建设的标准，除控制交通量，更应该优化设计沥青混凝土路面，使路面更加地耐疲劳、抗车辙，提高道路的整体质量。

本文以某高速公路为工程背景，对沥青路面的3种设计方案进行比较，确定了最优的沥青路面设计方案，用科学的方法对高速公路沥青路面进行设计，对节约资源和提高路面质量有一定的意义。

1 工程概况

本项目研究依托“S20 五工台至克拉玛依一级改建高速公路项目”开展试验路工程研究工作。S20五克高速公路项目路线起点位于G217奎克高速公路克拉玛依南收费站以南2 km 处，与克拉玛依至乌尔禾高速公路起点枢纽互通衔接，向东经奎北铁路、红山咀油田，在小拐收费站以南约9 km 以小拐互通立交接入既有S201，从小拐收费站开始沿S201 改建，至五工台收费站，路线全长206.692 km，其中新建段长19.392 km，改建187.3 km。本项目均为四车道高速公路标准，整体式路基。新建段设计速度120 km/h，路基宽度26.0 m；改建段设计速度为100 km/h，路基宽度维持25.5 m不变。

主线路面结构采用5 cm 中粒式沥青混凝土（AC-16C）+7 cm粗粒式沥青混凝土(AC-25C)+下封层+34 cm 5%水泥稳定砂砾+20 cm级配砂砾。

该项目于2017 年10 月开工，计划于2020 年10月交工，满足本项目开展课题研究需求。

2 路面结构层的选择

2.1 交通量调查

为预测拟建公路交通量情况，对已建公路进行了交通量调查，该路段交通量调查表如表1 所示。

表1 交通量调查表

调查发现该路段汽车车型为黄河JN150，日作用次数最多为580次，车型为日野KF300D日作用次数最少为60 次，可得出当量轴次N=14.06×580≥4×580次/车道，ns由式1算得。通过交通量调查综合来看该路段重荷载车辆最多，由此可以得出拟建公路对抗疲劳和抗车辙方面要求高。

式1 中，Pi为i 级轴载的重力(kN)，ni为作用次数，Ps为标准轴载重力，N 为当量轴次，C1为轴数系数，C2为轮组系数。

2.2 路面等级及类型

路面等级、面层类型取决于公路等级、交通量情况[5]。根据设计资料该拟建公路为高速公路，设计使用年限为15年，标准轴载的累积当量轴次较多，筑路材料大多为碎石土。根据上述因素，在设计时对路面材料及厚度都有严格的要求，并确定该路面等级属于高级路面。

2.3 路面结构方案确定

沥青路面结构由面层由上面层、中面层、下面层组成，面层以下由面层、基层、底基层、垫层组成[6]。其中，面层作为受各种自然因素和受车轮荷载反复作用的重要结构层，在材料种类的选取上尤为重要，路面材料的种类直接决定了路面的质量好坏，基层作为车轮荷载主要承重部分，和面层将力分布传到底基层和垫层[7]，底基层主要起次要承重的作用，底基层与基层共同受到车轮荷载的反复作用[8]，垫层的作用是排水、防冻胀、阻水等，设置在土基与底基层之间[9]。

公路路面常用的设计方法有2种：经验-力学法和力学经验法。由于拟建该路段是在已建路段基础上进行设计的，所以采用经验-力学法进行方案的对比分析。该路段标准轴载的累积当量轴次较多，所以3 种设计方案的路面面层都拟设置3 层较为合理。第1 种设计方案上面层为4 cm 的细粒式沥青混凝土，中面层为6 cm的中粒式沥青混凝土，下面层为8 cm的粗粒式沥青混凝土，基层为20 cm 的水泥稳定碎石，底基层为20 cm 的石灰粉煤灰碎石，如图1a所示。第2种方案除中面层是5 cm 的中粒式沥青混凝土和下面层是7 cm 的粗粒式沥青混凝土，其他结构厚度和材料类型与第1 种设计方案相同，如图1b 所示。第3种设计方案的上、下、中面层结构厚度与材料类型与第2 种设计方案相同，不同的是基层材料与第1、第2 种方案不一样，为石灰粉煤灰碎石，底基层为38 cm 厚的石灰粉煤灰土，如图1c 所示。3种方案的垫层中湿段都为级配碎石。

2.4 确定各结构层的设计参数

图1 路面结构设计方案

在确定路面厚度之前，要对路面温度状况进行分析。由调查资料可知，该地区年均气温为9.6～10.8 ℃，冬季较温和，不会出现极端温度，所以对冰冻指数不做分析。但是夏季会出现极端气温，有时路面温度可达60 ℃，所以考虑热流进入路面，向路基传导影响因素，面层越厚热传导越慢，对沥青面层进行月平均温度估算时，可采用美国沥青协会（AI）法中维特查克导出的公式进行计算，如式2所示。

式2 中，MMPT 为月平均气温（℃），Z 为路面表面下的深度（m）。

根据《公路沥青路面设计规范》附录D[10]，设计半刚性材料的参数时常采用抗压回弹模量，由此得到上、中、下面层材料的抗压回弹模量，针入度和劈裂强度值，其中抗压模量是在20 ℃和15 ℃下的取值。根据设计规范和要求，先确定材料的类型。表2为沥青混合料设计参数。

表2 沥青混合料设计参数

参考已建段公路基层材料设计参数得到二灰碎石、水泥碎石、石灰水泥粉煤灰砂砾等材料的配合比、抗压模量以及劈裂强度，基层材料设计参数如表3 所示。基层材料的各项指标与路面质量有直接的关系，其中对材料设计参数影响较大的是二灰碎石7 d 饱水抗压强度，影响二灰碎石强度的因素有石灰品质和剂量[11-12]。

表3 基层材料设计参数

3 数值模拟对比

3.1 模型建立

为了得到3 种方案在同一荷载下的弯沉值大小，根据不同厚度、不同材料建立3 个方案的模型，如图2所示，图2a为第1种方案的模型，图2b为第2种方案的模型，图2c为第3种方案的模型。

3.2 施加荷载

图2 3种方案模型

材料参数通过已有实验的资料获得，添加材料参数后，对3个模型的三边施加约束，约束方式为固定约束。接着在路面施加荷载200 kN/m2，进行静力分析。通过静力分析得到变形云图，如图3所示。图3a为第1种方案的位移云图，图3b为第2种方案的位移云图，图3c为第3种方案的位移云图。从位移云图可以看出方案三的位移最小。

图3 3种方案位移云图

4 路面设计弯沉值计算

从规范《公路沥青路面设计规范》中可以得到在正常使用期内的不利季节[13]。在路面出现临界破坏时的最大回弹弯沉值，是一个变化值，是理论上的最小值，也是允许弯沉值，可由式3 得为3.322 cm。路基路面的弯沉值设计计算也是公路设计的重要组成部分，设计弯沉值和施工后检测的弯沉值互相验证，工程竣工后在第1 年内不利季节中标准轴载作用下，路面的最大回弹弯沉值，一般被认定为路面工作年限内的最小弯沉值，其计算式如式3 所示。由该式可以得到3 种方案的设计弯沉值。

式3 中，N 为设计年限内一个车道上累积当量轴次，取14.06×580 次/车道；Ac为公路等级系数，高速公路取1.0，As为面层类型系数，沥青混凝土面层取1.0。

式4 中，Ab为基层类型系数，对半刚性基层、底基层总厚度等于或大于20 cm时取1.0。

4.1 3种方案弯沉值

面层材料类型均为碎石沥青混凝土，方案一的面层较厚，取面层类型系数As为1.0，方案二和方案三面层厚度相同，取面层类型系数As为1.0。因为该公路为高速公路，所以公路等级系数Ac取1.0。由于方案一和方案二的基层厚度均为20 cm，并且材料类型均为半刚性下卧层基础，所以取基层类型系数Ab为1.6，方案三为半刚性类型，所以取基层类型系数Ab为1.0。设计年限内1个车道上累积当量轴次N在2.1中已经得出为14.06×580次/车道。由此可以得出方案一的弯沉值和方案二的相同为1.98 cm，方案三弯沉值最小2.83 cm。

4.2 路面允许应力计算

路面行驶的车辆对路面产生力，一种力垂直于路面，一种力与路面平行，平行的车荷载对路面的摩擦力，该摩擦力对路面产生了拉力，在设计时路面的容许拉应力也是必须验算的指标。允许路面应力可由式5 得到。可由该式对3 种方案路面的允许应力进行计算。

式5 中，σR为允许应力，Ks为回弹模量湿度调整系数，可由式6得到：

式6 中，Aa为沥青混凝土级配类型系数，细、中粒式沥青混凝土为1.0，粗粒式沥青混凝土为1.1。

无机结合料稳定集料类的Ks取值如式7：

根据容许拉应力计算公式，计算得到3 种方案各材料的容许拉应力如表4所示。

表4 设计资料汇总表

4.3 路面厚度软件计算

为了验证3 个方案的路面厚度设计值是否合理，采用双圆均布荷载作用下多层弹性层状体系理论编制的专用设计程序进行对比。计算软件选择HPDS2006，分别对3 种方案的厚度取值进行设计程序系统计算，计算结果如下表5 所示，从表中可以得到3 种方案的程序计算值都在允许弯沉值范围内，第3 种方案的程序计算值最大。路面层厚度第3种方案的最小。

表5 设计层厚度计算表

5 方案比选

经过上述验算，3 种方案均能满足设计要求。从设计技术指标角度出发，第3 种方案的各项技术设计指标都优于第1 种和第2 种设计方案。从经济方面进行比较，方案一与方案二均采用了水泥稳定碎石结构层，而该种形式结构层养护需要大量水，相比方案三用水量相对较少。通过对3 种方案的建筑安装工程费进行比较，就目前市场价格而言，方案一的建安费为205.14 元/m2，方案一的建安费为196.99 元/m2，方案一的建安费为190.27 元/m2。综合分析，不管在设计技术指标方面还是经济方面，第3 种方案为最佳方案。

6 结论

通过对拟建公路3 种不同路面方案的比较发现，在设计年限内1 个车道上累积当量轴次N 为14.06×580 次/车道时，方案一的弯沉值和方案二的相同为1.98 cm，方案三弯沉值最小2.83 cm。

从设计技术指标方面比较，第3 种方案的各项技术设计指标都优于第1 种和第2 种设计方案。从经济方面进行比较，方案三的造价最低。通过数值分析得到第3 种方案的位移最小。综合分析第3种方案为最佳方案。