重載道路路面設(shè)計(jì)方法探究
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摘要：重載道路運(yùn)行車(chē)輛的荷載較高，載重超過(guò)30t，對(duì)路面損傷較大，需通過(guò)合理設(shè)計(jì)強(qiáng)化路面結(jié)構(gòu)?；诖?，提出一種重載道路路面的設(shè)計(jì)方法，結(jié)合重載道路路面工程實(shí)踐，總結(jié)設(shè)計(jì)方法的實(shí)踐要點(diǎn)，為重載道路路面設(shè)計(jì)工作提供參考。
關(guān)鍵詞：重載道路；路面設(shè)計(jì)；軸載
0引言
隨著交通行業(yè)的發(fā)展，大件貨物的運(yùn)輸增多，運(yùn)輸車(chē)輛的軸重儀檢測(cè)結(jié)果顯示，其單軸軸重大多超過(guò)13t，且部分運(yùn)輸車(chē)輛存在超載現(xiàn)象，加大路面負(fù)荷，縮短道路使用壽命。對(duì)此，需根據(jù)重載車(chē)輛設(shè)計(jì)專(zhuān)用重載道路路面。
1重載道路路面設(shè)計(jì)方法
重載道路的運(yùn)行車(chē)輛荷載顯著高于常規(guī)車(chē)輛，重載道路路面設(shè)計(jì)方法與常規(guī)道路路面設(shè)計(jì)有所差異。本文結(jié)合重載車(chē)輛特點(diǎn)，提出一種路面設(shè)計(jì)方法，確保設(shè)計(jì)路面結(jié)構(gòu)具備較高承載力，提高重載道路路面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，避免其在車(chē)輛荷載作用下出現(xiàn)損壞。設(shè)計(jì)流程要點(diǎn)如下。
1.1交通分析
在道路路面設(shè)計(jì)前，需獲取道路的交通量、車(chē)輛軸載等數(shù)據(jù)，計(jì)算道路路面使用期限內(nèi)的累計(jì)標(biāo)準(zhǔn)軸載作用次數(shù)及方向系數(shù)。以瀝青路面為例，其軸載換算采用不同等效換算公式。彎沉等效公式、彎拉等效公式、車(chē)轍等效公式依次見(jiàn)式（1）～（3）：式（1）～（3）中：C1、C1'為車(chē)輛的軸數(shù)系數(shù)；C2、C2'為車(chē)輛的輪組系數(shù)；N為不同軸載的累計(jì)作用次數(shù)，其計(jì)算公式為：式（4）中：N1為標(biāo)準(zhǔn)軸載情況下的行車(chē)道使用初期的累計(jì)作用次數(shù)；γ為當(dāng)量軸次增長(zhǎng)率，為道路的常規(guī)車(chē)輛與重載車(chē)輛預(yù)測(cè)運(yùn)行增長(zhǎng)率的平均值；t為行車(chē)道使用時(shí)間。同時(shí)，設(shè)計(jì)人員應(yīng)結(jié)合重載道路的實(shí)際應(yīng)用狀況，根據(jù)道路的交通量與車(chē)輛分布運(yùn)行狀況，明確重車(chē)方向，規(guī)劃設(shè)計(jì)道路的輕車(chē)車(chē)道與重車(chē)車(chē)道，分別設(shè)計(jì)不同方向，避免重載道路中的輕車(chē)方向設(shè)計(jì)的路面結(jié)構(gòu)相對(duì)保守，具備過(guò)高承載力，浪費(fèi)路面建設(shè)材料。
1.2路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
在完成路面系數(shù)分析后，需擬定路面結(jié)構(gòu)，選擇合適材料，使路面彎沉值與最大拉應(yīng)力符合要求。考慮到重載道路的特殊性，瀝青路面的典型結(jié)構(gòu)包括四類(lèi)，從下至上的路面結(jié)構(gòu)順序如下：①土基層、石灰土層、水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石層、瀝青混凝土層；②土基層、二灰土或石灰土層、二灰碎石層、瀝青混凝土層；③土基層、二灰土層、水泥石灰穩(wěn)定級(jí)配碎石/礫石層、瀝青混凝土層；④石灰土層、水泥碎石層、振碾式混凝土層、瀝青混凝土層。設(shè)計(jì)人員可根據(jù)實(shí)際狀況計(jì)算各類(lèi)型路面結(jié)構(gòu)的彎沉值與最大拉應(yīng)力等參數(shù)，選擇某一典型路面結(jié)構(gòu)，也可根據(jù)典型路面結(jié)構(gòu)的各個(gè)層次，重新排列組合，最大限度提高路面結(jié)構(gòu)性能。在路面結(jié)構(gòu)的自由組合中，基底層可選用的材料包括石灰土、二灰土、碎石灰土等；基底層上方材料可選擇水泥碎石、二灰碎石或水泥穩(wěn)定碎石等；基層材料可選擇貧混凝土、粗粒式瀝青混凝土、連續(xù)配筋混凝土等，面層材料以瀝青混凝土或水泥混凝土為主。
1.3路面厚度計(jì)算
明確路面結(jié)構(gòu)后，設(shè)計(jì)人員需根據(jù)設(shè)計(jì)彎沉值計(jì)算各層路面結(jié)構(gòu)的厚度，并通過(guò)彎拉應(yīng)力、車(chē)轍等參數(shù)驗(yàn)算，評(píng)估路面結(jié)構(gòu)類(lèi)型與參數(shù)的合理性，如符合標(biāo)準(zhǔn)要求，即可完成路面設(shè)計(jì)。反之，則需調(diào)整路面結(jié)構(gòu)類(lèi)型與各層路面結(jié)構(gòu)厚度。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，建議設(shè)計(jì)人員采用試算法，首先明確路面結(jié)構(gòu)各個(gè)面層的厚度容許范圍，再確定最佳路面厚度，具體流程如下：根據(jù)路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)結(jié)果，選擇合適的基層類(lèi)型與各層路面原材料，初步估計(jì)其面板厚度，再根據(jù)材料厚度、路面結(jié)構(gòu)各層強(qiáng)度及彈性模量，明確基層頂面，并計(jì)算回彈模量；最后根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，計(jì)算荷載應(yīng)力，并評(píng)估其是否符合規(guī)范要求[1]。
2重載道路路面設(shè)計(jì)實(shí)例
2.1工程概況
本文以某瀝青路面工程為例，探究重載道路路面設(shè)計(jì)實(shí)踐要點(diǎn)。該瀝青路面工程屬于主干路，建設(shè)單位為提高主干路的承載力，新建瀝青路面，建造重載道路路面。結(jié)合主干路的歷年軸載測(cè)試數(shù)據(jù)，重載車(chē)輛的交通量如表1所示。
2.2交通分析
設(shè)計(jì)人員結(jié)合表1中的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，開(kāi)展相關(guān)分析，計(jì)算的路基回彈模量為48MPa。為簡(jiǎn)化后續(xù)重載道路路面數(shù)據(jù)計(jì)算，設(shè)計(jì)人員將該主干路的交通量增長(zhǎng)率設(shè)為6%，將該主干路的彎沉等效軸載增長(zhǎng)率設(shè)計(jì)為9%，將該主干路的彎拉等效軸載增長(zhǎng)率設(shè)計(jì)為12%；將單軸雙輪車(chē)輛100kN軸重作為主干路的標(biāo)準(zhǔn)軸載。按照上述等效換算公式，計(jì)算的彎沉等效初始日標(biāo)準(zhǔn)軸載作用次數(shù)為75934次，彎拉等效對(duì)應(yīng)的作用次數(shù)為833187次。結(jié)合該主干路的設(shè)計(jì)年限（12年），計(jì)算在設(shè)計(jì)年限內(nèi)，該主干路的累計(jì)作用次數(shù)。根據(jù)彎沉等效計(jì)算公式，計(jì)算的累計(jì)作用次數(shù)為2.79×108次；根據(jù)彎拉等效計(jì)算公式，計(jì)算的累計(jì)作用次數(shù)為3.67×109次。結(jié)合主干路的歷年交通運(yùn)行狀況，發(fā)現(xiàn)重載車(chē)輛的運(yùn)行方向集中于由南到北的方向，將由南到北方向的車(chē)道作為重載車(chē)道，由北到南方向的車(chē)道作為輕載車(chē)道，重新進(jìn)行重載車(chē)道的路面規(guī)劃設(shè)計(jì)，減少重載道路路面設(shè)計(jì)與施工的工作量，提高工程效益，避免資源浪費(fèi)[2]。
2.3路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
設(shè)計(jì)人員結(jié)合主干路的實(shí)際狀況，重新排列組合路面結(jié)構(gòu)層次，按照從下至上順序，設(shè)計(jì)的路面結(jié)構(gòu)為：土基、二灰土層、5%水泥穩(wěn)定碎石層、粗粒式瀝青混凝土層、中粒式瀝青混凝土層。其中，土基層的荷載為48MPa，二灰土層的荷載為750MPa，水泥穩(wěn)定碎石層的荷載為1500MPa；瀝青混凝土層的荷載受溫度影響。在15℃時(shí)，粗粒式瀝青混凝土層的荷載為1400MPa，中粒式瀝青混凝土層的荷載為1600MPa；在20℃時(shí)，粗粒式瀝青混凝土層的荷載為1000MPa，中粒式瀝青混凝土層的荷載為1100MPa。
2.4路面厚度計(jì)算
設(shè)計(jì)人員結(jié)合上述路面結(jié)構(gòu)參數(shù)，將二灰土層的厚度設(shè)計(jì)為35cm，將粗粒式瀝青混凝土層的厚度設(shè)計(jì)為8cm，中粒式瀝青混凝土層的厚度設(shè)計(jì)為4cm；再根據(jù)該主干路的設(shè)計(jì)彎沉值（0.135mm），計(jì)算水泥穩(wěn)定碎石層的厚度，計(jì)算結(jié)果為42.84cm，最終設(shè)計(jì)為43cm。根據(jù)各個(gè)路面結(jié)構(gòu)層的厚度，進(jìn)行基層拉應(yīng)力、最大軸重拉應(yīng)力。其中，基層拉應(yīng)力的計(jì)算結(jié)果顯示，其數(shù)值低于容許拉應(yīng)力，符合要求。最大軸重拉應(yīng)力的計(jì)算以主干路的最大軸重為基礎(chǔ)（235kN），根據(jù)荷載圖式計(jì)算最大軸重情況下，路面基層底面的最大拉應(yīng)力，數(shù)值為0.186MPa；路面底基層底面的最大拉應(yīng)力數(shù)值為0.153MPa，均符合對(duì)應(yīng)結(jié)構(gòu)材料的極限強(qiáng)度要求，表明路面厚度設(shè)計(jì)合理[3]。
2.5對(duì)比分析
為驗(yàn)證本文提出重載道路路面設(shè)計(jì)的可行性與有效性，按照常規(guī)路面設(shè)計(jì)方法，對(duì)該主干路進(jìn)行路面設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)結(jié)果如下：計(jì)算的彎沉等效初始日標(biāo)準(zhǔn)軸載作用次數(shù)為39006次，彎拉等效對(duì)應(yīng)的作用次數(shù)為409869次，均低于重載道路路面設(shè)計(jì)結(jié)果；根據(jù)彎沉等效計(jì)算公式，計(jì)算的累計(jì)作用次數(shù)為1.2×108次；根據(jù)彎拉等效計(jì)算公式，計(jì)算的累計(jì)作用次數(shù)為1.26×109次，均低于重載道路路面設(shè)計(jì)結(jié)果；路面結(jié)構(gòu)與重載道路面相同，5%水泥穩(wěn)定碎石的厚度設(shè)計(jì)為33cm，低于重載道路路面設(shè)計(jì)結(jié)果。對(duì)比分析可知，在重載道路路面設(shè)計(jì)方法指導(dǎo)下，設(shè)計(jì)的路面結(jié)構(gòu)厚度更大、可承受荷載更高，能夠延長(zhǎng)道路路面使用壽命，確保主干路在設(shè)計(jì)年限內(nèi)，順利完成交通運(yùn)行，避免其被破壞?？偟膩?lái)說(shuō)，和常規(guī)設(shè)計(jì)相比，本文提出的重載道路路面設(shè)計(jì)方法可顯著提升道路結(jié)構(gòu)性能，在重載車(chē)輛運(yùn)行較多的道路路面設(shè)計(jì)中具有較強(qiáng)的適用性，可在設(shè)計(jì)工作中推廣應(yīng)用。
3結(jié)語(yǔ)
綜上所述，在重載道路路面設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)人員應(yīng)結(jié)合道路運(yùn)行的重載車(chē)輛相關(guān)數(shù)據(jù)，開(kāi)展交通分析，明確車(chē)輛系數(shù)和最大軸重等信息，再實(shí)施路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，選擇合適材料，確保彎沉值與最大拉應(yīng)力符合要求后，計(jì)算各層厚度，完成路面設(shè)計(jì)，延長(zhǎng)道路使用壽命。
參考文獻(xiàn)：
[1]孟琦.重載交通路段的道路路面設(shè)計(jì)方法探析[J].公路交通科技（應(yīng)用技術(shù)版），2017，13（10）：156-157.
[2]陳廣浩.淺析重載道路路面的設(shè)計(jì)方法[J].城市道橋與防洪，2014（8）：27-29，7.
[3]劉穎.重載道路路面設(shè)計(jì)方法研究[D].西安：長(zhǎng)安大學(xué)，2001.
作者:曾瑩帥 單位:華維設(shè)計(jì)集團(tuán)股份有限公司