山嶺重丘區(qū)公路路面結(jié)構(gòu)設(shè)計

馬學勤

（原陽縣公路管理局，河南 新鄉(xiāng) 453500）

1 引言

河南省境內(nèi)焦作至新鄉(xiāng)二級公路K3+500-K6+500 段，地處山嶺重丘區(qū)，地勢起伏、地形復雜。該路段設(shè)計車速為80km/h，設(shè)計使用年限12 年。 該路段沿線為松散黏性土與砂土互層，地下水位2.5m，為松散巖類孔隙水，年平均降水量696mm。

2 路面結(jié)構(gòu)設(shè)計

本段道路設(shè)計為二級公路，依據(jù)規(guī)范應選擇高級路面。 瀝青混凝土高級路面具有施工進度快、便于養(yǎng)護、修補和易于分期施工等優(yōu)點。 水泥混凝土高級路面則具有強度高、經(jīng)久耐用、穩(wěn)定性強、平整度和粗糙度好等優(yōu)點。 但是考慮到本工程要求工期短、易就地取材和便于養(yǎng)護等實際，設(shè)計采用瀝青混凝土路面。

瀝青路面在進行結(jié)構(gòu)設(shè)計時， 一般選擇基于雙圓均布垂直載荷的彈性層狀連續(xù)體理論，計算簡圖如圖1 所示。

圖1 路面荷載計算示意圖

以路面回彈彎沉值為指標， 驗算瀝青混凝土層底拉應力或半剛性材料層底拉應力作為二級公路路面結(jié)構(gòu)設(shè)計的依據(jù)。本段路面設(shè)計的標準軸載為雙輪組單軸載100KN。

(1) 當驗算瀝青層底拉應力時

各級軸載可按下式計算：

式中：N-標準軸載的當量軸次，次/天；ni-各級軸載作用次數(shù)，次/天；P-標準軸載，KN；Pi-各級軸載，KN；C1-軸載系數(shù)；C2-輪組系數(shù)；k-被換算車輛類型數(shù)。

(2)當驗算半剛性材料層底拉應力時

各級軸載可按下式計算：

根據(jù)本工程實際情況和規(guī)范中規(guī)定的二級公路要求，計算得知該路面在使用年限內(nèi)單個的車道累計標準軸次500 萬次。 因此，設(shè)計采用雙層式結(jié)構(gòu)的瀝青混凝土，表面層為厚度60mm 的細粒式密級配瀝青， 下面層為厚度80mm 的中粒式密級配瀝青。 基層設(shè)計為厚度200mm 的水泥穩(wěn)定碎石，底基層設(shè)計為厚度180mm 的石灰穩(wěn)定土底。 路面結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 路面結(jié)構(gòu)示意圖

3 設(shè)計參數(shù)驗算

3.1 土基回彈模量設(shè)計

本路段路基土為中濕的黏性土， 根據(jù) 《規(guī)范》(JTG D50-2006)查得路基平均稠度為1.05，進而可得土基回彈模量設(shè)計值為41.5MPa。

3.2 抗壓模量計算

根據(jù)本段工程地質(zhì)參數(shù)及實際施工參數(shù)， 查規(guī)范得驗算設(shè)計彎沉時20℃抗壓回彈模量和驗算面底彎拉應力時15℃抗壓模量，如表1 所示。

3.3 設(shè)計彎沉值計算

設(shè)計彎沉值按下式計算：

式中：ld-設(shè)計彎沉值，取0.01mm；Ne-設(shè)計年限內(nèi)一個車道累計當量軸次；Ac-公路等級系數(shù)， 二級公路為1.1；As-面層類型系數(shù)，瀝青混凝土面層為1.0；Ab-基層類型系數(shù)，半剛性基層Ab=1.0。

本路段設(shè)計為瀝青混凝土面層二級公路， 取Ac=1.1，As=1.0，Ab=1.0，代入公式(3)得：ld=27.4383(0.01mm)。

3.4 容許拉應力計算

瀝青混凝土面層、半剛性材料基層、底基層按彎拉應力為設(shè)計指標時，材料的容許拉應力σR按下式計算：

式中：σR-材料容許拉應力，MPa；σR-材料極限抗拉強度，MPa；KS-抗拉強度結(jié)構(gòu)系數(shù)。

無機結(jié)合料穩(wěn)定細粒土的抗拉強度結(jié)構(gòu)系數(shù)， 按下式計算：

本路段底基層材料為石灰穩(wěn)定土， 其抗拉強度結(jié)構(gòu)系數(shù)按(5)式計算為：KS=2.232。

代入式(4)計算得容許拉應力：σR=0.112MPa。

綜上所述，路面各設(shè)計參數(shù)如下表1 所示。

表1 路面結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)

式中：F-彎沉綜合修正系數(shù)；ls-路面計算彎沉值，0.01mm；p-輪胎接地壓強，MPa；δ-輪胎當量圓半徑，cm；ac-理論彎沉系數(shù)；E0、En-土基回彈模量值，Mpa；E1,E2,En-1-各層材料回彈模量，Mpa；hi-各結(jié)構(gòu)層厚度，cm。

根據(jù)表1 中及其它設(shè)計參數(shù)， 計算得路面實際彎沉值為26.27(0.01mm)，滿足設(shè)計要求。

3.5 層底拉應力驗算

層底拉應力取以單圓中心B 點或雙圓輪隙中心C 點二者之間較大值作為層底拉應力計算點，層底最大拉應力為：

根據(jù)設(shè)計計算參數(shù)可計算得石灰土底基層底面最大拉應力為0.096MPa，小于容許應力0.112MPa。 因此，路面厚度設(shè)計滿足設(shè)計要求。

4 結(jié)論

通過對河南焦作至新鄉(xiāng)山嶺重丘區(qū)二級公路路面的結(jié)構(gòu)設(shè)計可以得到：

(1)考慮到本設(shè)計路段要求工期短、易就地取材和便于養(yǎng)護等實際，設(shè)計采用瀝青混凝土高級路面。

(2)設(shè)計采用雙層式瀝青混凝土面層結(jié)構(gòu)，表面層為厚度60mm 的細粒式密級配瀝青， 下面層為厚度80mm 的中粒式密級配瀝青；基層設(shè)計為厚度200mm 的水泥穩(wěn)定碎石，底基層設(shè)計為厚度180mm 的石灰穩(wěn)定土底，可滿足道路設(shè)計要求。

(3)經(jīng)驗算，路面彎沉和厚度符合要求，可為其它山嶺重丘地區(qū)公路路面結(jié)構(gòu)設(shè)計提供有益參考。

[1]張金水.道路勘測與設(shè)計(第二版)[M].上海：同濟大學出版社，2009

[2]高英，許志鴻等.沉綜合修正系數(shù)的討論[J].公路交通科技，2003，5：20-25

[3]姚祖康.公路設(shè)計手冊-路面[M].北京：人民交通出版社，1998