重載交通道路結(jié)構(gòu)性設(shè)計(jì)理念

陸敬花

（常州市長潤交通工程設(shè)計(jì)有限公司 常州 213000）

隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，公路運(yùn)輸呈現(xiàn)出大交通量和重載交通的特點(diǎn)，并且超載現(xiàn)象十分普遍和嚴(yán)重，由此引起的道路結(jié)構(gòu)性損壞更加凸顯和難以解決，特別是礦山、水泥等重工業(yè)基地的運(yùn)輸車輛荷載超大，交通量狀況多為重載或特重載交通，且具有車輛連續(xù)通過的運(yùn)輸特征。近年來，在江蘇溧陽抽水蓄能電站對外公路及部分場內(nèi)施工道路工程、239省道社諸段和溧陽市金峰水泥廠專用道路新建工程等項(xiàng)目中，先后進(jìn)行試驗(yàn)分析研究，并對運(yùn)營期間的路用性能及變化情況進(jìn)行了系統(tǒng)的跟蹤研究，逐步形成了針對重載交通的道路結(jié)構(gòu)性設(shè)計(jì)理念，成功推出了新型組合道路結(jié)構(gòu)模式，通過水泥混凝土面層（內(nèi)含鋼筋網(wǎng)片）與碾壓混凝土基層的組合設(shè)計(jì)，來提高道路承載能力，滿足重載交通對道路功能性的需求。

1 道路設(shè)計(jì)理論間的不協(xié)調(diào)

《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D50－2006）以靜力學(xué)為基礎(chǔ)的彈性層狀體系，與路面的真實(shí)受力狀況偏差較大，表現(xiàn)為路面的早期病害嚴(yán)重，除了部分是施工因素外，行車荷載是主要原因，重載車輛車速較低，對路面結(jié)構(gòu)的影響卻很大。因此，路面結(jié)構(gòu)應(yīng)從動力學(xué)的角度來探討，路面材料和結(jié)構(gòu)的動態(tài)響應(yīng)狀況的性能研究應(yīng)作為路面設(shè)計(jì)發(fā)展的未來趨勢，同時也可以順應(yīng)汽車制造及發(fā)展的方向。

《公路水泥混凝土路面設(shè)計(jì)規(guī)范》JTG D40－2011對路床頂面的綜合回彈模量值控制要求為：輕型交通綜合回彈模量值E不小于40MPa，中／重型交通綜合回彈模量值E不小于60MPa，特重／極重型交通綜合回彈模量值E不小于80 MPa，對不能滿足的可以采用粗粒土或低劑量無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定土做路床或上路床填料，當(dāng)路基工作區(qū)地面接近或低于地下水位時，更換填料和設(shè)置排水滲溝等。

但是現(xiàn)行《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTGD30－2004）與上述設(shè)計(jì)指標(biāo)均不協(xié)調(diào)，缺乏路基結(jié)構(gòu)性設(shè)計(jì)支撐，規(guī)范僅從路基材料的CBR指標(biāo)和各層路基的壓實(shí)度進(jìn)行考量，對路基結(jié)構(gòu)組合的性能缺乏系統(tǒng)的控制，路基結(jié)構(gòu)性（強(qiáng)度和模量）的變化與自然環(huán)境以及地下水位之間的相互影響狀況未納入路基設(shè)計(jì)理論，這是直接導(dǎo)致路基損壞變形的根本原因。路基的承載功能的缺失或衰減是道路結(jié)構(gòu)破壞的主因。

路基設(shè)計(jì)理論中僅按經(jīng)驗(yàn)性要求提出路床即路面底面80cm范圍的路基部分的填料和壓實(shí)度的控制性要求，這個要求對應(yīng)的車輛荷載為汽－20的年代，隨著汽車運(yùn)輸和制造業(yè)的高度發(fā)展，這個經(jīng)驗(yàn)性控制指標(biāo)極端脫離現(xiàn)實(shí)，大型重載車輛多軸多輪的荷載呈日益增長的趨勢，應(yīng)充分考慮汽車荷載作用下的路基變形和道路環(huán)境條件及變化的問題，對路基進(jìn)行結(jié)構(gòu)性設(shè)計(jì)控制，針對汽車荷載的等級確定各種路面結(jié)構(gòu)下的路基工作區(qū)深度。

同時，現(xiàn)行規(guī)范中的路基平衡濕度表征用稠度和含水量，由于稠度僅是粘性土的濕度狀態(tài)的反映，具有一定的局限性，含水量也無法準(zhǔn)確反映對回彈模量的影響。路基的濕度應(yīng)引入飽和度和基質(zhì)吸力來作為控制指標(biāo)，這樣更貼近路基工作具體環(huán)境?；|(zhì)吸力是對非飽和土的濕度狀況進(jìn)行表征，基質(zhì)吸力的大小受土的孔徑大小的影響，在環(huán)境條件下，基質(zhì)吸力的大小受外界平衡相對深度的影響，土的孔徑分布決定了土水的特征曲線的特征。

彎沉作為反映道路結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的力學(xué)指標(biāo)，是道路各結(jié)構(gòu)層厚度和剛度、溫度和濕度、交通狀況及結(jié)構(gòu)層齡期等的綜合反映。對于一定的道路結(jié)構(gòu)而言，彎沉值的大小主要取決于作用荷載的性質(zhì)及荷載大小，荷載作用時間和加載過程等。但道路結(jié)構(gòu)破壞的根本原因是由于過度的應(yīng)力或應(yīng)變，而不是由擾度造成的，僅靠彎沉值來評價道路的結(jié)構(gòu)承載力并不能完全反映真實(shí)情況。路基土的特性為非線性彈塑性材料，具有應(yīng)力依賴性，并隨其濕度和密實(shí)度狀態(tài)變化。理想的承載力評價應(yīng)以應(yīng)力、應(yīng)變?yōu)榛A(chǔ)，評價的關(guān)鍵是確定道路的各層彈性模量，只有獲取各層的模量和厚度，才可通過彈性層狀體系理論進(jìn)行計(jì)算。路基結(jié)構(gòu)應(yīng)與路面設(shè)計(jì)規(guī)范相協(xié)調(diào)，以路基回彈模量為設(shè)計(jì)指標(biāo)。路基永久變形控制的設(shè)計(jì)方法是限制路基土的應(yīng)力水平，保證路基土不發(fā)生剪切破壞或者使它們在重復(fù)荷載作用下產(chǎn)生的永久變形趨于穩(wěn)定，所產(chǎn)生的累積永久變形量控制在有限的容許范圍內(nèi)，不對路表面的車轍和面層的開裂產(chǎn)生不利影響。

當(dāng)然，路基的結(jié)構(gòu)性設(shè)計(jì)應(yīng)結(jié)合公路等級、路基填挖高度、路面結(jié)構(gòu)形式等，合理選擇路基結(jié)構(gòu)形式。路基填方高度的確定應(yīng)遵循路基設(shè)計(jì)洪水頻率及設(shè)計(jì)洪水位的要求，還要確保路基處于中濕狀態(tài)的臨界高度，滿足路基工作區(qū)的深度和道路凍結(jié)深度的要求?；鶎訉τ诒ＷC路面的整體強(qiáng)度和穩(wěn)定性、延長其使用壽命具有非常重要的作用。

路面與路基間的連接問題也應(yīng)引起高度的重視，基礎(chǔ)的平整度，連接層間的防排水層的設(shè)置，降低路基頂面應(yīng)力水平的路基、路面結(jié)構(gòu)組合的優(yōu)化，都將隨著對道路和車輛工作特性的理解深化，多層體系的動力響應(yīng)理論的完善，基層和面層之間加入瀝青防水層，或基層以下做成級配碎石和低劑量水穩(wěn)的組合層都對反射裂縫具有防止效果，這種組合型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)正在通過試驗(yàn)路段進(jìn)行驗(yàn)證，逐步形成重載交通道路結(jié)構(gòu)性設(shè)計(jì)理念，將引領(lǐng)實(shí)施基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)先行的偉大目標(biāo)。

2 工程應(yīng)用中道路結(jié)構(gòu)性設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)

2.1 蓄能抽水電站對外公路及部分場內(nèi)施工道路工程

江蘇溧陽抽水蓄能電站地處溧陽市天目湖鎮(zhèn)，是繼沙河抽水蓄能電站、宜興抽水蓄能電站建成后開工建設(shè)的第3座抽水蓄能電站。蓄能抽水電站對外公路及部分場內(nèi)施工道路工程，路線起于社渚至平橋公路一期工程終點(diǎn)處，然后沿老路分別穿越富子芥村、新屋場村、新屋底村、前頭園村，最后終于241省道。路線全長5.594km，道路設(shè)計(jì)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)為山嶺重丘三級公路標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)《江蘇溧陽抽水蓄能電站對外公路及場內(nèi)改建公路規(guī)劃》的內(nèi)容，場內(nèi)設(shè)有生活辦公營地和生產(chǎn)區(qū)，綜合規(guī)劃后期營運(yùn)和前期建設(shè)施工荷載的要求，場內(nèi)橋涵設(shè)計(jì)荷載由業(yè)主提供的特種荷載，路線經(jīng)過的生活辦公營地設(shè)計(jì)橋涵荷載標(biāo)準(zhǔn)為汽－40，掛－300，生產(chǎn)區(qū)設(shè)計(jì)橋涵荷載標(biāo)準(zhǔn)為汽－80，掛－300。

水文地質(zhì)狀況：沿線地下水類型主要為上層滯水，由大氣降水及地表河流補(bǔ)給為主，水位隨季節(jié)變化，水量一般不豐。靜止水位埋深較深。在勘探所達(dá)深度范圍內(nèi)，可分為兩個大的巖性特征層，地層成因?yàn)闆_洪積，由上至下分別為亞粘土和粉砂夾層，以及密實(shí)低等壓縮性并含有粉土薄層的強(qiáng)風(fēng)化巖層，局部山體凸處土層下3～5m有堅(jiān)實(shí)巖層，層厚未曾揭示，呈零星分散狀分布。

場內(nèi)根據(jù)等高線分布走勢情況，設(shè)置山體截流溝設(shè)施，道路縱坡較大，路基多高于道路兩側(cè)邊溝，沿線道路排水設(shè)施通暢。挖方山體巖石層面設(shè)置深厚的級配碎石墊褥層，縱橫向填挖分界線兩端也設(shè)置深厚的級配碎石墊褥層，均衡基層材質(zhì)的不均勻性，級配碎石呈鎖結(jié)密實(shí)結(jié)構(gòu)，厚度高達(dá)80cm，搭接處延伸出界限外20m。路基壓實(shí)度按現(xiàn)行規(guī)范，路基一般處于中濕狀態(tài)。

路面結(jié)構(gòu)采用水泥混凝土路面，生活辦公營地汽－40，掛－300段路面采用28cm鋼筋混凝土，內(nèi)設(shè)直徑8mm、間隔15cm×25cm的鋼筋網(wǎng)格。生產(chǎn)區(qū)汽－80，掛－300段路面采用34cm鋼筋混凝土，內(nèi)設(shè)直徑12mm間隔15×25cm的鋼筋網(wǎng)格。結(jié)構(gòu)計(jì)算理論為：半無限地基上板的有限元理論為計(jì)算模式，利用疲勞斷裂力學(xué)理論與方法，在交通荷載和溫度荷載的循環(huán)作用下，材料由于荷載循環(huán)作用造成損傷的積累導(dǎo)致的斷裂破壞為控制指標(biāo)。

但在實(shí)際道路施工期間，由于蓄能電站壩體需要大量石料，建設(shè)工期較短，施工組織設(shè)計(jì)在對外道路水泥穩(wěn)定基層施工與養(yǎng)護(hù)完成后，重載車輛就在基層上連續(xù)行使，表征上基層的密實(shí)度得到提高，但實(shí)際上由于荷載過大頻率過高，對基層以下連續(xù)完整的結(jié)構(gòu)體系造成結(jié)構(gòu)內(nèi)部存在缺陷，并在使用過程中逐漸出現(xiàn)和加劇缺陷，正是由于其內(nèi)部存在的缺陷引起的應(yīng)力集中與內(nèi)部損傷，累積超過材料與結(jié)構(gòu)抵抗破壞的容許值時，內(nèi)部缺陷的發(fā)展導(dǎo)致了結(jié)構(gòu)的破壞。水穩(wěn)基層頂面的不平整性損壞僅進(jìn)行了一般的補(bǔ)強(qiáng)調(diào)平處理，但以下的內(nèi)部損傷未得到重視，面板和地基在運(yùn)營過程中很快就不完全接觸，局部脫空的存在導(dǎo)致混凝土板塊斷裂出現(xiàn)，且多為板角斷裂破壞，預(yù)計(jì)是路肩和路床的變形差異造成的。

路面設(shè)計(jì)規(guī)范的疲勞累積的控制性指標(biāo)在當(dāng)今車輛荷載突變的情況下，重載交通的一次塑性破壞問題在日常工作中應(yīng)予以警示，路床深度80 cm的約定不能真實(shí)地反映路基的實(shí)際工作性狀，動態(tài)關(guān)注車輛荷載對路基工作區(qū)深度的影響變化，原則遵守工作區(qū)深度為荷載應(yīng)力與路基自重應(yīng)力的比值小于（0.1～0.2）的范圍。一般經(jīng)驗(yàn)值為瀝青路面下路基工作區(qū)深度：單軸雙輪100kN影響深度在0.9～1.9m，三軸雙輪130kN影響深度在1.6～3.0m。水泥混凝土路面路基影響深度在1.10～2.10m。

2.2 239省道社諸段400m試驗(yàn)路工程

239省道常州段全長58km，通車11年大修3次，維修費(fèi)用已經(jīng)超過4億元。超限超載的車輛大多為運(yùn)載石料、建材、鋼鐵等大宗物資的變型拖拉機(jī)、農(nóng)用改裝車。239省道社諸段擁有溧陽的兩家水泥廠，一家日消耗礦石5萬t，一家日消耗7 000多t。為這兩家水泥廠運(yùn)送原材料的250多輛農(nóng)用車、變型拖拉機(jī)，核載1t的裝載35t，核載13t的裝載50t，核載15t的裝載65t。它們進(jìn)出必經(jīng)239省道，都是239省道常州段的“超級殺手”。為徹底解決重載以及超重載交通的道路結(jié)構(gòu)性設(shè)計(jì)問題，應(yīng)業(yè)主的委托，我院迅速組織人員，在239省道社諸段重載車集中路段選取400 m試驗(yàn)路作為科研試點(diǎn)，并對工程進(jìn)行跟蹤調(diào)研。

道路試驗(yàn)段位于社諸段，地勢平坦，路床為多年碾壓密實(shí)結(jié)構(gòu)，試驗(yàn)段采用挖除表面松散的路面和路基，驗(yàn)證下承層的石灰土質(zhì)量，經(jīng)充分晾曬后，其上做20cm低劑量水泥穩(wěn)定碎石墊層和36 cm的水泥穩(wěn)定碎石基層，路面做30cm厚的地梁，雙層配置鋼筋網(wǎng)片。

運(yùn)營過程中，由于道路坡度較緩，周邊單側(cè)邊溝的水位汛期略高，導(dǎo)致路基處于飽水狀，車輛碾壓時，從路面和路基夾層間有細(xì)小泥漿唧出，車輛駛過，泥漿即被吸回層間空隙。基層整體狀況尚好，路面地梁完好。考慮層間吸力回流的水系對基層的淘蝕勢必?fù)p壞路基的整體性，由于道路已經(jīng)建成，則采用高壓注漿的方式填補(bǔ)層間空隙處理病害。

由于地下水位和土體的基質(zhì)吸力對路基濕度的影響，以及自然氣候因素等等，實(shí)際運(yùn)營期間，路基的含水量要比初期高7%左右。因此，在常州地區(qū)年降雨量為600mm以上的地方，路基土的滲透系數(shù)小于10～4mm／s的交通干道應(yīng)設(shè)置路面內(nèi)部排水系統(tǒng)，由透水性填料集水溝形成完整的排水體系，并使其與道路兩側(cè)邊溝相溝通，同時應(yīng)注意不同土質(zhì)的基質(zhì)吸力影響因素，在路基和路面連接層做瀝青封水層，這已經(jīng)在新的水泥混凝土規(guī)范中被明確要求。

2.3 溧陽市金峰水泥廠專用道路新建工程

溧陽市金峰水泥廠專用道路新建工程，吸取上述兩工程的經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)，采用連鹽高速公路的成功經(jīng)驗(yàn)，應(yīng)用低劑量水穩(wěn)和碾壓混凝土相結(jié)合的復(fù)合式地基形式，提高路基的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，確保路基的施工壓實(shí)度要求，提高地基的承載力，同時滿足工程地下水位高的特點(diǎn)。

碾壓混凝土（roller compacted concrete，RCC）是采用單位用水量少，坍落度為0的特干硬性水泥混凝土拌和物，使用瀝青攤鋪機(jī)攤鋪、壓路機(jī)碾壓密實(shí)成型的一種混凝土基層，與一般穩(wěn)定類的基層、二灰碎石等常用半剛性基層材料相比，具有節(jié)約水泥、收縮小、施工速度快、強(qiáng)度高、耐久性強(qiáng)、抗凍性能和抗沖刷能力好、造價低、開放交通早等技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上的優(yōu)勢，這種基層類型非常適合重交通改建工程。

道路碾壓混凝土具有在高溫下性能穩(wěn)定的特性，其中的水泥膠結(jié)料屬于水硬性材料，故其水穩(wěn)定性極佳，道路碾壓混凝土不會發(fā)生老化現(xiàn)象，耐磨耗性、耐油性等耐久性均較好，使用壽命長，維修費(fèi)用少，對于重交通道路的厚面層結(jié)構(gòu)，采用碾壓混凝土可節(jié)約初期工程投資。

溧陽市金峰水泥廠專用道路新建工程路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用30cm鋼筋混凝土面層、瀝青封水層、20cm的碾壓混凝土、20cm的低劑量水泥穩(wěn)定墊層。對于特重交通量，各層材料性能分別為：面層混凝土設(shè)計(jì)彎拉強(qiáng)度fcm＝5.5MPa，彎拉彈性模量Ec＝31 000MPa；碾壓混凝土抗彎拉強(qiáng)度4.0MPa，7d抗壓強(qiáng)度15MPa，28d抗壓強(qiáng)度30 MPa，28d抗折強(qiáng)度3.5MPa，壓實(shí)度100%。彎拉回彈模量27 000MPa；低劑量水泥穩(wěn)定碎石回彈模量750MPa，彎沉控制80（0.01mm）；土基頂彎沉控制150（0.01mm）。面層混凝土內(nèi)設(shè)直徑10mm、間隔20cm×25cm的鋼筋網(wǎng)片。

設(shè)計(jì)計(jì)算模式：碾壓混凝土做基層時，基層與混凝土面層視作分離式雙層板進(jìn)行應(yīng)力分析，對上、下層板在臨界荷位處的荷載疲勞應(yīng)力和溫度疲勞應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算。

碾壓混凝土的材料要求：重交通及以上交通等級道路、城市快速路、主干道采用強(qiáng)度等級42.5級以上的道路硅酸鹽水泥或普通硅酸鹽水泥。碾壓混凝土面層的混凝土的集料公稱最大粒徑不宜大于19mm，非冰凍地區(qū)水泥用量不得少于280 kg／m3。

碾壓混凝土作為道路基層主要承擔(dān)由面層傳來的車輛荷載的垂直力，并把它擴(kuò)散到墊層或土基中。因此，要求基層有足夠的強(qiáng)度和剛度，也要有足夠的平整度和水穩(wěn)性。碾壓混凝土組合結(jié)構(gòu)的應(yīng)用初期投資費(fèi)用較高，但從全壽命周期考慮，還具有很強(qiáng)的經(jīng)濟(jì)適用性，安全可靠度也高，在長三角地區(qū)地下水位較高重載交通的道路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中會被越來越多地運(yùn)用。溧陽市金峰水泥廠專用道路新建工程在運(yùn)營期間，局部出現(xiàn)細(xì)小橫向裂紋，整體效果顯著。

碾壓混凝土的拌和機(jī)可采用普通混凝土拌和機(jī)，由于碾壓混凝土的含水量小，屬于干硬性混凝土，混合料不易拌和均勻，所以拌和時間要適當(dāng)加長。在運(yùn)輸混合料時采用汽車運(yùn)輸，運(yùn)料車必須覆蓋篷布，以免遭受日曬或雨淋。攤鋪碾壓混凝土的施工速度主要受拌和能力和布料速度的影響，所以選擇合適的布料方式和機(jī)械是非常重要的。碾壓混凝土是一種低水泥用量干硬性的混凝土，和易性相對較差，在運(yùn)輸和攤鋪過程中易分離，整體抗?jié)B性能較常態(tài)混凝土差，如果層問結(jié)合面處理不好，極易形成滲漏通道，施工期間應(yīng)引起高度重視。

3 結(jié)語

重載交通道路結(jié)構(gòu)性設(shè)計(jì)在道路結(jié)構(gòu)中主要包括路用材料分析和路基、路面結(jié)構(gòu)分析兩大類，路用材料的分析主要是通過研究路用材料的特性，尋求提高路用材料韌度和阻止病害擴(kuò)展的途徑。系統(tǒng)的開展材料動態(tài)性能的研究和動態(tài)參數(shù)試驗(yàn)的研究，逐步用動態(tài)參數(shù)取代靜態(tài)參數(shù)。路基、路面的結(jié)構(gòu)性分析的目的則是合理設(shè)計(jì)道路結(jié)構(gòu)，降低路基路面裂縫應(yīng)力強(qiáng)度，減緩裂縫的擴(kuò)展速率，延長道路使用壽命和運(yùn)營狀態(tài)。道路結(jié)構(gòu)性設(shè)計(jì)采用結(jié)構(gòu)動力學(xué)原理分析路基路面結(jié)構(gòu)的響應(yīng)，更加準(zhǔn)確地得到道路結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)，了解相關(guān)檢測分析的技術(shù)理論，為新建重載交通道路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和已有道路運(yùn)營狀態(tài)的評估提供分析方法和手段。

隨著碾壓混凝土施工技術(shù)的改進(jìn)與提高，加之一些專用設(shè)備的采用，碾壓混凝土路基作為重載交通結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)已獲得具體工程的驗(yàn)證，取得了可貴的經(jīng)驗(yàn)。目前，施工技術(shù)和檢測方法也逐漸完善。不論是大型工程，還是局部改擴(kuò)建工程，施工方便快捷。初期也可作為施工道路的面層承擔(dān)施工期間的材料駁運(yùn)，后期路面結(jié)構(gòu)續(xù)建也可有機(jī)地連接。因此，重載交通道路結(jié)構(gòu)性設(shè)計(jì)的新型組合道路結(jié)構(gòu)模式，應(yīng)為水泥混凝土面層與碾壓混凝土基層的組合設(shè)計(jì)。