重載道路路面設計方法分析

陳文甫

（保定市保通公路勘測設計有限責任公司，河北保定071000）

1 引言

近年來，我國社會經濟發展水平逐漸提升，社會基礎建設方面也有了長足的進步，在該時代背景下，各種超限、重載車輛層出不窮。重載道路路面設計主要是針對重載車輛。但從目前來看，部分重載道路路面的設計方法不科學，在一定程度上制約著道路后期投入使用的安全性與穩定性。例如，一些設計者常根據軸載對路面產生的有效應力進行設計，但實際調查表明，該方法的應用會使路面面臨早期損壞的風險。基于此，有必要對其展開更加深層次的探索。

2 重載道路路面設計中應考慮的因素

2.1 交通特點

在重載道路路面結構的設計過程中，應加強對路段交通流特點的重視。通常情況下，重載交通路段的車輛荷載等級較高，大部分車輛的車型為三軸及三軸以上的貨車，載重大多在30 t 以上，還有部分嚴重超載的貨車載重甚至會高達100~200 t。盡管這種嚴重超載的貨車比例相對較小，但是會導致嚴重的道路路面損傷，甚至會直接破壞道路路面。重載道路的荷載范圍為10~40 t，并且其交通量相對較小，主要是因為貨車的行駛速度較慢，加之安全因素的影響，小型車輛較少[1]。

2.2 運維情況

進行重載道路路面設計時，設計人員應綜合考慮重載交通路段的實際運維情況。在我國，重載道路大多位于經濟較發達地區，經過長時間的使用后，道路的路基和路面常面臨著邊坡失穩、局部塌陷以及路基沉陷等問題，與此同時，還存在著嚴重的破損、坑洼、裂縫等病害。一旦未能及時修復，會導致這些病害的進一步發展，不僅會使病害范圍擴大，還有可能導致更嚴重的病害問題，嚴重影響道路通行的安全性。

3 重載道路路面設計方法研究

3.1 累計當量軸次比和彎沉值計算

3.1.1 累計當量軸次比計算

某重載道路工程項目路面設計以BZZ-100（雙輪組單軸載100 kN）為標準荷載，采用瀝青混凝土路面，設計使用年限為15 年，車道系數選用0.45。具體的軸載換算按照JTG D50—2017《公路瀝青路面設計規范》的要求進行。筆者分別采用設計彎沉值和瀝青層層底拉應力、半剛性基層層底拉應力以及剛性基層層底拉應力3 部分內容作為設計指標進行軸載換算，計算公式為：

式中，N″為標準軸載當量軸次；ni為被換算車型的各級軸載作用次數；P 為設計軸載，本項目為100 kN；Pi為各級被換算車型的軸載；C′'、 C′'2分別為軸數系數和輪組系數，輪組系數中，雙輪組和單輪組的系數分別為6.4、0.38，四輪組為0.38；b 為換算指數；k=1,2，…11。

最終換算結果如表1 所示。

表1 軸載換算結果

但由于在設計年限內，預測交通增長率存在一定程度的差異性，所以，應分段計算累計當量軸次，并參考設計年限內預測交通增長量表，如表2 所示。

表2 設計年限內預測交通增長率

最終計算結果該路段在設計年限之內，一個車道上的累計當量軸次比為1.56×107。進而可以判斷其為中交通路段。

3.1.2 彎沉值設計

我國大部分重載道路路面為瀝青路面，包括多個設計指標，如車轍、基層層底拉應力以及路標彎沉等。但從目前來看，車轍預估模型在實際應用過程中還面臨一定局限性，所以，本文主要在重載路面受力以及損壞特點的基礎上，使用彎沉值的設計控制指標，將半剛性基層和底基層層底彎拉應力作為最終的檢驗指標，在充分考慮重載道路路面受力實際特點的情況下，進行最大軸載應力驗算，彎沉值計算公式為：

式中，ld為設計彎沉值，10-2mm；Ne為一個車道在設計使用年限范圍內的當量軸次，取將層底拉應力和設計彎沉值作為設計指標時的累積當量軸次；Ac、As、Ab分別為公路等級系數、面層類型系數、路面結構類型系數。

最終所得出的計算結果需要經過修正得到計算彎沉值。修正系數F 計算公式如下：

式中，ls為路面計算彎沉值（可近似取設計彎沉值0.01 mm）；P和δ 分別為標準車型的輪胎接地壓強以及當量圓半徑；E0為土基抗壓回彈模量。

3.2 設計過程

進行一般路面和重載道路路面劃分時，主要是考慮其荷載范圍，所以，應在實際選用設計方法的過程中充分考慮以下2個標準：（1）應考慮道路本身是否會承擔大量的大件貨物以及專項物質的運輸工作；（2）要充分考慮軸重儀實際測試結果，假設會有特重型軸重車輛（單軸軸重在13 t 以上，雙軸軸重則在26 t 以上）于道路上通過，同時，其超載現象較為嚴重[2]。

在對重載道路路面進行設計的過程中，設計人員需要對路面的疲勞效應以及一次性破壞效應進行驗證。針對疲勞效應，需要在換算軸載的基礎上對疲勞應力進行確定，同時，還要對相關設計標準進行對比分析。路面進行對一次性破壞驗證時，要對路面服務的極限載荷進行詳細分析，并判斷路面面層是否會在相應的荷載作用下產生一次性斷裂失效[3]。

在輪載作用下，瀝青路面面層結構主要包括3 部分：高質量瀝青混凝土面層、高彈性模量抗車轍性能瀝青混凝土中間層、高柔性抗疲勞瀝青混凝土熱拌瀝青混合料基層。

首先，車輪同路面接觸面向下約10~15 cm 為高受力區域，該區域是常出現病害的位置，所以，設計過程中應盡可能地采用高質量瀝青混凝土作為該區域的鋪筑材料，以達到提升其承載能力的目的。

其次，來自路面的車輪荷載會通過面層擴散至下部結構中，因此，應確保下部結構同上部面層之間的連接效果，可采用高彈性模量瀝青混凝土作為中間層，有效規避因上下層結構錯位而產生路面斷裂等病害。

最后，路面基層可選用高柔性抗疲勞瀝青混凝土材料，并保障該鋪筑層的厚度符合相關規范和標準的要求。設計人員需要在路面各層受力特點的基礎上選用與之相符合的結構構造處理方式和材料，以保障路面層在受力與變形方面具有更強的可靠性、安全性以及合理性，滿足重載交通路段的相關要求，切實提升重載道路本身的服役性能，為后續行車安全創造良好的條件。

4 結語

綜上所述，優化重載道路路面設計工作，能夠有效提升道路的設計質量，對其后續的安全平穩運行有積極的作用。因此，設計人員應在明確重載道路交通特點以及運維情況的基礎上進行設計工作，同時，還應轉變以往將荷載作為唯一依據的設計思路，選擇更加科學的路面設計指標，進而實現重載道路路面設計水平的提升，最大限度地延長我國重載道路路面的使用年限。