重載道路路面的優化設計分析及研究

周毅

摘要 文章以國能新疆準東煤田廠區道路工程路面設計作為切入點，簡要敘述重載道路路面的交通特點、常見損害問題。并從多方面著手，詳細闡述重載道路路面的優化設計方法與需要注意的問題事項。旨在進一步提高重載道路設計水準，滿足實際交通需要，維持重載道路在全壽命周期內的良好路況。

關鍵詞 重載道路;路面設計;優化設計

中圖分類號 U416.2 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2022）05-0070-03

0 引言

近年來，隨著國民經濟的蓬勃發展，重載道路的行車數量與載重量均呈現出逐年穩步增加態勢，早期建成重載道路在使用期間出現疲勞開裂、水損壞、土基變形等質量問題，危及交通安全[1]。因此，該文以國能新疆準東煤田廠區道路工程為研究對象，研究路面常見的損害問題，并分析了路面設計方法。

1 重載道路路面概述

1.1 工程概況

國能新疆準東煤田廠區道路工程，車輛類型：礦山專用卡車（限重40 t），路面類型：鋼筋混凝土路面。重載道路有著車輛荷載等級高、主要通行三軸及以上車型貨車、荷載范圍在10～40 t、交通量相對較小、車輛行駛速度慢、鮮有小型車輛通過的交通特點，使得常規道路路面設計方法在重載道路工程中缺乏適用性[2]。同時，根據已建成重載道路投運使用情況來看，近年來，重載道路的行車數量和載重量不斷增加，雖然荷載范圍在10～40 t，但絕大多數通行車輛的載重量普遍在30 t以上，一些路段交通量飽和度始終維持在0.8及以上，且部分超載貨車的載重量高達100～200 t，對重載道路的路面性能提出較高要求，需要設計一定比例的冗余性能，以應對貨車超載等突發問題，避免重載道路在使用期間頻繁出現路基變形、路面開裂等質量缺陷。道路工程車輛情況表1，道路交通情況見表2。

行駛方向分配系數：.5;

車道分配系數：1;

輪跡橫向分布系數：.35;

設計軸載：100 kN;

最重軸載：200 kN;

路面的設計基準期：20 年;

設計車道使用初期設計軸載日作用次數：327 680;

設計基準期內設計車道上設計軸載累計作用次數：1.132858E+09;

路面承受的交通荷載等級：特重交通荷載等級;

混凝土彎拉強度：5 MPa;

混凝土彈性模量：31 000 MPa;

混凝土面層板長度：5 m;

地區公路自然區劃：Ⅵ;

面層最大溫度梯度：89 ℃/m;

接縫應力折減系數：1;

混凝土線膨脹系數：10 10-6/℃。

1.2 水泥混凝土路面常見損害問題分析

煤田廠區道路投運使用期間，由于大型重載汽車數量多，常出現質量通病，影響道路使用功能正常發揮和縮短道路使用壽命，常見的路面損害問題包括唧泥、錯臺、裂縫、角隅斷裂及持久性腐蝕等等[3]。其中，唧泥病害是路面細粒材料受到上部荷載影響而在裂縫以及接縫部位同水向外噴出，在周邊區域形成污跡，長此以往，會造成路面基礎脫空的嚴重后果。裂縫病害是在水泥混凝土路面上形成沿縱向、斜向或是橫向發育的裂縫，如路面板在高溫條件下于邊緣部位形成脹裂，因地基沉降而形成沉降裂縫，因承受過重上部荷載而形成超載裂縫。錯臺通病表現為水泥混凝土路面裂縫或是接縫部位周邊形成臺階，高差不超過10 mm時為輕微錯臺，高差大于20 mm時為嚴重錯臺，形成原因包括細集料含量偏高、高壓水反復沖刷基層表面。角隅斷裂表現為在路面上形成一個豎直貫通整體板厚的裂縫面，產生原因包括角隅應力過高、基礎塑性變形持續累積。持久性腐蝕病害表現為在局部路面處形成長條形或圓形黃色水跡，常見于水泥混凝土路面投入使用一段時間后，出現成因在于混凝土碳化程度過高，限制混凝土自身抗腐蝕性能的發揮，難以在混凝土表面形成穩定的鈍化膜。坑洞病害表現為水泥混凝土路面上分布一處或多處直徑為2～10 cm、深度為1～5 cm的小坑，形成原因包括使用離析混凝土材料、搗固不良、承受過大上部行車荷載等。而板塊活動病害表現為路面板出現整體性的下沉或是翹起情況，形成原因為承受過大上部車輛荷載。

2 重載道路路面的優化設計方法

2.1 交通分析與參數計算

考慮到不同重載道路的使用要求、交通量飽和度、行車數量與載重量存在明顯差異，對路面結構性能要求不一致[4]。因此，為保證路面設計方案具備可行性，切實滿足重載道路使用需要，避免產生過多冗余性能而增加不必要的造價成本。在路面設計工作開展前，需要全面收集、分析工程資料，了解重載道路的交通情況，在其基礎上計算重載道路使用期內年平均當量軸次增長率、方向系數等交通參數，以及為彎沉值、彎拉應力、軸載換算等指標參數的設定提供信息支持。

該項目為國能新疆準東煤田廠區道路工程，路面多為重型礦用卡車，對于重載道路路面設計時，必須加強對道路交通問題的分析。其中，交通資料分析范圍包括重載道路設計年限、車輛橫向分布系數、車道特征、設計年限內交通量平均增長率、同類項目重載道路運營情況、各處路段年平均日交通量、車輛軸載等，根據交通分析結果來確定重車方向，規劃輕車道路和重車道路。長期觀察多處代表路段的交通狀況，結合周邊城市經濟發展水平、發展規劃方案，判斷重載道路的交通量增長規律，綜合分析軸載譜內代表性與其他非代表性車型的增長規律，換算重載道路累計軸載次數增長情況，經過多次換算后，確定重載道路在設計年限內的年平均當量軸次增長率。根據交通分析結果來計算方向系數，用于判斷重載道路特定方向累計當流量軸次在總體當流量軸次中占據的比例，表明對應方向通行車輛對重載道路起到的作用。而方向系數的計算依據為各方向車輛荷載和對重載道路施加的作用，如在全部方向車輛荷載完全一致時，將方向系數取值設定為1。

2.2 軸載換算

在軸載換算環節，根據項目情況來設定標準軸載及最重軸載，以基層彎沉作為控制指標，以及把失效判定標準設置為混凝土面層彎拉強度，使用相應計算公式，在公式內導入車道系數、標準軸載當次軸次、各級被換算車型軸載、輪組系數等參數，用于換算標準軸載，在以基層彎沉值、面層最大綜合應力等作為指標時的計算公式有所不同。

2.3 路面材料參數設計

在該項目中，擬建單層水泥混凝土路面，中級變異等級，選用鋼筋混凝土面層，綜合分析面層厚度、路面材料層厚度與半剛性基層性能要求等因素，并考慮項目“荷載重、交通量小”的特點，最終采用雙層基層設計方案。上基層優先選用半剛性的無機水泥穩定粒料類材料，下基層選用柔性的級配碎石材料。與此同時，嚴格遵循《公路工程無機結合料穩定材料試驗規程》（JTG E51—2009）等規范文件，采取頂面法來測定基層材料的模量，在公式中導入單位壓力、試件回彈變形和試件高度數值來計算，將基層材料與底基層材料的單位壓力值設定為0.5～0.7 MPa和0.2～0.4 MPa，根據計算結果、路面厚度與重載道路組合特征來確定基層材料參數指標要求。

在選用水泥穩定粒料時，彈性模量在7 000～14 000 MPa范圍內;而在選用級配碎石時，回彈模量在300～700 MPa范圍內。同時需要注意，將無機結合料穩定類材料彈性模量應乘以結構層模量調整系數0.5。土基材料可選用剛性承載板法來測定各類土基材料的模量值，在公式中導入各級壓力值、回彈變形量、回彈模量與路基泊松比來計算模量值，將路基泊松比取值為0.35即可。隨后，根據模量值計算結果來選擇土基材料種類、設計路面結構厚度。基（墊）層類型——新建公路路基上修筑的基（墊）層（如表3所示）。

板底地基當量回彈模量 ET=110 MPa

中間計算結果（如表4所示）：

混凝土面層荷載疲勞應力：3.35 MPa;

混凝土面層溫度疲勞應力：.07 MPa;

考慮可靠度系數后混凝土面層綜合疲勞應力：3.76 MPa （小于或等于面層混凝土彎拉強度）;

混凝土面層最大荷載應力：1.96 MPa;

混凝土面層最大溫度應力：.67 MPa;

考慮可靠度系數后混凝土面層最大綜合應力：2.89 MPa （小于或等于面層混凝土彎拉強度）;

滿足路面結構極限狀態要求的混凝土面層設計厚度：350 mm;

驗算路面結構層防凍厚度： 路面結構層最小防凍厚度500 mm，新建基（墊）層總厚度750 mm;

驗算結果表明，路面總厚度滿足路面結構層防凍厚度要求（如表5所示）。

竣工驗收彎沉計算：

新建基（墊）層的層數：3;

測定車后軸軸重：100kN;

第1層頂面交工驗收彎沉值LS= 24.4（0.01 mm）（根據2006版“公路瀝青路面設計規范”有關公式計算）;

第2層頂面交工驗收彎沉值LS=89（0.01 mm）（根據2006版“公路瀝青路面設計規范”有關公式計算）;

第3層頂面交工驗收彎沉值LS=139.4（0.01 mm）（根據2006版“公路瀝青路面設計規范”有關公式計算）;

路基頂面交工驗收彎沉值LS=129.4（0.01 mm）（根據2006版“公路瀝青路面設計規范”有關公式計算），LS=168.5（0.01 mm）（根據“公路路面基層施工技術規范”有關公式計算）。

2.4 路面厚度設計

在路面厚度設計時，以彎沉值、路面結構類型、材料種類及環境適應特性作為設計依據，依次對彎拉應力和車轍等參數加以驗算，判斷所選路面結構類型是否合理，必要時對路面結構層次加以調整。確定路面結構組合排列方案后，選用試算法來計算各面層厚度容許范圍，反復開展仿真試驗來確定最佳路面厚度值，如根據試驗結果判斷設定不同路面厚度值時的荷載應力、結構強度與彈性模量是否達到設計要求和滿足相關規范規定。

2.5 路面預防病害設計

在重載道路使用期間，受到上部車輛載荷、材料、環境侵蝕等因素影響，各類質量病害時有出現，包括裂縫、斷板、龜裂等，嚴重破壞路面結構，影響到路面結構性能與使用壽命。因此，需要從設計角度著手，預防和減少質量病害形成，保障道路結構質量[5]。例如，針對表層裂縫病害，產生原因在于配合比設計不當，包括外加劑摻量過多、水泥用量超標等，需要對配合比方案進行優化調整，分別將碎石含泥量和砂含泥量控制在1%、3%以內，并通過增大板面設計厚度來減輕上部行車荷載對路面造成的影響。針對斷板病害，需要對配合比方案中的原材料用量、骨料級配、外加劑種類、水泥品種進行調整，將水泥與礫石的單位用量控制在170 kg/m3與160 kg/m3以內，使用粒徑不超過40 mm的連續級配粗骨料，使用微膨脹劑或是高效減水劑作為外加劑，使用42.5普通硅酸鹽水泥。而對于基層裂縫問題，可選擇在重載路面的縱橫向接縫處填充適量填料，使用氯丁橡膠作為填料，起到改善路面板粘結效果、有效適應路面板收縮的作用。

3 結語

綜上所述，為突破傳統路面設計模式的局限性，滿足現代重載道路的設計要求及建設標準，最大限度延長道路使用壽命，預防路面損害和交通安全事故出現。設計人員應加強對重載道路路面設計問題的深入研究，采取優化設計方法，根據工程實際情況對原有方案內容加以改進，保證道路路面安全。

參考文獻

[1]陳文甫. 重載道路路面設計方法分析[J]. 工程建設與設計， 2021（6）： 81-82+87.

[2]楊超， 肖城. 重載道路路面設計問題探討[J]. 交通世界， 2021（32）： 77-78.

[3]郭東亮. 重載道路路面設計問題分析[J]. 交通世界， 2021（33）： 117-118.

[4]張虎. 城市道路工程路基路面設計要點研究[J]. 科學技術創新， 2020（18）： 138-139.

[5]羅佳. 路基設計參數對路面設計的影響分析[J]. 交通世界， 2021（33）： 125-126.