瀝青路面裝配式基層結構計算分析

劉 偉，高 爽，張再晴，郭 高

（長春市市政工程設計研究院有限責任公司，吉林 長春 130033）

0 引言

瀝青路面裝配式基層是基塊間裝配組合，通過其三維嵌擠作用形成板體的結構層。瀝青路面裝配式基層結構通過有限元計算可知，除該層外采用裝配式基層的瀝青路面結構的力學響應分布規律與傳統的半剛性基層瀝青路面結構相似，所以可將裝配式基層與半剛性基層進行等效替代后，選用瀝青路面結構計算軟件進行設計及驗算。因此，本文通過工程案例對瀝青路面裝配式基層結構進行計算，明確符合技術要求且經濟合理的路用材料、適合的結構組合厚度，并分析設計參數選取對其結構計算的影響情況。

1 工程概況

長春市育民路道路工程采用的裝配式基層的預制塊是一種上下面平行、四個側面都是斜面的混凝土塊體[1]，其裝配式基層結構及鋪設情況見圖1~圖2。目前它已經作為路面基層在長春、哈爾濱、沈陽等多個城市道路工程中得到大面積推廣應用，并具有道路工程壽命長、施工工期短、可減少溫縮裂縫等優點。

圖1 裝配式基層鋪設現場

圖2 裝配式基層鋪設完畢

2 計算過程

首先確定路面等級、面層類型、計算設計年限內1條車道的累計當量軸次和設計彎沉值，進行路面結構組合設計，其應滿足各設計指標要求，對于季節性冰凍道路應驗算防凍厚度，最終通過工程造價、技術指標、產生的社會效益對比確定路面結構方案[2]。

2.1 標準荷載

路面設計采用雙輪組單軸載100 kN作為標準軸載。采用雙圓垂直均布荷載作用下的彈性層狀連續理論進行計算[2]。標準軸載的計算參數見表1。

表1 標準軸載的計算參數

2.2 設計交通量計算

路面結構設計采用的交通量是按設計年限內的交通量進行計算，計算時需把各種車型的不同軸載換算成BZZ-100標準軸載的當量軸次，再進行交通等級劃分[2]。重交通及以下交通等級瀝青路面按《城鎮道路路面設計規范》CJJ 169—2012中的要求進行半剛性基層結構設計及驗算；特重交通瀝青路面應采用商業有限元軟件進行裝配式基層結構受力驗算，且需技術論證后再采用此結構[3]。

2.3 修建類型與設計指標

育民路因道路已經達到設計使用年限，且道路橫斷面形式由單幅路調整為雙幅路，道路需要全部翻建，故道路結構修建類型按新建考慮。設計路段道路等級為城市次干路，瀝青路面設計基準期15年，交通等級因重載車多取為重交通，基層類型為半剛性基層，以路表回彈彎沉值及瀝青層層底拉應力為設計指標，同時滿足抗凍設計[2]。

2.4 擬定設計結構參數

根據長春市常用路用材料，結合已有的工程經驗與典型結構，初擬結構組合設計方案，面層分為上面層和下面層，基層均為標準型基塊[4]，底基層材料選為水穩碎石、級配碎石和石灰土三種材料。裝配式基層道路組合設計方案見表2。

表2 裝配式基層道路組合設計

各種材料的結構計算參數取值范圍見表3。

表3 裝配式基層道路結構計算設計參數

2.5 路面結構厚度計算

采用《路面分析與設計系統PADS1.0》計算軟件計算，并結合當地實際經驗確定，基塊下底基層材料選取水穩碎石最為適合，設計合理取值厚度為30 cm。設計彎沉值23.0（0.01 mm），路表實際設計彎沉值為12.8（0.01 mm）。

3 設計結構計算影響分析

通過計算可知，設計彎沉值與材料、路面結構組合形式及厚度有直接關系，而交通量和材料設計參數是結構厚度計算的依據。選取輕、中、重、特重交通等級對應的道路，分析不同材料模量在范圍值內對結構計算的影響。

1）交通量對結構層影響分析

交通量根據規定劃分4個等級。瀝青路面設計取值：輕交通400萬次/車道；中等交通400萬次/車道~1 200萬次/車道；重等交通1 200萬次/車道~2 500萬次/車道；特重等交通>2 500萬次/車道。結構計算取各交通等級的上限值，面層層數計算結果為單層或雙層，隨交通量增大，面層厚度增大；底基層材料不同，隨著模量值減小面層厚度也增大。數值關系見交通量與結構厚度關系見表4。

表4 裝配式基層道路結構面層數據 cm

根據計算結果，采用裝配式基層結構，選用水穩碎石底基層結構可不設面層即可能滿足各項設計指標要求，為滿足功能要求設置單層面層；選用級配碎石除重交通外均可設單層面層就滿足各項設計指標要求；選用石灰土底基層除輕交通外均應設兩層面層才能滿足各項設計指標要求；與常規結構對比選用裝配式基層結構除底基層材料選為石灰土外其他均可減薄至單層面層，即使是重交通采用單層面層也能滿足要求。為了充分發揮裝配式基塊結構的優勢，同等結構厚度情況下，且交通量等級要求高的路面，石灰土材料不適宜做其底基層材料。

2）交通量對彎沉影響分析

結構計算取各交通等級的上限值，可知路表彎沉大小同軸載累計重復作用次數成反比關系。交通等級高，交通量大，道路結構設計彎沉值小。同一等級道路，交通量不變情況下，彎沉值隨結構材料的抗壓模量值變大而減小。取表4道路結構層進行計算，按輕、中、重交通等級選取數值對結構設計路表彎沉值進行影響分析，石灰土的彎沉值變化范圍分別為±6.2%，±8.1%，±9.9%；級配碎石的彎沉值變化范圍為±6.4%，±8.3%，±11.6%；水穩碎石的彎沉值變化范圍為±3.8%，±5.2%，±9.8%。交通量及彎沉值對應關系見圖3。

圖3 交通量對路表彎沉值影響

3）底基層材料對路表彎沉計算影響分析

選取固定結構厚度30 cm的次干路結構（見表3），采用單一變量計算各種結構組合的路表彎沉，在其他結構層條件不變的情況下，底基層材料模量取值大彎沉值變小，反之則大，彎沉曲線呈非線性變化，不同材料底基層模量與彎沉關系如圖4所示。

圖4 底基層模量與彎沉關系

4）土基模量對路表彎沉影響

回彈模量是反映土基強度的設計控制指標，彎沉值是反映道路整體結構強度的指標。在外界荷載作用下，土基回彈模量越大，土基變形越小，路表所產生的彎沉值也越小，標志著路面抵抗變形能力越強。通過道路結構計算，選用級配碎石基層土基回彈模量在30 MPa~40 MPa即滿足路面強度要求。采用級配碎石基層土基模量增大至45 MPa后顯示結構層厚度取值不合理；采用石灰土和水穩碎石基層土基回彈模量在30 MPa~40 MPa路表彎沉值沒有變化，之后隨著土基模量的增加在逐漸變小，達到80 MPa后變化逐漸變緩。不同材料的土基回彈模量和彎沉值關系見圖5。

圖5 土基對路表彎沉影響

5）既有結構彎沉檢檢測數據對比分析

通過對竣工的大連路（次干路）、育民路（次干路）、文化街（支路）路面的彎沉檢測，根據圖6數據同樣可以看出底基層材料分別為水穩碎石、級配碎石、石灰土實測彎沉值與計算值的關系，道路實測彎沉值均在計算值范圍以內（不含突變點）。水泥穩定碎石、級配碎石、石灰土三種底基層的計算彎沉結果分別乘以系數K水=0.408，K級=0.426，K土=0.614，即與實測彎沉值相符。由于受道路交通量、材料模量等參數影響，以水泥穩定碎石為例，計算彎沉值浮動最大值為15.6（0.01 mm），最小值為12.8（0.01 mm），平均值為14.2（0.01 mm），其變化率為±9.8%；而實測平均彎沉值5.8（0.01mm），其對應變化值為5.8（0.01 mm）±0.6%，其他同理。分析可知，水泥穩定碎石彎沉標準差最小，結構穩定；采用石灰土結構，其在使用過程中模量受含水量影響，彎沉值變化最大；采用級配碎石結構易松散，受裝配式基層板角應力影響，容易形成路面反射裂縫，對路面彎沉值影響也大。

圖6 基層實測彎沉值與計算值的關系

4 結語

1）瀝青路面裝配式基層結構計算設計指標為設計彎沉值和允許抗壓應力。對于裝配式基層結構，重交通路面即便是采用單瀝青面層仍能滿足結構要求。綜合考慮路面耐久性及使用壽命，對于輕交通可以選用單面層，中等交通及以上路面可以采用雙面層。

2）底基層結構材料的設計模量參數值為區間值，模量與彎沉值為負相關，其對設計路表彎沉值的影響范圍在±3.8%~±11.6%。

3）底基層結構材料模量選取和施工土基壓實控制有關，施工過程造成的變異性是導致道路實測彎沉值和計算值出現偏差的主要因素。

4）為了提高路面結構的可靠性，對于中等及以上路面，裝配式基層的底基層材料推薦使用水穩碎石。

5）裝配式路面基層可以采用《路面分析與設計系統PADS1.0》軟件計算，計算彎沉對模量變化取平均值分別乘以水穩碎石換算系數0.408，級配碎石換算系數0.426，石灰土換算系數0.614，可得到實測彎沉值，模量區間范圍對實際彎沉值影響范圍分別±11.6%，±9.8%，±6.2%。