關于重載道路路面設計方法

張 莉

(山西省交通科技研發有限公司,山西 太原 030000)

隨著貨運需求的不斷提高,貨車載重持續增大,使很多道路成為重載交通道路,不同于一般道路,重載交通道路的路面更容易受到破壞,使用壽命往往更短,這就需要對重載道路路面設計引起特別重視,在明確重載交通道路主要特點及汽車荷載對路面結構的作用機理基礎上,提出合理可行的路面設計方法。

1 重載交通道路主要特點

明確重載交通道路具有的各項特點能為后續道路路面設計提供可靠的參考依據和借鑒,這也是重載路面設計關鍵所在,必須引起相關人員的高度重視。對于重載交通道路,其特點可從兩方面入手分析。

(1)交通特性。在重載交通路段范圍內,車輛荷載等級相對較高,車型主要為三軸及以上中大型貨車,載重普遍可以達到30 t及以上,部分甚至可以達到100～200 t,盡管這些貨車在總量的占比相對較小,但會對路面結構造成很大損傷,嚴重時將導致路面結構破壞。除此之外,在重載道路的交通組成中,載重在10～40 t范圍內的貨車是主要組成部分,這些載重量的貨車同樣也會對路面結構造成一定程度的損傷破壞。然而,在重載交通路段當中,其交通流量通常較低,其原因為重載貨車實際行駛速度不快,小車所占比例往往很低[1]。

(2)運維狀況。絕大多數重載交通路段都處在經濟較為發達的地區,受到重載車輛通行的持續作用和影響,路基路面極易遭到破壞,產生包含路基沉陷與局部塌陷,以及邊坡失穩等在內的問題,同時路面也會接連出現一系列病害問題,如裂縫、坑槽、破損,甚至塌陷。這些病害在產生初期并不容易引起相關人員的注意和重視,若未能在早期及時有效的修復,將使病害不斷發展和擴張,最終造成更為嚴重的破壞。大量道路結構破壞實例表明,道路破壞和重載交通之間存在密不可分的聯系。

2 汽車荷載對路面結構的作用機理

汽車荷載為路面結構施加的作用主要通過輪壓的方式體現,輪壓和道路之間的接觸面積相對較小,當汽車處于重載條件下時,會使局部作用荷載明顯增加,由此對路面結構產生的作用具體可分成以下幾種。

(1)彎曲效應:汽車荷載作用于路面結構的效應相當于一次性彎曲,這樣會使路面結構出現受彎變形的現象,此時一旦面層結構厚度較小或面層材料自身技術性能較差,則會在荷載持續作用下導致拉彎區域的應力遠遠超出結構自身承受極限,最終使路面底部產生明顯的開裂現象。除此之外,汽車荷載作用除了包括靜力,因路面不可能做到完全平整,加之汽車從路面上通過后施加的振動作用,還會產生一定動力沖擊效應,在這種情況下很容易產生一次性破壞,特別是在受到超載車作用后[2]。

(2)疲勞效應:疲勞對路面結構而言是一項重要性能,在我國現有公路中,很多路面結構裂縫的出現都和疲勞性能之間存在直接關系。汽車荷載的反復施加與卸載必然產生一定程度的疲勞效應,使路面結構在低于材料自身極限的條件下產生早期裂縫失效。對于路面結構疲勞效應,其基礎為受荷載作用后路面結構產生的損傷效應,并且隨著超載作用條件下汽車軸載噸位不斷增加,路面結構的疲勞損傷將呈現出指數增長,造成十分顯著的不利影響。

(3)剪切推移效應:車輛行駛時有不同的工況,包括上下坡、制動、加速與轉彎等,在這些不同工況條件下,路面結構將在車輪作用下產生一定剪切推移,由車輪作用產生的剪切力一般和路面保持平行。在重載車輛的持續作用與影響下,路面結構所受剪切力將十分明顯,嚴重時可能導致面層結構產生破損。事實上面層產生的很多病害問題都和剪切推移效應有關,包括擁包與推移等[3]。

(4)車轍效應:現在的路面結構大多使用瀝青混合料作為面層結構,因這種材料具有顯著的受高溫后發生軟化的特性,所以在高溫條件下很容易出現車轍效應,尤其是在重載交通情況下,車轍問題將更加顯著,因為車轍效果和汽車的載重情況及行駛速度都有直接關系。

3 重載交通道路路面設計

3.1 現行規范適用性

我國現行相關規范針對路面結構設計主要以標準荷載作用與溫度應力作用折合成標準荷載累積作用次數的,同時和設計要求的疲勞壽命進行對比,由此得出累積疲勞損耗情況,為實際的面層結構工作提供準則。對車輛作用進行標準軸次換算時,可根據交通量直接實施換算,對于噸位相對較大的貨車,通過對換算軸次進行充分考慮,對疲勞效應進行嚴格的校核,并未充分考慮受到軸載一次作用后可能產生的彎曲及剪切失效,最終使設計不合理。除此之外,在重載交通對應的軸載組成當中,可能存在超出規范要求的載重,盡管這些軸載的組成概率并不高,但會對路面結構造成很大影響。如果未能在設計過程中充分考慮,則會使面層結構在大噸位軸載多次作用下產生一次性斷裂失效。按照以上均一化思想進行設計,最直接的后果為使載重相對較大的區域的面層結構使用壽命大幅縮短,對后期維護和更新都提出了很高要求;而對于載重相對較小的區域,會使設計過于保守,盡管面層結構的使用壽命良好,但也會由于路基或其它部分發生破壞使面層結構受到影響[4]。

3.2 明確設計思路與步驟

對于重載交通道路,其路面結構設計過程中應先確定道路運營過程中的臨界荷載,以此為之后設計效率的提升奠定良好基礎;然后要選擇適宜的軸載換算方式;再采用調研的方法確定最大服役荷載;最后以標準的交通量為依據實施路面結構設計,此時將之前通過調研確定的最大服役荷載作為驗算的參考依據,保證最終設計成果的合理性。

對一般道路而言,按照現行規范進行設計,從理論角度講,重載和非重載道路主要是按照應力范圍進行劃分的。在實際工作中需要從推廣與實用兩個角度確定設計方法是否合理可行。第一方面為道路是否從事專項物資運輸或大件貨物運輸。第二方面為以采用軸重儀現場實測結果為依據,若設計車道上存在特重型軸重車輛,且單軸軸重達到13 t以上、雙軸軸重達到26 t以上,則屬于嚴重的超載現象。當現實情況符合上述兩種條件時,即需要對其路面結構實施專門的重載設計[5]。

重載交通路段路面設計可按照以下步驟進行。

(1)收集并整理各類交通資料,如初始年日平均交通量和交通組成、軸載譜、超載方式和超載規律、歷年交通量與其組成、方向分配系數、車道分配系數、軸載年平均增長率。根據這些交通資料確定該路段的路面是否屬于重載路面,確定后開展軸載換算,并計算使用年限內該路面的累計標準軸次。

(2)廣泛收集沿線范圍內的地質資料、土質資料和筑路材料性能基本資料,同時根據原路面具體使用情況與破壞狀況,選擇與重載道路良好適應的筑路材料,然后初步擬定路面結構,接著采用試驗的方法確定不同結構層對應的設計參數,如抗壓回彈模量和抗拉強度。

(3)以設計彎沉值為依據通過計算確定路面各結構層的厚度,并對基層與底基層實施驗算,包括彎拉應力驗算、最大拉應力驗算與車轍驗算,若經驗算發現未能達到要求,則需要對路面不同結構層的實際厚度進行適當調整,或對路面結構組合進行更改,之后還需要重新進行計算,指導驗算通過[6]。

3.3 確定臨界荷載

路面結構累積損傷通常需要汽車荷載達到某種程度才可以產生效應,對不會產生任何效應影響的車輛,可將其忽略不計。基于此,在設計中要確定臨界荷載,這對提高設計工作效率與保證設計針對性都有十分重要的作用和意義。根據現有研究成果,通常將50%的應力視作臨界荷載標準,以厚度為18 cm的混凝土面板與層厚為3 cm的瀝青面層為例(前者彎拉強度為4 MPa,下層為15 cm厚天然砂礫和強度為25 MPa的土基,后者下層為20 cm厚石灰土與強度為30 MPa的土基),相關計算結果如表1所示。

表1 路面結構臨界荷載確定

根據以上計算結果可以看出,在對水泥路面進行設計時,可不考慮單軸低于30 kN的軸載與雙軸低于60 kN的軸載。而在對瀝青路面進行設計時,可不考慮單軸低于20 kN的軸載與雙軸低于40 kN的軸載[7]。

3.4 軸載換算

軸載強度決定了路面結構受汽車荷載作用后是否發生一次性破壞,而路面結構疲勞則是在受到反復軸載作用后產生的結構損傷。如前所述,車轍病害是由于路面結構受到車輪反復作用后產生的,剪切推移同樣屬于往復作用,主要體現為產生剪切破壞。對現在關注度較高的疲勞問題而言,需要根據當量軸次來計算。以目前最常用的瀝青路面為例進行分析,現行相關規范提出將路面結構彎沉作為對設計進行控制的主要指標,采用底部拉應力,對于彎沉等效與拉應力等效,可采用以下公式進行軸載換算

(1)

式中:N為標準軸載對應的當量軸次,次/日;p為標準軸載,可按100 kN考慮;pi表示實際作用的軸載;C1為軸載系數;C2為輪組系數;n1為作用頻次。根據軸載換算結果可得出疲勞應力,同時和設計提出的疲勞應力容許值進行對比。

3.5 設計要點

在實際的設計過程中需要對路面結構疲勞效應與一次性破壞效應進行同步驗證,其中,對路面結構疲勞問題而言,需要通過軸載換算得出疲勞應力,同時和相關設計標準實施對比。當前采用的設計標準依然將臨界疲勞應力與溫度疲勞應力兩者的組合作為主要控制標準,要求該標準不能低于面層結構所用材料自身彎拉強度。另外,還要對一次性破壞進行驗證,采用調研的方式確定路面結構服役過程中的極限荷載,同時驗證該荷載持續作用和影響下面層結構是否出現一次性斷裂[8]。

瀝青路面憑借良好的平整性、抗高溫與耐老化性,以及較小的行車噪音,在當前的公路工程中得到越來越廣泛的應用。在重載交通路段當中,依然建議使用壽命周期相對較長的瀝青路面,重點對瀝青路面進行設計。根據瀝青路面受輪載持續作用后的受力性能和面層分區可知,從上到下依次為面層、中間層與HMA基層,其中,面層通常采用高質量瀝青混合料,中間層采用彈性模量較高,且具有較強抗車轍能力的瀝青混合料,而基層則采用具有較強抗疲勞能力的瀝青混合料。

在汽車荷載持續作用下,汽車的車輪和路面直接接觸位置下部10～15 cm一般為高受力區,也是容易出現各類病害問題的部位,所以在路面結構設計過程中應選擇高質量瀝青混合料,以此形成承載面層,在保證承載安全的同時,改善路面使用效果。汽車荷載通過面層后還會不斷向下層結構擴散,此時要確保和上部面層結構之間有效連接,防止車轍等病害問題的發生,對此中間層一般推薦選擇彈性模量較高、具有較強抗車轍病害性能的瀝青混合料。中間層以下則是拉彎應力達到最大的區域,這一區域通常要求材料有良好抗彎拉能力,避免由于對抗性較差出現裂縫或造成破壞,在設計中可優先考慮柔性較高且抗疲勞能力較強的瀝青混合料,并且還要保證該結構層有足夠的厚度,避免路面結構出現從下到上分布的裂縫及破壞[9]。

對于使用壽命相對較長的瀝青路面,基本上都是以不同結構層受力特點為依據,通過采用特殊材料或結構構造方式來使面層結構受力和產生的變形達到合理,進而保證路面結構的安全性與可靠性。實踐表明,這樣設計方法完全可以滿足當前的重載交通路面,延長重載交通路段路面結構服役時間,并保證行車安全性與舒適性。以倒裝結構為例進行分析,它在國際上得到了很多應用,以某實例為例,其路面結構層次為40 mm厚瀝青面層+160 mm厚級配碎石+225 mm厚碾壓混凝土+150 mm厚石灰處治層,實踐表明其使用狀況良好,幾乎沒有產生裂縫;又以某機場道路為例,其路面結構層次為70 mm厚瀝青面層+100 mm厚級配碎石+300 mm厚水泥結粒料+450 mm厚水泥結粒料,實踐表明其使用狀況同樣良好。但需要注意,在設置中間層以后會使路面結構強度降低,不同試驗段的使用壽命不穩定,有很大的變化幅度,平均壽命也比未設置中間層時減少了2年左右。

4 結 語

綜上所述,重載道路數量的不斷增加對其路面設計提出了更高要求,以上對重載道路路面結構設計進行了初步分析與總結,提出具體的設計內容、方法和要點,旨在為實際的重載道路路面結構設計工作提供可靠參考依據,保證重載道路路面設計合理性與可行性,延長重載道路路面使用壽命。