S323线库尔勒过境公路沥青混凝土路面计算分析

陈华军

(新纪元公路设计有限责任公司)

S323线库尔勒过境公路沥青混凝土路面计算分析

陈华军

(新纪元公路设计有限责任公司)

路面结构是一种由多种材料组成的多层次的复杂体系，加之其使用环境和材料特性以及交通荷载的多变性，给路面设计带来了许多不确定因素。沥青混凝土路面具有良好的力学性能和较好的耐久性以及行车舒适性，适合各种车辆通行;在公路建设中被广泛采用。结合实际工作经验，就新疆部分地区沥青混凝土路面设计提出自己的一些见解。

沥青混凝土;半刚性基层;弯沉;容许拉应力

1 前言

库尔勒市境内原国道314线库尔勒市天山西路与建国路交汇处至在上户镇段，由于国道314线库尔勒过境段改线，该段公路更名为省道323线，全长12.15 km。该段公路交通量很大，承担着南北疆交通枢纽任务。

2 原有公路现状调查

该段原路公路等级为三级公路，设计车速为60 km/h;该路段主要病害为纵、横向裂缝、坑槽、松散、、麻面、啃边、龟裂、网裂。老路路基宽8.5 m，路面宽7 m，两侧未设路缘石。经全线老路挖探查明:老路路面结构为2～4 cm沥青表处下为砾石土。

3 路面结构计算

3.1 依据原路弯沉值反算老路基回弹模量

计算公式

式中:Et为原路面当量回弹模量，MPa;P，δ为标准车型的轮胎触底压强，MPa和当量圆半径，cm;Lr为原路面的代表弯沉值，0.01 mm;m1为用标准轴载的汽车在原路面上测得的弯沉值与用承载板在相同的条件下所测得的回弹变形值之比，即轮板对比值，(比值m1应根据各地的对比试验结果论证地确定，在没有对比试验资料的情况下，可取m1=1.1(轮隙弯沉法)进行计算);m2为计算与原路面接触的补强层层底拉应力时，m2按下式计算;计算其他补强层层底拉应力及弯沉值时，m2=1.0。

式中:En-1为与原路面接触层材料的抗压模量，MPa;h＇为各补强层相当于原路面接触层的模量En-1的等效总厚度(cm)，按下式计算

式中:Ei为第i层补强材料的抗压回弹模量，MPa;hi为第i层补强材料的厚度。

依据公式(1)计算得老路路面回弹模量结果如表1。

表1 老路路面回弹模量结果

续表1

3.2 轴载换算

老路路面抗压模量依据代表弯沉值Lr=120(0.01 mm)计算，得 Et=136 MPa。

交通量组成(依据库尔勒市人民政府提供数据)。

(1)当以设计弯沉值及沥青层层底拉应力为指标验算时，各级轴载均按下式计算

式中:N为以设计弯沉值及沥青层层底拉应力为指标时的标准轴载的当量轴次(次/d);ni为被换算车型的各级轴载作用次数(次/d);p为标准轴载BZZ-100(100 kN);Pi为被换算车型的各级轴载，kN;C1为被换算车型轴数系数;当轴间距大于3 m时，应按一个单独的轴载计算;当轴间距小于3 m时，双轴或多轴的轴数系数按公式(5)计算，式中:m为轴数。

C2为被换算车型的轮组系数，双轮组为1，单轮组为6.4，四轮组为0.38;K为被换算车型的轴载级别。

由交通量组成按公式(4)计算得:路面竣工后第一年双向日平均当量轴次N1:3432

设计年限内一个车道的累计当量轴次Ne为

公式参考《公路沥青路面设计规范》JTG D50-2006

按式(6)计算得:设计年限内一个车道的累计当量轴次Ne为:7.683×106。

(2)以半刚性材料层的拉应力为设计指标时，各种车辆的前、后轴均应按公式(6)换算成标准轴载P的当量作用次数N'。

式中:N＇为以半刚性材料层的拉应力为设计指标时的标准轴载的当量作用次数(次/d);C＇1为轴数系数;以拉应力为设计指标时，双轴或多轴的轴数系数按式(8)计算，m为轴数。

式中:C＇2为轮组系数，双轮组为1.0，单轮组为18.5，四轮组为0.09。

由交通量组成按公式(7)计算得:路面竣工后第一年双向日平均当量轴次N＇1:5 546

按式(6)计算得:设计年限内一个车道的累计当量轴次N＇e为:1.242 ×107。

3.3 设计弯沉计算

设计弯沉值应根据公路等级、设计年限内累计标准当量轴次、面层和基层类型按式(9)计算确定。

取值参考《公路沥青路面设计规范》JTG D50-2006

由公式(9)计算得:路面设计弯沉值:ld=27.7(0.01 mm)

3.4 容许拉应力计算

路面结构层拟采用:面层采用中粒式沥青混凝土(AC-16);基层采用4%水泥稳定砂砾(半刚性基层);垫层采用天然砂砾。

计算沥青混凝土层、半刚性基层以拉应力为设计指标时的容许拉应力材料的容许拉应力σR应按下列公式计算

式中:σR为路面结构层材料的容许拉应力，MPa;σS为沥青混凝土或半刚性材料的极限劈裂强度，MPa;对沥青混凝土的极限劈裂强度，系指15℃时的极限劈裂强度;对水泥稳定类材料龄期为90 d的极限劈裂强度，MPa;Ks为抗拉强度结构系数。

对沥青混凝土面层的抗拉强度结构系数，按式(11)计算

对无机结合料稳定集料类抗拉强度结构系数，按式(12)计算:

本项目中依据《公路沥青路面设计规范》JTG D50—2006附录E中表E.1和表E.2得:中粒式沥青混凝土劈裂强度σS取1.2;水泥稳定砂砾劈裂强度σS取0.6。

依据式(11)、式(12)计算得:沥青混凝土面层抗拉结构系数为2.67;水泥稳定砂砾抗拉强度结构系数为1.94。

由式(10)计算得:沥青混凝土容许拉应力为0.45(MPa);水泥稳定砂砾容许拉应力为0.31(MPa)。

3.5 路面结构厚度计算

路面结构设计双圆均布垂直荷载作用下的弹性层状连续体系理论计算。

按新疆地区路面结构设计经验，初拟路面结构层:面层采用中粒式沥青混凝土(AC-16);基层采用4%水泥稳定砂砾(半刚性基层);垫层采用天然砂砾(为未知结构层)并计算其厚度。

表2

按设计弯沉值计算设计层厚度

设计弯沉ld=27.7(0.01 mm)

当h3=20 cm(天然砂砾厚度)，LS=23.5(0.01 mm)(轮隙中心处路表设计弯沉值)

由于设计层厚度h3=20 cm时LS＜=Ld，故弯沉计算已满足要求。

(第1层底面拉应力验算满足要求)

按容许拉应力验算设计层厚度，水泥稳定砂砾容许拉应力为σR=0.31(MPa)

当h3=43.5 cm(第2层底面拉应力验算满足要求)

路面设计层厚度:

h3=43.5 cm(同时考虑弯沉和拉应力)

最后得到路面结构设计结果如下:5 cm中粒式沥青混凝土+29水泥稳定砂砾+44天然砂砾。

［1］公路工程技术标准(JTG B01-2003)［S］.北京:人民交通出版社，2004.

［2］公路沥青路面设计规范(JTG D50-2006)［S］.北京:人民交通出版社，2007.

［3］严家伋.道路建筑材料(第三版)［M］.北京:人民交通出版社，2004.

［4］邓学钧.路基路面工程(第三版)［M］.北京:人民交通出版社，2008.

［5］姚祖康公路路面设计手册［M］.北京:人民交通出版社，1998.

U416.217

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1008-3383(2012)07-0073-02

2012-05-29