重载交通道路结构性设计理念

陆敬花

（常州市长润交通工程设计有限公司 常州 213000）

随着我国经济的发展，公路运输呈现出大交通量和重载交通的特点，并且超载现象十分普遍和严重，由此引起的道路结构性损坏更加凸显和难以解决，特别是矿山、水泥等重工业基地的运输车辆荷载超大，交通量状况多为重载或特重载交通，且具有车辆连续通过的运输特征。近年来，在江苏溧阳抽水蓄能电站对外公路及部分场内施工道路工程、239省道社诸段和溧阳市金峰水泥厂专用道路新建工程等项目中，先后进行试验分析研究，并对运营期间的路用性能及变化情况进行了系统的跟踪研究，逐步形成了针对重载交通的道路结构性设计理念，成功推出了新型组合道路结构模式，通过水泥混凝土面层（内含钢筋网片）与碾压混凝土基层的组合设计，来提高道路承载能力，满足重载交通对道路功能性的需求。

1 道路设计理论间的不协调

《公路沥青路面设计规范》（JTG D50－2006）以静力学为基础的弹性层状体系，与路面的真实受力状况偏差较大，表现为路面的早期病害严重，除了部分是施工因素外，行车荷载是主要原因，重载车辆车速较低，对路面结构的影响却很大。因此，路面结构应从动力学的角度来探讨，路面材料和结构的动态响应状况的性能研究应作为路面设计发展的未来趋势，同时也可以顺应汽车制造及发展的方向。

《公路水泥混凝土路面设计规范》JTG D40－2011对路床顶面的综合回弹模量值控制要求为：轻型交通综合回弹模量值E不小于40MPa，中／重型交通综合回弹模量值E不小于60MPa，特重／极重型交通综合回弹模量值E不小于80 MPa，对不能满足的可以采用粗粒土或低剂量无机结合料稳定土做路床或上路床填料，当路基工作区地面接近或低于地下水位时，更换填料和设置排水渗沟等。

但是现行《公路路基设计规范》（JTGD30－2004）与上述设计指标均不协调，缺乏路基结构性设计支撑，规范仅从路基材料的CBR指标和各层路基的压实度进行考量，对路基结构组合的性能缺乏系统的控制，路基结构性（强度和模量）的变化与自然环境以及地下水位之间的相互影响状况未纳入路基设计理论，这是直接导致路基损坏变形的根本原因。路基的承载功能的缺失或衰减是道路结构破坏的主因。

路基设计理论中仅按经验性要求提出路床即路面底面80cm范围的路基部分的填料和压实度的控制性要求，这个要求对应的车辆荷载为汽－20的年代，随着汽车运输和制造业的高度发展，这个经验性控制指标极端脱离现实，大型重载车辆多轴多轮的荷载呈日益增长的趋势，应充分考虑汽车荷载作用下的路基变形和道路环境条件及变化的问题，对路基进行结构性设计控制，针对汽车荷载的等级确定各种路面结构下的路基工作区深度。

同时，现行规范中的路基平衡湿度表征用稠度和含水量，由于稠度仅是粘性土的湿度状态的反映，具有一定的局限性，含水量也无法准确反映对回弹模量的影响。路基的湿度应引入饱和度和基质吸力来作为控制指标，这样更贴近路基工作具体环境。基质吸力是对非饱和土的湿度状况进行表征，基质吸力的大小受土的孔径大小的影响，在环境条件下，基质吸力的大小受外界平衡相对深度的影响，土的孔径分布决定了土水的特征曲线的特征。

弯沉作为反映道路结构强度的力学指标，是道路各结构层厚度和刚度、温度和湿度、交通状况及结构层龄期等的综合反映。对于一定的道路结构而言，弯沉值的大小主要取决于作用荷载的性质及荷载大小，荷载作用时间和加载过程等。但道路结构破坏的根本原因是由于过度的应力或应变，而不是由扰度造成的，仅靠弯沉值来评价道路的结构承载力并不能完全反映真实情况。路基土的特性为非线性弹塑性材料，具有应力依赖性，并随其湿度和密实度状态变化。理想的承载力评价应以应力、应变为基础，评价的关键是确定道路的各层弹性模量，只有获取各层的模量和厚度，才可通过弹性层状体系理论进行计算。路基结构应与路面设计规范相协调，以路基回弹模量为设计指标。路基永久变形控制的设计方法是限制路基土的应力水平，保证路基土不发生剪切破坏或者使它们在重复荷载作用下产生的永久变形趋于稳定，所产生的累积永久变形量控制在有限的容许范围内，不对路表面的车辙和面层的开裂产生不利影响。

当然，路基的结构性设计应结合公路等级、路基填挖高度、路面结构形式等，合理选择路基结构形式。路基填方高度的确定应遵循路基设计洪水频率及设计洪水位的要求，还要确保路基处于中湿状态的临界高度，满足路基工作区的深度和道路冻结深度的要求。基层对于保证路面的整体强度和稳定性、延长其使用寿命具有非常重要的作用。

路面与路基间的连接问题也应引起高度的重视，基础的平整度，连接层间的防排水层的设置，降低路基顶面应力水平的路基、路面结构组合的优化，都将随着对道路和车辆工作特性的理解深化，多层体系的动力响应理论的完善，基层和面层之间加入沥青防水层，或基层以下做成级配碎石和低剂量水稳的组合层都对反射裂缝具有防止效果，这种组合型结构设计正在通过试验路段进行验证，逐步形成重载交通道路结构性设计理念，将引领实施基础设施建设先行的伟大目标。

2 工程应用中道路结构性设计的经验

2.1 蓄能抽水电站对外公路及部分场内施工道路工程

江苏溧阳抽水蓄能电站地处溧阳市天目湖镇，是继沙河抽水蓄能电站、宜兴抽水蓄能电站建成后开工建设的第3座抽水蓄能电站。蓄能抽水电站对外公路及部分场内施工道路工程，路线起于社渚至平桥公路一期工程终点处，然后沿老路分别穿越富子芥村、新屋场村、新屋底村、前头园村，最后终于241省道。路线全长5.594km，道路设计技术标准为山岭重丘三级公路标准，根据《江苏溧阳抽水蓄能电站对外公路及场内改建公路规划》的内容，场内设有生活办公营地和生产区，综合规划后期营运和前期建设施工荷载的要求，场内桥涵设计荷载由业主提供的特种荷载，路线经过的生活办公营地设计桥涵荷载标准为汽－40，挂－300，生产区设计桥涵荷载标准为汽－80，挂－300。

水文地质状况：沿线地下水类型主要为上层滞水，由大气降水及地表河流补给为主，水位随季节变化，水量一般不丰。静止水位埋深较深。在勘探所达深度范围内，可分为两个大的岩性特征层，地层成因为冲洪积，由上至下分别为亚粘土和粉砂夹层，以及密实低等压缩性并含有粉土薄层的强风化岩层，局部山体凸处土层下3～5m有坚实岩层，层厚未曾揭示，呈零星分散状分布。

场内根据等高线分布走势情况，设置山体截流沟设施，道路纵坡较大，路基多高于道路两侧边沟，沿线道路排水设施通畅。挖方山体岩石层面设置深厚的级配碎石垫褥层，纵横向填挖分界线两端也设置深厚的级配碎石垫褥层，均衡基层材质的不均匀性，级配碎石呈锁结密实结构，厚度高达80cm，搭接处延伸出界限外20m。路基压实度按现行规范，路基一般处于中湿状态。

路面结构采用水泥混凝土路面，生活办公营地汽－40，挂－300段路面采用28cm钢筋混凝土，内设直径8mm、间隔15cm×25cm的钢筋网格。生产区汽－80，挂－300段路面采用34cm钢筋混凝土，内设直径12mm间隔15×25cm的钢筋网格。结构计算理论为：半无限地基上板的有限元理论为计算模式，利用疲劳断裂力学理论与方法，在交通荷载和温度荷载的循环作用下，材料由于荷载循环作用造成损伤的积累导致的断裂破坏为控制指标。

但在实际道路施工期间，由于蓄能电站坝体需要大量石料，建设工期较短，施工组织设计在对外道路水泥稳定基层施工与养护完成后，重载车辆就在基层上连续行使，表征上基层的密实度得到提高，但实际上由于荷载过大频率过高，对基层以下连续完整的结构体系造成结构内部存在缺陷，并在使用过程中逐渐出现和加剧缺陷，正是由于其内部存在的缺陷引起的应力集中与内部损伤，累积超过材料与结构抵抗破坏的容许值时，内部缺陷的发展导致了结构的破坏。水稳基层顶面的不平整性损坏仅进行了一般的补强调平处理，但以下的内部损伤未得到重视，面板和地基在运营过程中很快就不完全接触，局部脱空的存在导致混凝土板块断裂出现，且多为板角断裂破坏，预计是路肩和路床的变形差异造成的。

路面设计规范的疲劳累积的控制性指标在当今车辆荷载突变的情况下，重载交通的一次塑性破坏问题在日常工作中应予以警示，路床深度80 cm的约定不能真实地反映路基的实际工作性状，动态关注车辆荷载对路基工作区深度的影响变化，原则遵守工作区深度为荷载应力与路基自重应力的比值小于（0.1～0.2）的范围。一般经验值为沥青路面下路基工作区深度：单轴双轮100kN影响深度在0.9～1.9m，三轴双轮130kN影响深度在1.6～3.0m。水泥混凝土路面路基影响深度在1.10～2.10m。

2.2 239省道社诸段400m试验路工程

239省道常州段全长58km，通车11年大修3次，维修费用已经超过4亿元。超限超载的车辆大多为运载石料、建材、钢铁等大宗物资的变型拖拉机、农用改装车。239省道社诸段拥有溧阳的两家水泥厂，一家日消耗矿石5万t，一家日消耗7 000多t。为这两家水泥厂运送原材料的250多辆农用车、变型拖拉机，核载1t的装载35t，核载13t的装载50t，核载15t的装载65t。它们进出必经239省道，都是239省道常州段的“超级杀手”。为彻底解决重载以及超重载交通的道路结构性设计问题，应业主的委托，我院迅速组织人员，在239省道社诸段重载车集中路段选取400 m试验路作为科研试点，并对工程进行跟踪调研。

道路试验段位于社诸段，地势平坦，路床为多年碾压密实结构，试验段采用挖除表面松散的路面和路基，验证下承层的石灰土质量，经充分晾晒后，其上做20cm低剂量水泥稳定碎石垫层和36 cm的水泥稳定碎石基层，路面做30cm厚的地梁，双层配置钢筋网片。

运营过程中，由于道路坡度较缓，周边单侧边沟的水位汛期略高，导致路基处于饱水状，车辆碾压时，从路面和路基夹层间有细小泥浆唧出，车辆驶过，泥浆即被吸回层间空隙。基层整体状况尚好，路面地梁完好。考虑层间吸力回流的水系对基层的淘蚀势必损坏路基的整体性，由于道路已经建成，则采用高压注浆的方式填补层间空隙处理病害。

由于地下水位和土体的基质吸力对路基湿度的影响，以及自然气候因素等等，实际运营期间，路基的含水量要比初期高7%左右。因此，在常州地区年降雨量为600mm以上的地方，路基土的渗透系数小于10～4mm／s的交通干道应设置路面内部排水系统，由透水性填料集水沟形成完整的排水体系，并使其与道路两侧边沟相沟通，同时应注意不同土质的基质吸力影响因素，在路基和路面连接层做沥青封水层，这已经在新的水泥混凝土规范中被明确要求。

2.3 溧阳市金峰水泥厂专用道路新建工程

溧阳市金峰水泥厂专用道路新建工程，吸取上述两工程的经验和教训，采用连盐高速公路的成功经验，应用低剂量水稳和碾压混凝土相结合的复合式地基形式，提高路基的强度和稳定性，确保路基的施工压实度要求，提高地基的承载力，同时满足工程地下水位高的特点。

碾压混凝土（roller compacted concrete，RCC）是采用单位用水量少，坍落度为0的特干硬性水泥混凝土拌和物，使用沥青摊铺机摊铺、压路机碾压密实成型的一种混凝土基层，与一般稳定类的基层、二灰碎石等常用半刚性基层材料相比，具有节约水泥、收缩小、施工速度快、强度高、耐久性强、抗冻性能和抗冲刷能力好、造价低、开放交通早等技术和经济上的优势，这种基层类型非常适合重交通改建工程。

道路碾压混凝土具有在高温下性能稳定的特性，其中的水泥胶结料属于水硬性材料，故其水稳定性极佳，道路碾压混凝土不会发生老化现象，耐磨耗性、耐油性等耐久性均较好，使用寿命长，维修费用少，对于重交通道路的厚面层结构，采用碾压混凝土可节约初期工程投资。

溧阳市金峰水泥厂专用道路新建工程路面结构设计采用30cm钢筋混凝土面层、沥青封水层、20cm的碾压混凝土、20cm的低剂量水泥稳定垫层。对于特重交通量，各层材料性能分别为：面层混凝土设计弯拉强度fcm＝5.5MPa，弯拉弹性模量Ec＝31 000MPa；碾压混凝土抗弯拉强度4.0MPa，7d抗压强度15MPa，28d抗压强度30 MPa，28d抗折强度3.5MPa，压实度100%。弯拉回弹模量27 000MPa；低剂量水泥稳定碎石回弹模量750MPa，弯沉控制80（0.01mm）；土基顶弯沉控制150（0.01mm）。面层混凝土内设直径10mm、间隔20cm×25cm的钢筋网片。

设计计算模式：碾压混凝土做基层时，基层与混凝土面层视作分离式双层板进行应力分析，对上、下层板在临界荷位处的荷载疲劳应力和温度疲劳应力进行计算。

碾压混凝土的材料要求：重交通及以上交通等级道路、城市快速路、主干道采用强度等级42.5级以上的道路硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥。碾压混凝土面层的混凝土的集料公称最大粒径不宜大于19mm，非冰冻地区水泥用量不得少于280 kg／m3。

碾压混凝土作为道路基层主要承担由面层传来的车辆荷载的垂直力，并把它扩散到垫层或土基中。因此，要求基层有足够的强度和刚度，也要有足够的平整度和水稳性。碾压混凝土组合结构的应用初期投资费用较高，但从全寿命周期考虑，还具有很强的经济适用性，安全可靠度也高，在长三角地区地下水位较高重载交通的道路结构设计中会被越来越多地运用。溧阳市金峰水泥厂专用道路新建工程在运营期间，局部出现细小横向裂纹，整体效果显著。

碾压混凝土的拌和机可采用普通混凝土拌和机，由于碾压混凝土的含水量小，属于干硬性混凝土，混合料不易拌和均匀，所以拌和时间要适当加长。在运输混合料时采用汽车运输，运料车必须覆盖篷布，以免遭受日晒或雨淋。摊铺碾压混凝土的施工速度主要受拌和能力和布料速度的影响，所以选择合适的布料方式和机械是非常重要的。碾压混凝土是一种低水泥用量干硬性的混凝土，和易性相对较差，在运输和摊铺过程中易分离，整体抗渗性能较常态混凝土差，如果层问结合面处理不好，极易形成渗漏通道，施工期间应引起高度重视。

3 结语

重载交通道路结构性设计在道路结构中主要包括路用材料分析和路基、路面结构分析两大类，路用材料的分析主要是通过研究路用材料的特性，寻求提高路用材料韧度和阻止病害扩展的途径。系统的开展材料动态性能的研究和动态参数试验的研究，逐步用动态参数取代静态参数。路基、路面的结构性分析的目的则是合理设计道路结构，降低路基路面裂缝应力强度，减缓裂缝的扩展速率，延长道路使用寿命和运营状态。道路结构性设计采用结构动力学原理分析路基路面结构的响应，更加准确地得到道路结构的受力状态，了解相关检测分析的技术理论，为新建重载交通道路结构设计和已有道路运营状态的评估提供分析方法和手段。

随着碾压混凝土施工技术的改进与提高，加之一些专用设备的采用，碾压混凝土路基作为重载交通结构设计已获得具体工程的验证，取得了可贵的经验。目前，施工技术和检测方法也逐渐完善。不论是大型工程，还是局部改扩建工程，施工方便快捷。初期也可作为施工道路的面层承担施工期间的材料驳运，后期路面结构续建也可有机地连接。因此，重载交通道路结构性设计的新型组合道路结构模式，应为水泥混凝土面层与碾压混凝土基层的组合设计。