城市快速路沥青路面结构优化设计

吴晓雯

(深圳市市政工程咨询中心有限公司，广东 深圳 518000)

1 城市快速路路面应用现状调查研究

对于城市快速路面而言，应具备较好的路面平整度以及使用性能等，各项指标均应该符合安全使用标准，本文以某地区的城市快速路为例，详细分析其沥青路面的使用现状。得出原路面平整度指数对比差异明显，因此，为保证车辆行驶的安全性，应采取有效措施进行路面结构的优化设计(见表1)。

表1 不同路面原有结构形式应用现状

2 城市快速路路面结构性能预估

对于一般面路而言，大型货车、集装箱货车、特大型货车流动量大都会造成路面出现裂缝的情况，同时路面也会因货车长时间出行而导致路面的韧性在不断下降。在实际针对城市快速路路面结构性能展开预估的过程中，需要充分带入计算方式，具体计算方式如下

(1)

在(公式)中，Nf1代表的是Nf1为沥青混合料层疲劳寿命，单位为轴次；εα代表的是沥青混合料层层底拉应变(10-6)；kT1代表是的温度调整系数。当该地区城市快速路面层厚度为10 cm时，沥青面层层底拉应变为1.1×10-4；Ea为沥青混合料20 ℃时的动态模量，MPa；VFA为沥青混合料的饱和度(%)；ha为沥青混合料层厚度单位为mm。

2.1 路面结构车辙深度预估

①车辙深度预估模型。通过对沥青层永久变形预估模型的实际构建进行分析，总结并创建出车辙深度预估模型，用于开展实际的试验评估。

通过开展车辙试验，从而得出不同沥青混合料下，路面的永久变形量，根据公式(2)以及公式(3)，进行分层永久变形量以及总变形量的计算。为保证实际的试验结果，对车辙隆起以及变形偏差等情况进行考虑，引入综合修正系数K。

(2)

(3)

如公式(2)、(3)所示：Rα表示永久变形量，单位为mm；Rαi表示分层i的永久变形量；单位为mm;K表示的是综合修正系数；μ表示的是轮迹横向分布系数，对于城市快速路而言，取0.45即可；T表示的是沥青层永久变形等效温度，通过试验地区的气温状况与地理位置等，T值取26.3 ℃；h0表示沥青混合料层厚度，单位是mm，随后通过公式(4)至公式(6)开展实际计算。

Ki=(C1+C2·Zi)·0.9731Zi

(4)

C1=-1.01×10-4ha2+9.79×10-2ha-17.342

(5)

C2=1.05×10-6ha2-2.686×10-3ha+1.079 8

(6)

如公式(4)、(5)、(6)所示：C1与C2表示常数，Zi表示参数。

②路面结构车辙预估。

通过实际的计算，最终计算出道路沥青层的各分层压应力，分别应用P1、P2、P3、P4、P5进行表示，见表2。

表2 得出的P1、P2、P3、P4、P5值(MPa)

在表2中可见P1、P2、P3、P4、P5的实际值，随后根据计算结果来选择相应的取值规则，由上至下的各类分层内的深度取值主要分为：15 mm、30 mm、50 mm、70 mm、90 mm，同时可以将C1与C2的实际计算结果(C1=-7.912 4，C2=0.772 6)带入至公式(3)中，这样就可以得到5个分层永久变形修正系数值，见表3。

表3 Ki计算结果

③具体评价的标准研究。在实际针对永久变形的车辙深度，就需要根据路面车辙养护的实际标准来展开分析与研究，同时还需要根据规定的标准来实现且完善实际养护计划。

3 基于有限元计算的路面结构优化设计

3.1 计算方案

根据实际调查结果显示，城市快速路所采用的施工结构属于双层面层结构，其实际厚度为9～15 cm，这其中上面层的厚度约4 cm，下面层的厚度约5～11 cm。在实际针对城市快速路结构方案展开研究的过程中，基于双层面层结构，可以通过采用多种路面层组合的方式来展开结构设计，同时在实际设计的过程中可以充分运用Abaqus有限元来展开建模设计与计算。在本次计算的过程中，主要选取3种具有较高代表性的下面层厚度与对应的下面层模量来展开建模。具体建模结构层材料参数情况如表5所示。

表5 路面结构层厚度及材料参数

根据载荷应力等效原则，得出矩形均布荷载，矩形内侧边缘的间距为12.8 cm，模型尺寸及网格划分见图1。

图1 方案一最大水平拉应力

水平力按竖向力乘0.7的系数计算，考虑最不利计算工况，将表1中沥青路面层厚度、车辆荷载、混合料模量正交组合，得出子方案，方案一、二、三分别对应下面层厚度为5 cm、6 cm、7 cm。

3.2 路面结构力学响应分析

经调研发现，该地区干线路面主要病害为车辙，而剪应力是导致车辙病害严重的主要因素。以图1～图3的最大剪切应力随下面层模量变化进行分析。

图2 方案二最大水平拉应力

图3 方案三最大水平拉应力

在垂直荷载与水平荷载的综合作用下，会使路面结构层承受较大的层间剪应力，若在混合料抗剪强度之上，会出现车辙、拥包等不良问题。从3个方案可以看出，无论何种路面结构组合形式，沥青面层中最大剪应力均随下面层模量的增大持续增大；最大剪应变均随下面层模量的增加而降低，表明下面层模量的提高有利于改善城市快速路路面结构抗变形能力，提升使用性能。

3.3 结构层组合设计措施

道路结构层组合存在较多的类型，现阶段应用较为广泛的有以下几种：第一种为混合式沥青路面；第二种为全厚式沥青路面；第三种为半刚性基层加沥青路面；第四种为刚性基层+沥青路面，实际选择中，应按照建设位置的地质情况进行选择，以上几种路面结构中半刚性基层加沥青路面结构是应用最为广泛的，其造价较为低廉，因为，半刚性基层几乎承担了路面的全部荷载，所以，路面的使用寿命与半刚层基层有着直接的关系。四种结构层组合自身存在不同的优势与不足，如，对于全厚式沥青路面而言，其选择的沥青稳定材料具备较好的粘合性及弹性，这种材料形成的沥青层，可对半刚性基层起到有效的保护作用，降低损伤情况的发生，提升了实际的使用寿命，同时，维修较为简单、便捷，不过会有较高的造价成本。而对于第四种路面结构形式，应用到的是素混凝土或者钢筋混凝土，与半刚性基层存在明显的差异，其具备较好的道路承重性，不过因为混凝土的刚性大，往往会出现道路断层开裂问题，在道路维护及人力投入上存在较高的成本。所以，要从建设位置的实际情况出发，进行结构层组合的选择，要同时考虑道路的稳定性，还应考虑成本支出问题。

3.4 结构层厚度设计方案

根据基层材料性质的不同，可划分出不同的路面结构类型，通常可分为以下几种：第一种路面结构类型为水泥混凝土基层沥青路面；第二种路面结构类型为粒料类基层沥青路面；第三种路面结构类型为无机结合料稳定类基层沥青路面；第四种路面结构类型为沥青混合料基层沥青路面， 可依据交通荷载等级做出实际的选择。现阶段，在我国城市快速路建设中，通常选择较多的是沥青混合材料的路面，对于路面承重能力的提高，往往通过提升路面回弹弯沉治及路面与土层拉力的方式实现，通过这种方式进行路面结构的设计，会保证道路的稳固性。需要以当地的实际情况选择路面设计用到的材料，由于进行城市快速路修建的区域多雨潮湿，因此，通常会选择新型组合式沥青混凝土路面结构。对于新型路面结构而言，其组成部分包括：抗滑层、中面层、粘层、沥青稳定碎石层、级配碎石基层、水泥稳定碎石底基层、下封层等，实际设计过程中，需要从实际情况出发，确定出最佳的设计方案。

3.5 沥青路面防水设计措施

对于道路结构排水而言，需要将重点放在以下内容上：首先，路面渗水率的降低；其次，若路面结构中有水渗入，应及时的将其排出，以防止不良情况的出现。设计路面排水时，应保持第一层具备良好的防水性，从而保证雨水不会渗透到道路下部结构中，便于雨水的排出，此外，也可以选择空隙大的沥青碎石作为道路的基层材料，这一方式也会利于雨水的排出，不过长时间的渗入排水，不利于路基的使用寿命，为解决这一问题，需要将道路基层封闭，将沥青薄膜铺设于路面表层，并在；路段中间位置处进行排水沟的设计，可有效较少路面雨水，同时，也会保证下渗水的及时排出。若城市快速路处于软土地基上，随着使用时间的增加，会产生一定的沉降，所以，为使水顺利排出，满足设计规范的情况下应设置较大的横坡值。

4 总 结

综上所述，在我国自身实力不断增强的今天，道路建设行业得以突飞猛进的发展，这一环境下，如何提升市政道路施工质量已经成为各界关注的关键问题。沥青混凝土技术应用于市政道路中，一方面有效提升了道路的应用性能，另一方面也在一定晨读上提升了道路的整体强度，有效保证市政道路质量的同时，还使车辆行驶更具安全性，所以，道路建设单位应不断强化沥青路面的结构设计，进而有效促进我国道路建设的可持续性发展。