沥青路面装配式基层结构计算分析

刘 伟，高 爽，张再晴，郭 高

（长春市市政工程设计研究院有限责任公司，吉林 长春 130033）

0 引言

沥青路面装配式基层是基块间装配组合，通过其三维嵌挤作用形成板体的结构层。沥青路面装配式基层结构通过有限元计算可知，除该层外采用装配式基层的沥青路面结构的力学响应分布规律与传统的半刚性基层沥青路面结构相似，所以可将装配式基层与半刚性基层进行等效替代后，选用沥青路面结构计算软件进行设计及验算。因此，本文通过工程案例对沥青路面装配式基层结构进行计算，明确符合技术要求且经济合理的路用材料、适合的结构组合厚度，并分析设计参数选取对其结构计算的影响情况。

1 工程概况

长春市育民路道路工程采用的装配式基层的预制块是一种上下面平行、四个侧面都是斜面的混凝土块体[1]，其装配式基层结构及铺设情况见图1~图2。目前它已经作为路面基层在长春、哈尔滨、沈阳等多个城市道路工程中得到大面积推广应用，并具有道路工程寿命长、施工工期短、可减少温缩裂缝等优点。

图1 装配式基层铺设现场

图2 装配式基层铺设完毕

2 计算过程

首先确定路面等级、面层类型、计算设计年限内1条车道的累计当量轴次和设计弯沉值，进行路面结构组合设计，其应满足各设计指标要求，对于季节性冰冻道路应验算防冻厚度，最终通过工程造价、技术指标、产生的社会效益对比确定路面结构方案[2]。

2.1 标准荷载

路面设计采用双轮组单轴载100 kN作为标准轴载。采用双圆垂直均布荷载作用下的弹性层状连续理论进行计算[2]。标准轴载的计算参数见表1。

表1 标准轴载的计算参数

2.2 设计交通量计算

路面结构设计采用的交通量是按设计年限内的交通量进行计算，计算时需把各种车型的不同轴载换算成BZZ-100标准轴载的当量轴次，再进行交通等级划分[2]。重交通及以下交通等级沥青路面按《城镇道路路面设计规范》CJJ 169—2012中的要求进行半刚性基层结构设计及验算；特重交通沥青路面应采用商业有限元软件进行装配式基层结构受力验算，且需技术论证后再采用此结构[3]。

2.3 修建类型与设计指标

育民路因道路已经达到设计使用年限，且道路横断面形式由单幅路调整为双幅路，道路需要全部翻建，故道路结构修建类型按新建考虑。设计路段道路等级为城市次干路，沥青路面设计基准期15年，交通等级因重载车多取为重交通，基层类型为半刚性基层，以路表回弹弯沉值及沥青层层底拉应力为设计指标，同时满足抗冻设计[2]。

2.4 拟定设计结构参数

根据长春市常用路用材料，结合已有的工程经验与典型结构，初拟结构组合设计方案，面层分为上面层和下面层，基层均为标准型基块[4]，底基层材料选为水稳碎石、级配碎石和石灰土三种材料。装配式基层道路组合设计方案见表2。

表2 装配式基层道路组合设计

各种材料的结构计算参数取值范围见表3。

表3 装配式基层道路结构计算设计参数

2.5 路面结构厚度计算

采用《路面分析与设计系统PADS1.0》计算软件计算，并结合当地实际经验确定，基块下底基层材料选取水稳碎石最为适合，设计合理取值厚度为30 cm。设计弯沉值23.0（0.01 mm），路表实际设计弯沉值为12.8（0.01 mm）。

3 设计结构计算影响分析

通过计算可知，设计弯沉值与材料、路面结构组合形式及厚度有直接关系，而交通量和材料设计参数是结构厚度计算的依据。选取轻、中、重、特重交通等级对应的道路，分析不同材料模量在范围值内对结构计算的影响。

1）交通量对结构层影响分析

交通量根据规定划分4个等级。沥青路面设计取值：轻交通400万次/车道；中等交通400万次/车道~1 200万次/车道；重等交通1 200万次/车道~2 500万次/车道；特重等交通>2 500万次/车道。结构计算取各交通等级的上限值，面层层数计算结果为单层或双层，随交通量增大，面层厚度增大；底基层材料不同，随着模量值减小面层厚度也增大。数值关系见交通量与结构厚度关系见表4。

表4 装配式基层道路结构面层数据 cm

根据计算结果，采用装配式基层结构，选用水稳碎石底基层结构可不设面层即可能满足各项设计指标要求，为满足功能要求设置单层面层；选用级配碎石除重交通外均可设单层面层就满足各项设计指标要求；选用石灰土底基层除轻交通外均应设两层面层才能满足各项设计指标要求；与常规结构对比选用装配式基层结构除底基层材料选为石灰土外其他均可减薄至单层面层，即使是重交通采用单层面层也能满足要求。为了充分发挥装配式基块结构的优势，同等结构厚度情况下，且交通量等级要求高的路面，石灰土材料不适宜做其底基层材料。

2）交通量对弯沉影响分析

结构计算取各交通等级的上限值，可知路表弯沉大小同轴载累计重复作用次数成反比关系。交通等级高，交通量大，道路结构设计弯沉值小。同一等级道路，交通量不变情况下，弯沉值随结构材料的抗压模量值变大而减小。取表4道路结构层进行计算，按轻、中、重交通等级选取数值对结构设计路表弯沉值进行影响分析，石灰土的弯沉值变化范围分别为±6.2%，±8.1%，±9.9%；级配碎石的弯沉值变化范围为±6.4%，±8.3%，±11.6%；水稳碎石的弯沉值变化范围为±3.8%，±5.2%，±9.8%。交通量及弯沉值对应关系见图3。

图3 交通量对路表弯沉值影响

3）底基层材料对路表弯沉计算影响分析

选取固定结构厚度30 cm的次干路结构（见表3），采用单一变量计算各种结构组合的路表弯沉，在其他结构层条件不变的情况下，底基层材料模量取值大弯沉值变小，反之则大，弯沉曲线呈非线性变化，不同材料底基层模量与弯沉关系如图4所示。

图4 底基层模量与弯沉关系

4）土基模量对路表弯沉影响

回弹模量是反映土基强度的设计控制指标，弯沉值是反映道路整体结构强度的指标。在外界荷载作用下，土基回弹模量越大，土基变形越小，路表所产生的弯沉值也越小，标志着路面抵抗变形能力越强。通过道路结构计算，选用级配碎石基层土基回弹模量在30 MPa~40 MPa即满足路面强度要求。采用级配碎石基层土基模量增大至45 MPa后显示结构层厚度取值不合理；采用石灰土和水稳碎石基层土基回弹模量在30 MPa~40 MPa路表弯沉值没有变化，之后随着土基模量的增加在逐渐变小，达到80 MPa后变化逐渐变缓。不同材料的土基回弹模量和弯沉值关系见图5。

图5 土基对路表弯沉影响

5）既有结构弯沉检检测数据对比分析

通过对竣工的大连路（次干路）、育民路（次干路）、文化街（支路）路面的弯沉检测，根据图6数据同样可以看出底基层材料分别为水稳碎石、级配碎石、石灰土实测弯沉值与计算值的关系，道路实测弯沉值均在计算值范围以内（不含突变点）。水泥稳定碎石、级配碎石、石灰土三种底基层的计算弯沉结果分别乘以系数K水=0.408，K级=0.426，K土=0.614，即与实测弯沉值相符。由于受道路交通量、材料模量等参数影响，以水泥稳定碎石为例，计算弯沉值浮动最大值为15.6（0.01 mm），最小值为12.8（0.01 mm），平均值为14.2（0.01 mm），其变化率为±9.8%；而实测平均弯沉值5.8（0.01mm），其对应变化值为5.8（0.01 mm）±0.6%，其他同理。分析可知，水泥稳定碎石弯沉标准差最小，结构稳定；采用石灰土结构，其在使用过程中模量受含水量影响，弯沉值变化最大；采用级配碎石结构易松散，受装配式基层板角应力影响，容易形成路面反射裂缝，对路面弯沉值影响也大。

图6 基层实测弯沉值与计算值的关系

4 结语

1）沥青路面装配式基层结构计算设计指标为设计弯沉值和允许抗压应力。对于装配式基层结构，重交通路面即便是采用单沥青面层仍能满足结构要求。综合考虑路面耐久性及使用寿命，对于轻交通可以选用单面层，中等交通及以上路面可以采用双面层。

2）底基层结构材料的设计模量参数值为区间值，模量与弯沉值为负相关，其对设计路表弯沉值的影响范围在±3.8%~±11.6%。

3）底基层结构材料模量选取和施工土基压实控制有关，施工过程造成的变异性是导致道路实测弯沉值和计算值出现偏差的主要因素。

4）为了提高路面结构的可靠性，对于中等及以上路面，装配式基层的底基层材料推荐使用水稳碎石。

5）装配式路面基层可以采用《路面分析与设计系统PADS1.0》软件计算，计算弯沉对模量变化取平均值分别乘以水稳碎石换算系数0.408，级配碎石换算系数0.426，石灰土换算系数0.614，可得到实测弯沉值，模量区间范围对实际弯沉值影响范围分别±11.6%，±9.8%，±6.2%。