徐剛，袁靜波，唐乃膨

（1.中交第四航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，廣東 廣州 510230;

2.同濟(jì)大學(xué)道路與交通工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201804）

港區(qū)重型荷載作用下全厚式瀝青鋪面設(shè)計(jì)

徐剛1，袁靜波1，唐乃膨2

（1.中交第四航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，廣東 廣州 510230;

2.同濟(jì)大學(xué)道路與交通工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201804）

由于國(guó)內(nèi)重型荷載作用下瀝青鋪面的設(shè)計(jì)方法并不完善，通過(guò)對(duì)美國(guó)重型荷載作用下全厚式瀝青混凝土鋪面結(jié)構(gòu)的研究，介紹一種全厚式瀝青混凝土鋪面設(shè)計(jì)方法，為港區(qū)科學(xué)地進(jìn)行全厚式瀝青混凝土鋪面設(shè)計(jì)提供一定的啟發(fā)和指導(dǎo)。

港口；全厚式瀝青鋪面；重型荷載

0 引言

瀝青鋪面在港區(qū)內(nèi)使用相對(duì)較少，從已有使用情況來(lái)看，瀝青鋪面對(duì)地基不均勻沉降適應(yīng)性較好，行駛舒適，開(kāi)放交通快，養(yǎng)護(hù)方便；主要問(wèn)題是車轍嚴(yán)重及承載能力相對(duì)較低。

全厚式瀝青鋪面[1]是一種直接修筑在路基上的厚層瀝青混凝土鋪面結(jié)構(gòu)，非常適用于重載車輛。主要優(yōu)點(diǎn)是總厚度比常規(guī)半剛性基層的瀝青混凝土路面結(jié)構(gòu)更薄，可以減少疲勞裂縫產(chǎn)生的可能性，并使路面可能發(fā)生的破壞限制在路面結(jié)構(gòu)的表面層。當(dāng)路面表面的破壞達(dá)到某一臨界水平時(shí)，只需更換或加鋪一層表面層即可，不需要大的結(jié)構(gòu)性重修或重建。全厚式瀝青混凝土鋪面的后期維護(hù)和使用成本比常規(guī)半剛性基層的瀝青混凝土路面大幅度降低。由于國(guó)內(nèi)港區(qū)重型荷載作用下瀝青鋪面設(shè)計(jì)方法不完善，本文介紹一種美國(guó)港區(qū)全厚式瀝青鋪面設(shè)計(jì)方法[2]。

1 設(shè)計(jì)基礎(chǔ)

本設(shè)計(jì)方法基于彈性層狀體系理論，該理論假定荷載作用下鋪面有2個(gè)關(guān)鍵的設(shè)計(jì)指標(biāo)，分別為瀝青混凝土層底水平拉應(yīng)變 εt和路基頂面豎向壓應(yīng)變 εc，見(jiàn)圖 1。

圖1 全厚式瀝青鋪面拉壓應(yīng)變位置與方向Fig.1 Stretch-pressstrain position and direction of the fu ll-depth asphalt pavement

1.1 設(shè)計(jì)指標(biāo)及方法

路基頂面的豎向壓應(yīng)變是路基永久變形指標(biāo)，當(dāng)瀝青混凝土模量較低時(shí)（對(duì)應(yīng)溫度較高），路基頂面豎向壓應(yīng)變將作為控制指標(biāo)；而當(dāng)瀝青混凝土模量較高時(shí)（對(duì)應(yīng)溫度較低），瀝青層底水平拉應(yīng)變將作為控制指標(biāo)，尤其是在重復(fù)荷載的條件下[3]。

針對(duì)港口的重型荷載情況，荷載重復(fù)作用次數(shù)相對(duì)較少?；谒嚼瓚?yīng)變指標(biāo)設(shè)計(jì)出的鋪面厚度通常小于豎向壓應(yīng)變?cè)O(shè)計(jì)出的鋪面厚度。因此，為了簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)方法，只選取路基頂面豎向壓應(yīng)變作為設(shè)計(jì)指標(biāo)。

設(shè)計(jì)方法基于“多輪組車輛荷載轉(zhuǎn)化為等效單輪荷載”理念。等效單輪荷載用于設(shè)計(jì)鋪面厚度，鋪面厚度設(shè)計(jì)同時(shí)還需要考慮輪胎接地壓力、荷載大小、輪距、土基強(qiáng)度及鋪面材料參數(shù)等。

1.2 荷載類型

本設(shè)計(jì)方法針對(duì)3種類型：?jiǎn)屋喓奢d，雙輪荷載，多輪荷載。設(shè)計(jì)基于圓形荷載作用假設(shè)，設(shè)計(jì)過(guò)程中需要考慮當(dāng)量圓半徑（a），當(dāng)量圓半徑可以通過(guò)以下公式計(jì)算得到。

式中：area 為接地面積；P 為單輪荷載，kN；p 為輪壓，kPa；

單輪荷載設(shè)計(jì)方法相對(duì)簡(jiǎn)單，僅需要考慮輪載大?。≒），輪胎接地壓力（p）以及輪胎接地當(dāng)量圓半徑（a）。輪胎類型是否能當(dāng)作單輪問(wèn)題來(lái)處理，取決于設(shè)計(jì)車輛的輪距，若輪距大于當(dāng)量圓半徑（a）的 8 倍，可按單輪荷載進(jìn)行設(shè)計(jì)；若輪距小于當(dāng)量圓半徑的8倍，應(yīng)按雙輪荷載或多輪荷載進(jìn)行設(shè)計(jì)。雙輪荷載和多輪荷載可換算成等效單輪荷載來(lái)計(jì)算。

1.3 基本設(shè)計(jì)分析過(guò)程

設(shè)計(jì)流程如圖 2 所示，其中，TA為全厚式瀝青鋪面層厚度。

2 單輪荷載設(shè)計(jì)

單輪荷載設(shè)計(jì)主要根據(jù)土基模量 Mr、荷載作用次數(shù)、輪胎接地壓力、氣候條件，直接查表或圖確定設(shè)計(jì)厚度。例如日平均溫度 t≤ 13 ℃，荷載作用次數(shù)為 10 000 次時(shí)，可查閱圖 3。同時(shí)注意這里查圖得到的是 TA/a，鋪面設(shè)計(jì)厚度需要再乘以當(dāng)量圓半徑 a，即 TA=（TA/a）× a。

圖2 設(shè)計(jì)流程圖Fig.2 Design flow chart

圖3 設(shè)計(jì) TA/a值（t≤13 ℃，荷載作用 10 000 次）Fig.3 The designed paving thicknessvalue TA/a(t≤13 ℃, loads10 000 tim es)

3 雙輪荷載設(shè)計(jì)

3.1 設(shè)計(jì)思路

雙輪荷載下的鋪面厚度設(shè)計(jì)的主要思路為：尋找能用于圖3的等效單輪荷載，從而確定鋪面厚度。

3.2 允許單輪荷載設(shè)計(jì)曲線

首先確定土基回彈模量 Mr及輪胎接地壓力p，利用單輪荷載設(shè)計(jì)方法確定 TA/a。選取一組單輪荷載 P，其取值從單輪最大荷載到 0.6 倍的車輛總重。依據(jù)式（1）確定與每個(gè)荷載 P對(duì)應(yīng)的當(dāng)量圓半徑 a，按公式 TA= （TA/a）× a 計(jì)算得到 與每個(gè) 荷載 P對(duì)應(yīng)的鋪面設(shè)計(jì)厚度，繪制 P與 TA的關(guān)系圖，即允許單輪荷載曲線 （如圖 4）。

圖4 允許單輪荷載與等效單輪荷載設(shè)計(jì)曲線Fig.4 Design curvesof the allowed and equivalent single wheel loads

3.3 等效單輪荷載設(shè)計(jì)曲線

等效單輪荷載設(shè)計(jì)曲線通過(guò)如下步驟繪制：

1） 確定雙輪組的輪距 D；

2） 確定雙輪組的輪距系數(shù) （D/a）；

3） 選取一系列 TA/a值，確定荷載系數(shù) L 的范圍 （圖 5）。一般 TA/a值從 1.0 到 4.0，即可滿足設(shè)計(jì)要求；

圖5 雙輪荷載系數(shù)LFig.5 Doub lewheel load coefficient L

4） 計(jì)算所選 TA/a值 下的等效單輪荷載 Pe，Pe=2P/L；

5） 計(jì)算所選 TA/a值下的 TA=（TA/a）× a；

6） 繪制步驟 4）、5）中的 Pe和 TA曲線圖（圖 4）。

3.4 鋪面厚度

鋪面設(shè)計(jì)厚度通過(guò)允許單輪荷載設(shè)計(jì)曲線與等效單輪荷載設(shè)計(jì)曲線的交點(diǎn)即可求得。

4 多輪荷載設(shè)計(jì)

多輪荷載下的鋪面厚度設(shè)計(jì)與雙輪荷載類似，不同之處在于確定多輪組問(wèn)題的相互影響。為獲取 Pe與 TA的關(guān)系曲線，需要應(yīng)用雙層彈性系統(tǒng)的路基頂面撓度因子。距荷載中心距離為 r的任意一點(diǎn)的撓度Δ可由下式算得：

式中：p 為輪胎接地壓力， kPa；a 為輪胎接地當(dāng)量圓半徑，mm；Mr為土基回彈模量，kPa；F 為路基頂面撓度因子，該因子表征 TA/a與徑向偏移比（r/a）之間的函數(shù)關(guān)系，可直接查表獲得。

根據(jù)疊加理論，任一多輪荷載在任意一點(diǎn)的總撓度變形等于所有單輪荷載在該點(diǎn)產(chǎn)生的撓度變形的總和。

利用路基頂面撓度因子來(lái)計(jì)算多輪荷載的等效單輪荷載是基于如下假設(shè)：等效單輪荷載產(chǎn)生的最大撓度變形與多輪荷載產(chǎn)生的最大撓度變形相等。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)美國(guó)重型荷載作用下全厚式瀝青混凝土鋪面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法的研究，介紹一種全厚式瀝青混凝土鋪面設(shè)計(jì)方法，為港區(qū)科學(xué)地進(jìn)行全厚式瀝青混凝土鋪面設(shè)計(jì)提供一定的啟發(fā)和指導(dǎo)作用。

[1]MS-11,Full-depth asphaltpavements for air carrierairports[S].

[2]MS-23,Thickness design-asphaltpavements for heavy wheel loads [S].

[3] MS-1,Thickness design-asphalt pavements for highways and streets[S].

Design of full-depth asphalt pavement for heavy wheel loads in port area

XUGang1,YUAN Jing-bo1,TANGNai-peng2
（1.CCCC-FHDIEngineering Co.,Ltd.,Guangzhou,Guangdong 510230,China;2.Key Laboratory of Road&Traffic EngineeringofMinistry of Education,TongjiUniversity,Shanghai201804,China）

As asphalt pavement designmethod for heavy wheel loads is not yet perfect in China,this paper introduces a fulldepth asphaltpavementdesignmethod for heavywheel loadsbased on analysisof the pavement structure developed by America. Thismethod can provide inspiration and guidance for the pavementdesign in portarea.

port;full-depth asphalt pavement;heavy wheel loads

U655.5

A

2095-7874（2014）10-0047-03

10.7640/zggw js201410013

2014-04-08

徐剛 （1983 — ），男，廣東廣州市人，碩士，高級(jí)工程師，土木工程專業(yè)。E-mail:461068444@qq.com