張 明

(吉林建筑大學(xué)城建學(xué)院，長春 130111)

國省干線公路在地區(qū)經(jīng)濟(jì)建設(shè)中發(fā)揮著舉足輕重的作用.但干線公路修筑時(shí)間較早，其設(shè)計(jì)和施工技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)相對(duì)較低，干線公路破壞嚴(yán)重,這對(duì)于地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展十分不利，所以對(duì)于現(xiàn)有舊路進(jìn)行改建的研究顯得尤為必要.本文通過中南地區(qū)實(shí)地調(diào)查檢測，收集大量資料.對(duì)湖區(qū)瀝青路面在特殊的地形地貌、水文氣象、地質(zhì)條件下各種病害及產(chǎn)生的原因進(jìn)行分析，提出了柔性和半剛性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)方案，并采用我國設(shè)計(jì)方法和AASHTO方法對(duì)改建結(jié)構(gòu)進(jìn)行了驗(yàn)證.

1 改造工程結(jié)構(gòu)方案結(jié)構(gòu)力學(xué)驗(yàn)算

1.1 路面結(jié)構(gòu)形式

目前，該路段瀝青路面存在的主要問題是半剛性基層路面結(jié)構(gòu)承載能力不足，路表面縱橫向裂縫多和路面水損壞嚴(yán)重，若不及時(shí)采取措施，將出現(xiàn)大面積嚴(yán)重破壞現(xiàn)象.針對(duì)以上的路面破壞的特點(diǎn)，本文提出兩種路面改建結(jié)構(gòu)[1-2]形式(見表1).

1.2 按照我國彎沉指標(biāo)和層底彎拉應(yīng)力[3]進(jìn)行驗(yàn)算分析

(1) 計(jì)算累計(jì)當(dāng)量標(biāo)準(zhǔn)軸次. 對(duì)于彎沉和瀝青層底彎拉應(yīng)力驗(yàn)算，由交通量調(diào)查求得路面竣工第一年的單向標(biāo)準(zhǔn)軸次N1為2 477次/日,取車道系數(shù)為1，一個(gè)設(shè)計(jì)車道設(shè)計(jì)年限內(nèi)累計(jì)當(dāng)量軸次為1.36×107(BZZ-100).而對(duì)于半剛性底基層層底彎拉應(yīng)力驗(yàn)算，BZZ-100荷載下的設(shè)計(jì)年限12年的累計(jì)當(dāng)量標(biāo)準(zhǔn)軸次為1.20×107.

(2) 計(jì)算結(jié)構(gòu)(見表2). 由于舊路模量不均勻，根據(jù)現(xiàn)場實(shí)測值，本文將舊路模量分為具有代表性的300MPa和500MPa.

表1 路面改建結(jié)構(gòu)形式匯總

表2 計(jì)算結(jié)構(gòu)

(3) 計(jì)算結(jié)構(gòu)參數(shù)(見表3).

表3 按照我國設(shè)計(jì)方法的結(jié)構(gòu)參數(shù)[3]

注：“*”表示的抗壓模量，僅在計(jì)算拉應(yīng)力時(shí)使用.

(4) 結(jié)構(gòu)彎沉和層底拉應(yīng)力計(jì)算結(jié)果. 采用東南大學(xué)的HPDS2006路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件計(jì)算，得到的結(jié)構(gòu)彎沉和層底拉應(yīng)力結(jié)果見表4.

表4 HPDS2006程序計(jì)算結(jié)果

從表4計(jì)算結(jié)果可以看出，半剛性基層和柔性基層路面結(jié)構(gòu)的彎沉指標(biāo)和層底彎拉應(yīng)力驗(yàn)算都能夠滿足要求，且大厚度半剛性路面結(jié)構(gòu)的計(jì)算結(jié)果更加安全.

1.3 按照AASHTO設(shè)計(jì)方法[4]進(jìn)行驗(yàn)算分析

(1) 累計(jì)標(biāo)準(zhǔn)軸次. 根據(jù)實(shí)測代表車型的交通數(shù)據(jù)，根據(jù)AASHTO的計(jì)算公式，換算成標(biāo)準(zhǔn)荷載80kN下的累計(jì)標(biāo)準(zhǔn)軸次，雙向累計(jì)標(biāo)準(zhǔn)軸次2.83E+07，車道系數(shù)取1，方向分布系數(shù)取0.5，設(shè)計(jì)累計(jì)標(biāo)準(zhǔn)軸次4.24E+07.交通量車型比例匯總見表5.

表5 交通量車型比例匯總

根據(jù)設(shè)計(jì)文件，交通量增長率為4%，設(shè)計(jì)使用年限為12年.

(2) 計(jì)算結(jié)構(gòu)和基本結(jié)構(gòu)參數(shù)(見表2和表3).

(3) AASHTO計(jì)算基本參數(shù)(見表6).

(4) 計(jì)算結(jié)果(見表7，表8).

表6 AASHTO計(jì)算基本參數(shù)

表7 半剛性路面結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果

表8 柔性路面結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果

注：2%水泥級(jí)配碎石是鑒于級(jí)配碎石和水泥穩(wěn)定碎石之間的一種材料，所以結(jié)構(gòu)系數(shù)取值時(shí)，需要對(duì)水泥穩(wěn)定材料進(jìn)行折減.

AASHTO疲勞方程：

式中，Mr為路基土有效回彈模量；D1，D2…Dn為各結(jié)構(gòu)層的厚度；a1，a2…an為各結(jié)構(gòu)層的結(jié)構(gòu)系數(shù)；m1，m2…mn為各結(jié)構(gòu)層的排水系數(shù)；Wt18為80kN單軸荷載的容許作用次數(shù)；Pt為在服務(wù)期末的服務(wù)能力指數(shù)；Za，S0分別是正態(tài)偏差、標(biāo)準(zhǔn)差；SN為考慮當(dāng)?shù)氐慕邓团潘畻l件的路面結(jié)構(gòu)數(shù)，SN=D1×a1+D2×a2×m2…Dn×an×mn.

圖1 荷載圓圖示及計(jì)算點(diǎn)位

根據(jù)上述AASHTO公式計(jì)算的疲勞壽命如表9.

表9 AASHTO計(jì)算結(jié)果(標(biāo)準(zhǔn)荷載80kN)

從以標(biāo)準(zhǔn)荷載80kN的AASHTO計(jì)算結(jié)果可以看出，半剛性的路面結(jié)構(gòu)類型要明顯優(yōu)于柔性路面結(jié)構(gòu)類型，但是在路面反射裂縫的防治反面，級(jí)配碎石有自己明顯的優(yōu)勢，尤其在一些路基不均勻的湖區(qū)地區(qū).AASHTO方法計(jì)算結(jié)果要比我國設(shè)計(jì)方法計(jì)算結(jié)果要大，分析其原因，主要有兩點(diǎn)：

(1) AASHTO設(shè)計(jì)方法在參數(shù)取值上與我國設(shè)計(jì)方法有所不同，我國設(shè)計(jì)方法都是以代表值為標(biāo)準(zhǔn)，而代表值會(huì)導(dǎo)致參數(shù)取值的降低；

(2) 我國的標(biāo)準(zhǔn)軸載為100kN，而AASHTO方法的標(biāo)準(zhǔn)軸載為80kN,這也是也是國外計(jì)算軸次和設(shè)計(jì)累計(jì)標(biāo)準(zhǔn)軸次高的一個(gè)原因.

1.4 BISAR3.0路面分析軟件結(jié)構(gòu)驗(yàn)證

運(yùn)用BISAR程序計(jì)算，所采用計(jì)算參數(shù)如表10所示.

表10 標(biāo)準(zhǔn)軸載計(jì)算參數(shù)

本文在計(jì)算瀝青路面結(jié)構(gòu)內(nèi)的應(yīng)力情況時(shí)，考慮到荷載具有對(duì)稱性，所以在兩輪荷載的中心、單輪輪心和荷載圓的內(nèi)側(cè)邊緣處等位置進(jìn)行計(jì)算，如圖1所示.

對(duì)結(jié)構(gòu)組合進(jìn)行驗(yàn)算時(shí)，采用BISAR程序計(jì)算結(jié)果如表11所示.

表11 BISAR程序計(jì)算結(jié)果

注：半剛性基層路面修正后計(jì)算彎沉為21.39，柔性基層路面修正后的計(jì)算彎沉為33.97.

2 結(jié)語

(1) 根據(jù)當(dāng)?shù)亟煌顩r和氣候條件等因素，針對(duì)該路段路面破壞的現(xiàn)狀，提出適宜在湖區(qū)地區(qū)使用兩種改建結(jié)構(gòu)方案，分別為半剛性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)方案、柔性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)方案；

(2) 分別運(yùn)用我國的設(shè)計(jì)方法、AASHTO設(shè)計(jì)方法、對(duì)半剛性基層和柔性基層瀝青路面設(shè)計(jì)方案進(jìn)行計(jì)算，兩種設(shè)計(jì)方法計(jì)算的結(jié)果均滿足設(shè)計(jì)要求.最后筆者SHELL公司的BISAR3.0軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)驗(yàn)算，其結(jié)果均能滿足要求；

(3) 根據(jù)計(jì)算結(jié)果和兩種路面結(jié)構(gòu)的實(shí)際使用情況分析，大厚度的半剛性基層路面承載力提高明顯，而級(jí)配碎石基層路面防治反射裂縫的性能比較優(yōu)越.建議根據(jù)當(dāng)?shù)亟煌壳闆r和氣候情況，選擇適合中南地區(qū)路面結(jié)構(gòu)，這對(duì)于提高當(dāng)?shù)毓贩?wù)水平和增加道路的使用壽命尤為重要.

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 公路瀝青設(shè)計(jì)規(guī)范(JTG D50-2006)[S].北京：人民交通出版社，2006.

[2] 陳忠達(dá),武建民,張小榮,徐 強(qiáng).干線公路瀝青路面典型結(jié)構(gòu)的研究[J].公路交通科技,2001,18(2):9-12.

[3] 邵顯智,邵敏華,畢玉峰,孫立軍.瀝青混合料泊松比的測試方法[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào),2006,34(11):1470-1474.

[4] (美)黃仰賢.路面分析與設(shè)計(jì)[M].北京：人民交通出版社，1994:387-396.