何偉科 姚愛玲 錢集昌 郝潤姝 張曉晨

(1.內(nèi)蒙古自治區(qū)呼倫貝爾市公路管理局海拉爾公路養(yǎng)護(hù)管理處，內(nèi)蒙古 海拉爾 021008；2.長安大學(xué) 特殊地區(qū)公路工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西 西安 710064； 3.中鐵咨詢太原設(shè)計(jì)院，山西 太原 030000)

1 概述

目前，國內(nèi)高等級公路路面結(jié)構(gòu)普遍采用半剛性基層瀝青路面的形式。這種組合方式的面層和基層混合料在配合比設(shè)計(jì)時(shí)大多遵從密實(shí)級配的原理，意在通過減少路表與內(nèi)部的連通空隙來阻止水的進(jìn)入與滲流，避免路面發(fā)生各種水損害現(xiàn)象。但是，這種路面形式使得已經(jīng)進(jìn)入內(nèi)部的水不能順暢排出，反而造成路面結(jié)構(gòu)的水損害，嚴(yán)重影響路面的強(qiáng)度、耐久性和穩(wěn)定性[1,2]。同時(shí)，半剛性基層材料中的無機(jī)結(jié)合料含量較少，強(qiáng)度和穩(wěn)定性往往較低，使用過程中容易產(chǎn)生基層裂縫或疲勞現(xiàn)象[3]，給路面的使用帶來不利影響。為了解決以上問題，本文可采用多孔混凝土作為路面基層材料。

國內(nèi)外研究人員均對多孔混凝土開展了一系列研究，并取得了相應(yīng)的研究成果。早在20世紀(jì)80年代，Richard C.Meininger[4]對多孔混凝土配合比設(shè)計(jì)中目標(biāo)孔隙率的實(shí)現(xiàn)和水灰比的確定進(jìn)行了探究；長安大學(xué)鄭木蓮教授提出以集料有效粒徑和均勻系數(shù)作為多孔混凝土級配優(yōu)劣的評價(jià)指標(biāo)，以耐凍系數(shù)作為多孔混凝土抗凍性能評價(jià)指標(biāo)[5]。但是，目前尚未提出統(tǒng)一的多孔混凝土的配合比設(shè)計(jì)方法，具體的工程應(yīng)用未見報(bào)道。本文以內(nèi)蒙古呼倫貝爾市省道201線哈達(dá)圖至海拉爾一級公路為依托，初擬路面結(jié)構(gòu)，采用Hpds軟件對瀝青路面結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算和驗(yàn)算，分析多孔混凝土用于瀝青路面基層的可行性，從而得到合理的多孔混凝土基層瀝青路面結(jié)構(gòu)。

2 多孔混凝土配合比設(shè)計(jì)結(jié)果

在進(jìn)行集料的組成設(shè)計(jì)時(shí)，以混合后集料的振實(shí)密度作為評價(jià)指標(biāo)。通過逐級填充試驗(yàn)，測試振實(shí)密度，確定出各檔集料的摻配比例。在此基礎(chǔ)上通過正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，以7 d抗壓強(qiáng)度作為評價(jià)指標(biāo)進(jìn)行極差分析，確定了多孔混凝土試件制備中最佳的水灰比、拌和時(shí)間和振動時(shí)間分別為0.26 s,40 s,30 s。

在綜合考慮內(nèi)蒙古呼倫貝爾市驟雨、高寒以及重載的條件下，通過對滲透系數(shù)、抗凍性能以及7 d抗壓強(qiáng)度和28 d抗彎拉強(qiáng)度[6]的分析，將最終所設(shè)計(jì)的孔隙率為15%的混凝土的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)匯總到表1中。

表1 15%多孔混凝土各項(xiàng)指標(biāo)匯總表

3 交通量與彎沉值

3.1 交通量計(jì)算

1)路面設(shè)計(jì)以BZZ-100為標(biāo)準(zhǔn)軸載，瀝青混凝土路面設(shè)計(jì)使用年限為15年；

2)車道系數(shù)取0.45；

3)當(dāng)?shù)亟煌ńM成及交通增長率見表2和表3。

表2 交通量及交通組成統(tǒng)計(jì)表

表3 設(shè)計(jì)年限內(nèi)預(yù)測交通增長率

4)軸載換算。JTG D50—2006公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范[7]規(guī)定，分別按式(1)～式(3)進(jìn)行以設(shè)計(jì)彎沉值和瀝青層層底拉應(yīng)力、半剛性基層層底拉應(yīng)力以及剛性基層層底拉應(yīng)力為設(shè)計(jì)指標(biāo)時(shí)的軸載換算。

(1)

(2)

(3)

式中：N″——標(biāo)準(zhǔn)軸載當(dāng)量軸次,次/d；

ni——被換算車型的各級軸載作用次數(shù),次/d；

P——標(biāo)準(zhǔn)軸載，為100 kN；

Pi——各級被換算車型的軸載，kN；

C1——軸數(shù)系數(shù)；

C2——輪組系數(shù)，雙輪組為1.0，單輪組為6.4，四輪組為0.38。

換算結(jié)果如表4所示。

表4 不同設(shè)計(jì)指標(biāo)軸載換算結(jié)果

考慮在設(shè)計(jì)年限內(nèi)各分段年限內(nèi)的預(yù)測交通增長率不同，故在計(jì)算累計(jì)當(dāng)量軸次時(shí)需要分段進(jìn)行，計(jì)算結(jié)果見表5。

表5 不同設(shè)計(jì)指標(biāo)在各分段年限內(nèi)累計(jì)當(dāng)量軸次匯總

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，該路段在設(shè)計(jì)年限內(nèi)一個(gè)車道上的累計(jì)當(dāng)量軸次為1.596×107次，屬于重交通路段。

3.2 路面設(shè)計(jì)彎沉值與計(jì)算彎沉值計(jì)算

1)設(shè)計(jì)彎沉值。

根據(jù)規(guī)范路面設(shè)計(jì)彎沉值由式(4)計(jì)算確定。

(4)

式中：ld——設(shè)計(jì)彎沉值，0.01 mm；

Ne——設(shè)計(jì)年限內(nèi)一個(gè)車道累計(jì)當(dāng)量軸次，取以設(shè)計(jì)彎沉值和層底拉應(yīng)力為設(shè)計(jì)指標(biāo)時(shí)的累計(jì)當(dāng)量軸次，即1.596×107次/車道；

Ac——公路等級系數(shù)，一級公路為1.0；

As——面層類型系數(shù)，瀝青混凝土面層為1.0；

Ab——路面結(jié)構(gòu)類型系數(shù)，瀝青路面為1.0。

經(jīng)計(jì)算，路面設(shè)計(jì)彎沉值為21.8(0.01 mm)。

2)計(jì)算彎沉值。

可利用Hpds設(shè)計(jì)軟件計(jì)算，但計(jì)算結(jié)果需要經(jīng)過修正才是計(jì)算彎沉值。修正系數(shù)F可按式(5)計(jì)算。

(5)

式中：F——彎沉綜合修正系數(shù)；

ls——路表計(jì)算彎沉值，可近似取設(shè)計(jì)彎沉值0.01 mm；

p，δ——標(biāo)準(zhǔn)車型的輪胎接地壓強(qiáng)和當(dāng)量圓半徑，p=0.7 MPa，δ=10.65 cm；

E0——土基抗壓回彈模量，E0=50 MPa；經(jīng)過計(jì)算，彎沉綜合修正系數(shù)F=0.55，半剛性基層瀝青路面計(jì)算彎沉值21.1(0.01 mm)。

4 路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與計(jì)算

4.1 半剛性基層瀝青路面設(shè)計(jì)與計(jì)算

設(shè)計(jì)文件中采用的半剛性基層路面結(jié)構(gòu)以及根據(jù)路面設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)確定出的各結(jié)構(gòu)層的設(shè)計(jì)參數(shù)如表6所示。以設(shè)計(jì)彎沉值、層底拉應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算與驗(yàn)算，并需滿足最小防凍層厚度的要求,計(jì)算與驗(yàn)算結(jié)果如表7所示。

表6 路面結(jié)構(gòu)及各結(jié)構(gòu)層設(shè)計(jì)參數(shù)匯總表

表7 水泥穩(wěn)定碎石基層瀝青路面結(jié)構(gòu)計(jì)算、驗(yàn)算結(jié)果匯總表

半剛性基層瀝青路面的計(jì)算彎沉值、層底彎拉應(yīng)力均滿足要求，結(jié)構(gòu)層厚度也滿足最小防凍厚度70 cm的要求。

4.2 多孔混凝土基層瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與計(jì)算

4.2.1路面結(jié)構(gòu)層設(shè)計(jì)

將多孔混凝土作為瀝青路面的基層，既可作為功能層，發(fā)揮排水作用，又可作為結(jié)構(gòu)層，起承重作用。設(shè)計(jì)時(shí)分別以多孔混凝土(結(jié)構(gòu)1)和水泥穩(wěn)定砂礫摻碎石(結(jié)構(gòu)2)作為設(shè)計(jì)層進(jìn)行計(jì)算。同時(shí)所設(shè)計(jì)的路面結(jié)構(gòu)層厚度應(yīng)滿足整體剛度和各結(jié)構(gòu)層抗疲勞開裂的要求。因此，輪隙中心處計(jì)算彎沉值ls應(yīng)不大于設(shè)計(jì)彎沉值ld；輪隙中心處的層底拉應(yīng)力σm應(yīng)不大于容許拉應(yīng)力σR，初擬的路面結(jié)構(gòu)以及各結(jié)構(gòu)層設(shè)計(jì)參數(shù)如表8所示。

表8 初擬多孔混凝土基層瀝青路面結(jié)構(gòu)及材料力學(xué)指標(biāo)

4.2.2路面結(jié)構(gòu)層厚度的計(jì)算

結(jié)構(gòu)1以多孔混凝土基層作為設(shè)計(jì)層，擬定層厚進(jìn)行試算，判斷該厚度下的路面結(jié)構(gòu)能否滿足設(shè)計(jì)彎沉值、容許拉應(yīng)力和最小防凍層厚度的要求,試算結(jié)果如表9所示。

可以看出，當(dāng)多孔混凝土基層的厚度為15 cm和17 cm時(shí)，路面結(jié)果均能滿足設(shè)計(jì)彎沉值和容許拉應(yīng)力的要求。為了充分發(fā)揮材料的力學(xué)性能，將基層厚度確定為15 cm，考慮最小防凍層厚度(70 cm)的要求，可將墊層厚度由20 cm增加到為22 cm。

表9 多孔混凝土基層結(jié)構(gòu)1計(jì)算結(jié)果

結(jié)構(gòu)2以底基層水泥穩(wěn)定砂礫摻碎石為設(shè)計(jì)層，擬定層厚進(jìn)行試算，判斷該厚度下的路面結(jié)構(gòu)能否滿足設(shè)計(jì)彎沉值、容許拉應(yīng)力和最小防凍層厚度的要求。試算結(jié)果如表10所示。

表10 多孔混凝土基層結(jié)構(gòu)2計(jì)算結(jié)果

可見，當(dāng)?shù)谆鶎拥暮穸葹?2 cm和23 cm時(shí)，路面結(jié)果均能滿足設(shè)計(jì)彎沉值和容許拉應(yīng)力的要求。為了充分發(fā)揮材料的力學(xué)性能，將底基層厚度確定為22 cm，滿足最小防凍層厚度(70 cm)的要求。

另外，在排水基層設(shè)計(jì)中，還要驗(yàn)算排水基層的厚度。由于排水基層的厚度與其排水能力正相關(guān)，因此當(dāng)排水基層的設(shè)計(jì)厚度大于考慮驟雨條件孔隙率選取時(shí)的試算厚度(10 cm)就可以滿足要求，故最終的路面結(jié)構(gòu)如表11所示。

比較兩種結(jié)構(gòu)，由于結(jié)構(gòu)1多孔混凝土厚度大于結(jié)構(gòu)2的，因而結(jié)構(gòu)1的計(jì)算彎沉值要小，因此如果交通量大、超載率高，可以采用結(jié)構(gòu)1的設(shè)計(jì)。

表11 路面結(jié)構(gòu)組成表

5 結(jié)語

1)根據(jù)逐級填充理論，以混合后集料的振實(shí)密度作為評價(jià)指標(biāo)，并通過正交設(shè)計(jì)試驗(yàn)確定試驗(yàn)參數(shù)，在此基礎(chǔ)上，通過試驗(yàn)最終所設(shè)計(jì)的孔隙率為15%的多孔混凝土能夠滿足呼倫貝爾高寒、驟雨以及重載交通的需求。

2)采用Hpds軟件對路面結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算和驗(yàn)算，可知多孔混凝土作為瀝青路面基層從結(jié)構(gòu)上能夠滿足重載交通條件下路表彎沉、整體型材料彎拉應(yīng)力以及抗凍性的要求。

3)通過計(jì)算并與半剛性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)對比，按照所設(shè)計(jì)的多孔混凝土基層厚度為15 cm的結(jié)構(gòu)1，有利于減薄半剛性基層的厚度，同時(shí)路表彎沉最小。因此，考慮到排水的功能需求以及承載力，建議在呼倫貝爾地區(qū)高寒、驟雨、重載的氣候和交通條件應(yīng)優(yōu)先考慮擇所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)1(見表11)。

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