陳新富

(廣東省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院股份有限公司，廣州 510507)

0 概述

車轍是指行車道上出現(xiàn)的轍槽，車轍變形的內(nèi)因是瀝青砼的高溫穩(wěn)定性和抗變形能力差，在車輛荷載的重復(fù)作用下，產(chǎn)生橫向剪切變形。廣東省內(nèi)高速公路由于氣溫較高，高溫天氣時間持續(xù)較長，而且交通量較大，重載車比例高，瀝青路面較易出現(xiàn)車轍病害，嚴(yán)重影響行車質(zhì)量及安全。

《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D50-2017)(以下簡稱“新規(guī)范”)于2017年9月1日開始實(shí)施，新規(guī)范在驗(yàn)算路面設(shè)計(jì)指標(biāo)的選擇上較原規(guī)范有較大調(diào)整[1]，其中增加了瀝青混合料層永久變形量設(shè)計(jì)指標(biāo)?？刂茷r青層的永久變形是控制瀝青路面車轍量的關(guān)鍵，特別是對于無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定類基層、底基層的瀝青路面，無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定層和路基由于荷載重復(fù)作用而產(chǎn)生的永久變形累積量不大，在路表的車轍總量中僅占很小的比重，可認(rèn)為不產(chǎn)生永久變形，這類路面車轍主要由瀝青混合料層永久變形產(chǎn)生，因此新規(guī)范3.0.6條[1]無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定類基層、底基層的瀝青路面瀝青混合料層的容許永久變形量與路面容許車轍相同，為15mm。

近期筆者在廣東省幾條采用水泥穩(wěn)定碎石基層、底基層的半剛性高速公路瀝青路面設(shè)計(jì)計(jì)算過程中發(fā)現(xiàn)，設(shè)計(jì)使用年限為15年時，采用通常的材料設(shè)計(jì)參數(shù)驗(yàn)算得出的瀝青混合料層永久變形量指標(biāo)難以滿足新規(guī)范要求，或者計(jì)算得出的瀝青混合料動穩(wěn)定度值特別大，而在工程實(shí)際應(yīng)用中瀝青混合料的質(zhì)量要求和施工控制均較難實(shí)現(xiàn)。

但新規(guī)范附錄B.3.2計(jì)算瀝青混合料層永久變形量公式中[1]：設(shè)計(jì)車道上當(dāng)量設(shè)計(jì)軸載累計(jì)作用次數(shù)是指設(shè)計(jì)使用年限內(nèi)或通車至首次針對車轍維修的期限內(nèi)，條文說明中指出[1]“結(jié)構(gòu)分析需綜合考慮路面的養(yǎng)護(hù)、維修工作。對交通量大、重載比例高的項(xiàng)目，路面設(shè)計(jì)使用年限內(nèi)有時需要針對車轍進(jìn)行一次或一次以上的維修，此時Ne3采用通車至首次維修的期限內(nèi)當(dāng)量設(shè)計(jì)軸載累計(jì)作用次數(shù)”。結(jié)合廣東省內(nèi)高速公路營運(yùn)期路面實(shí)際養(yǎng)護(hù)維修情況，一般針對路面車轍等病害在通車后8～10年進(jìn)行一次大修，因此筆者通過調(diào)整設(shè)計(jì)期取通車至針對路面車轍維修所對應(yīng)的時長進(jìn)行計(jì)算，得到合理的瀝青混合料動穩(wěn)定度要求，以用作瀝青混合料的質(zhì)量要求和施工控制指標(biāo)。

本文結(jié)合廣東省懷集至陽江港高速公路懷集至郁南段(以下簡稱懷郁高速公路)的路面工程中瀝青混合料層永久變形量設(shè)計(jì)驗(yàn)算情況，對上述問題進(jìn)行分析。

1 交通量

1.1 交通量預(yù)測

懷郁高速公路通車年為2021年，各路段、各特征年車型交通量分布情況及年平均交通量見表1[4]。

表1 交通量預(yù)測結(jié)果 (單位：Pcu/d)

懷郁高速公路各特征年車型比例見表2[4]。

表2 特征年份車型比例 (單位：%)

1.2 累計(jì)交通量

根據(jù)交通量OD調(diào)查分析，懷郁高速公路建成通車2021年的雙向大型客車和貨車交通量為5 320輛/d，計(jì)算得到交通量年平均增長率為7.4%，方向系數(shù)選取0.55，車道系數(shù)取0.7。根據(jù)新規(guī)范計(jì)算得到其設(shè)計(jì)使用年限內(nèi)(15年)設(shè)計(jì)車道上當(dāng)量設(shè)計(jì)軸載累計(jì)作用次數(shù)為41 123 820次，設(shè)計(jì)使用年限內(nèi)設(shè)計(jì)車道累計(jì)大型客車和貨車交通量為17 664 380，設(shè)計(jì)交通荷載等級屬于重交通。

2 路面材料參數(shù)及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析

2.1 參數(shù)設(shè)計(jì)水平

新規(guī)范規(guī)定路面結(jié)構(gòu)層材料設(shè)計(jì)參數(shù)的確定分為下列三個水平[1]：水平一，通過室內(nèi)試驗(yàn)實(shí)際測試確定；水平二，利用部分已有的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式確定；水平三，參照規(guī)范推薦或常用的典型數(shù)值確定。具體如表3所示。

表3 路面結(jié)構(gòu)層材料設(shè)計(jì)參數(shù)確定水平情況[1]

對應(yīng)參數(shù)水平的確定，新規(guī)范在5.1.4章節(jié)中規(guī)定如下[1]：“高速公路和一級公路的施工圖設(shè)計(jì)階段宜采用水平一，其他設(shè)計(jì)階段可采用水平二或水平三；二級及二級以下公路可采用水平二或水平三。”

本文結(jié)合懷郁高速公路路面工程情況，參數(shù)設(shè)計(jì)采用水平三，即參照典型數(shù)值確定。主要基于以下三個方面：(1)新規(guī)范用的是“宜”，并非強(qiáng)制性要求采用水平一；(2)考慮到懷郁高速公路路面施工圖設(shè)計(jì)正好位于新舊規(guī)范交替的特殊時期，如采用水平一，周期長，影響工程進(jìn)度；(3)對新建高速公路兩階段施工圖設(shè)計(jì)，材料參數(shù)的確定可先采用水平三，待施工過程中原材料確定且具備室內(nèi)試驗(yàn)條件時，再采用水平一確定設(shè)計(jì)參數(shù)，并進(jìn)行動態(tài)設(shè)計(jì)。

2.2 初擬路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

懷郁高速公路初擬路面結(jié)構(gòu)方案見表4。

表4 路面結(jié)構(gòu)方案

3 瀝青混合料層永久變形量驗(yàn)算分析

根據(jù)新規(guī)范[1]“表G.1.2 各地氣溫統(tǒng)計(jì)資料及相應(yīng)的基準(zhǔn)路面結(jié)構(gòu)溫度調(diào)整系數(shù)和等效溫度”，查出項(xiàng)目區(qū)基準(zhǔn)等效溫度為26.3℃，由公式(G.2.1)計(jì)算得到對應(yīng)瀝青混合料層永久變形的等效溫度為29.3℃。

3.1 正常情況下，設(shè)計(jì)使用年限為15年的瀝青混合料層永久變形量計(jì)算分析

根據(jù)新規(guī)范附錄B.3.1條[1]規(guī)定的分層方法，需將本項(xiàng)目瀝青混合料層分為7個分層，各分層厚度(hi)如表5所示。利用彈性層狀體系理論，分別計(jì)算設(shè)計(jì)荷載作用下各分層頂部的豎向壓應(yīng)力(Pi)。根據(jù)新規(guī)范[1]公式(B.3.2-3)和公式(B.3.2-4)，計(jì)算得到d1=-4.15，d2=0.66。將d1和d2的計(jì)算結(jié)果代入公式(B.3.2-2)，可得到各分層的永久變形綜合修正系數(shù)(kRi)，并進(jìn)而利用公式(B.3.2-1)計(jì)算各分層永久變形量(Rai)。計(jì)算結(jié)果見表5。

表5 瀝青層永久變形量計(jì)算結(jié)果

根據(jù)附錄B公式(B.3.4)

DS=9 365R0-1.48

式中：DS—瀝青混合料動穩(wěn)定度。

進(jìn)而計(jì)算得出車轍試驗(yàn)動穩(wěn)定度要求：

第1層瀝青混合料車轍試驗(yàn)動穩(wěn)定度技術(shù)要求為6 351次/mm；

第2層瀝青混合料車轍試驗(yàn)動穩(wěn)定度技術(shù)要求為6 351次/mm；

第3層瀝青混合料車轍試驗(yàn)動穩(wěn)定度技術(shù)要求為2 276次/mm。

從以上計(jì)算結(jié)果可知，本項(xiàng)目瀝青混合料層永久變形量Ra=18.37mm，根據(jù)新規(guī)范[1]表3.0.6-1，無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定類基層、底基層瀝青路面的瀝青混合料層容許永久變形量為15.0mm，因此擬定的路面結(jié)構(gòu)不滿足新規(guī)范瀝青混合料層永久變形量的要求，而且要求的瀝青混合料動穩(wěn)定度值也較大。

3.2 試算設(shè)計(jì)使用年限為15年且滿足新規(guī)范要求的瀝青混合料層永久變形量計(jì)算分析

正常情況下，設(shè)計(jì)使用年限為15年的瀝青混合料層永久變形量結(jié)果經(jīng)過驗(yàn)算不滿足規(guī)范要求，而假定設(shè)計(jì)使用年限為15年且瀝青混合料各層總永久變形量為15mm臨界值時，通過附錄B公式(B.3.4)試算得出車轍動穩(wěn)定度。試算總永久變形量為15mm的瀝青層永久變形量詳見表6。

表6 總永久變形量為15mm的瀝青層永久變形量

進(jìn)而由附錄B公式(B.3.2-1)和(B.3.4)得出對應(yīng)的車轍動穩(wěn)定度結(jié)果：

第1層瀝青混合料車轍試驗(yàn)動穩(wěn)定度技術(shù)要求為12 122次/mm；

第2層瀝青混合料車轍試驗(yàn)動穩(wěn)定度技術(shù)要求為11 911次/mm；

第3層瀝青混合料車轍試驗(yàn)動穩(wěn)定度技術(shù)要求為4 196次/mm。

由上述可知，設(shè)計(jì)使用年限為15年且滿足新規(guī)范要求的瀝青混合料層永久變形量要求后，瀝青混合料的車轍動穩(wěn)定度值很大，實(shí)際瀝青混合料的質(zhì)量及施工控制很難達(dá)到要求。

3.3 調(diào)整設(shè)計(jì)期為10年時的瀝青混合料層永久變形量計(jì)算分析

根據(jù)新規(guī)范附錄B條文說明[1]，允許路面設(shè)計(jì)使用年限內(nèi)針對車轍進(jìn)行一次或一次以上的維修，將本項(xiàng)目通車至首次針對車轍維修的期限取為10年，對應(yīng)于瀝青混合料層永久變形的設(shè)計(jì)車道上當(dāng)量設(shè)計(jì)軸載累計(jì)次數(shù)為23 083 950，進(jìn)而計(jì)算得出永久變形量結(jié)果(表7)。

表7 設(shè)計(jì)期為10年時瀝青層永久變形量計(jì)算結(jié)果

由表7可知，將通車至首次針對車轍維修的期限取為10年后，擬定的路面結(jié)構(gòu)滿足新規(guī)范瀝青混合料層永久變形量的要求。

根據(jù)附錄B公式(B.3.4)，進(jìn)而計(jì)算得出車轍試驗(yàn)動穩(wěn)定度：

第1層瀝青混合料車轍試驗(yàn)動穩(wěn)定度技術(shù)要求為6 006次/mm；

第2層瀝青混合料車轍試驗(yàn)動穩(wěn)定度技術(shù)要求為5 691次/mm；

第3層瀝青混合料車轍試驗(yàn)動穩(wěn)定度技術(shù)要求為1 937次/mm。

以上瀝青混合料的車轍試驗(yàn)動穩(wěn)定度要求，在目前的材料和施工工藝條件下可以達(dá)到。

4 結(jié)論

(1)在廣東大部分地區(qū)氣溫較高、交通量較大和重載比例高的情況下，按照《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D50-2017)，若設(shè)計(jì)車道上當(dāng)量設(shè)計(jì)軸載累計(jì)作用次數(shù)采用路面設(shè)計(jì)使用年限15年時，瀝青混合料層永久變形量指標(biāo)難以滿足規(guī)范要求，或者計(jì)算得出的瀝青混合料動穩(wěn)定度值特別大，但在實(shí)際工程中瀝青混合料的質(zhì)量及施工控制很難達(dá)到要求。

(2)規(guī)范附錄B.3.2計(jì)算瀝青混合料層永久變形量公式中：設(shè)計(jì)車道上當(dāng)量設(shè)計(jì)軸載累計(jì)作用次數(shù)是指設(shè)計(jì)使用年限內(nèi)或通車至首次針對車轍維修的期限內(nèi)，因此通過調(diào)整設(shè)計(jì)期取通車至針對路面車轍維修所對應(yīng)的時長(一般8～10年)進(jìn)行計(jì)算，瀝青混合料層永久變形量指標(biāo)滿足規(guī)范要求，且得到的瀝青混合料動穩(wěn)定度要求符合實(shí)際工程情況。

(3)以上調(diào)整設(shè)計(jì)期計(jì)算瀝青混合料層永久變形量的方法，符合廣東省內(nèi)高速公路營運(yùn)期一般針對路面車轍等病害在通車后8～10年進(jìn)行一次大修的實(shí)際情況，也可供類似工程參考。