宋曉莉
(山東省交通規(guī)劃設(shè)計院集團有限公司,山東 濟南 250031)
京臺高速公路是國家高速公路網(wǎng)中的放射線之一,連接了北京、天津、濟南、合肥、福州和臺北等城市,構(gòu)成了北京向南輻射的快速主干通道。目前,京臺高速山東境內(nèi)的四車道路段,即德州(魯冀界)至齊河(約93.1 km)、泰安至棗莊(魯蘇界)(約189.5 km)正在按雙向八車道標準實施改擴建;京臺高速山東境內(nèi)的六車道路段(齊河至泰安段)擬實施改擴建,其中濟南至泰安段(約53.3 km)擬由六車道改擴建為八車道[1]。
自1999年全線建成通車,實施了較為完善的養(yǎng)護工作。自2007年,每年均進行路面的專項維修,對路面進行連片的銑刨挖補。截止2018年,大部分的老路病害已經(jīng)進行了維修。養(yǎng)護大修后行車道典型路面回鋪結(jié)構(gòu)為4 cm瀝青瑪蹄脂碎石(SMA-13)+7 cm中粒式改性瀝青混凝土(AC-20)+8 cm粗粒式瀝青混凝土(AC-25)+13 cm改性瀝青碎石+15 cm水泥穩(wěn)定碎石+34 cm石灰土,路面結(jié)構(gòu)層總厚度為81 cm;但硬路肩部位僅加鋪了4 cm的SMA-13面層,即4 cm SMA-13(改性)+4 cm AC-16(改性)+5 cm AC-20(改性)+6 cm AC-30+基層為28 cm水泥穩(wěn)定碎石+34 cm石灰土。現(xiàn)狀京臺老路的行車道與硬路肩的現(xiàn)狀路面結(jié)構(gòu)不一致。根據(jù)路面結(jié)構(gòu)檢查報告,維修養(yǎng)護后的京臺高速濟南至泰安段老路面層主要病害為條狀修補、裂縫類病害主要以橫向裂縫為主,原有路面結(jié)構(gòu)具有較高的承載能力,半剛性基層可以為行車荷載提供足夠的強度。
項目拼寬寬度為3.25 m,拼寬路面部位基本位于拼寬新建高速的硬路肩,硬路肩部位僅供臨時車輛通行,如果采用山東地區(qū)典型的柔性基層路面結(jié)構(gòu)進行拼寬,既不經(jīng)濟也無必要。因此,對平縱線形都沒有調(diào)整的拼寬路段的路面結(jié)構(gòu)進行了差異化設(shè)計,即拼寬部位的柔性基層由LSPM-25或是ATB-25變?yōu)榧壟渌槭嵝曰鶎印#?)具體路面拼寬結(jié)構(gòu):挖除老路硬路肩19 cm瀝青面層,重新鋪筑8 cm AC-25C+11 cm廠拌熱再生瀝青混合料或ATB-25;(2)非超高路段拼寬新建硬路肩路面結(jié)構(gòu):4 cm改性SMA-13+6 cm改性AC-20C+19 cm 級配碎石柔型基層+2×18 cm水泥穩(wěn)定碎石基層+18 cm廠拌冷再生水泥穩(wěn)定銑刨料或水泥穩(wěn)定碎石底基層。
3.1.1 模型構(gòu)件
根據(jù)改擴建拼接情況建立模型,見圖1。
圖1 路面結(jié)構(gòu)模型
由圖1可知,左幅(X軸負向)為4 cmSMA-13 +6 cmAC20+8 cmAC-25+11 cmATB+28 cm水泥穩(wěn)定碎 石基層+34cm石灰土;右幅(x軸正向)為4 cm SMA-13+6 cmAC20+19 cm級配碎石+28 cm水泥穩(wěn)定碎石基層+34 cm石灰土。根據(jù)《公路瀝青路面設(shè)計規(guī)范》(JTG D50—2017)考慮軸對稱,施加雙圓均布荷載,見圖2。荷載為雙圓均布荷載,施加于接縫左側(cè)75 cm處,荷載中心處記為(0,0)點[3-4]。
圖2 荷載施加效果
3.1.2 拉應(yīng)力計算
在雙圓均布荷載處計算求得各層層底最大拉應(yīng)力見表1,應(yīng)力云圖見圖3 。
表1 應(yīng)力計算結(jié)果
圖3 應(yīng)變云圖
在雙圓均布荷載處計算求得各層層底最大應(yīng)變見表2,其中負值表示壓應(yīng)變,正值表示拉應(yīng)變。
表2 各層層底最大應(yīng)變
在雙圓均布荷載處計算求得層頂最大彎沉為 20.88(0.01 mm)。在雙圓均布荷載作用處6 cmAC-20瀝青層層底延X軸正方向按照不同距離選取11個點計算其應(yīng)變變化,結(jié)果見圖4。
圖4 橫向應(yīng)變變化
由圖4可知,荷載處層底為拉應(yīng)變,其值為 19.4 με,隨著距離荷載中心位置逐漸變遠,應(yīng)變由拉應(yīng)變轉(zhuǎn)化為壓應(yīng)變,在距離荷載中心處75 cm處即兩幅路面接縫處取得最大壓應(yīng)變,其值為53.7 με。
在雙圓均布荷載作用處6 cmAC-20瀝青層層底延X軸正方向按照不同距離選取11個點計算其彎沉變化,結(jié)果見圖5。
圖5 橫向彎沉變化
由圖5可知,荷載作用處取得最大彎沉,其值為20.35(0.01 mm),延X軸正方向的彎沉逐漸遞減。在雙圓均布荷載作用處6 cmAC-20瀝青層層底延X軸正方向按照不同距離選取9個點計算其應(yīng)力變化,結(jié)果見圖6。
圖6 橫向應(yīng)力變化
由圖6可知,荷載作用周圍存在最大應(yīng)力,其值為0.525 MPa,沿X軸正方向的應(yīng)力逐漸遞減。
由ABAQUS計算可得荷載作用中心處11 cm瀝青穩(wěn)定碎石處的應(yīng)變?yōu)?.54 με,距離荷載作用處75 cm即接縫處的應(yīng)變?yōu)?3.7 με,將左幅老路路面結(jié)構(gòu)帶入BISAR進行計算可得雙圓均布荷載作用處11 cm瀝青穩(wěn)定碎石處的應(yīng)變?yōu)?.72 με,經(jīng)過等比例外推可得距離荷載作用處75 cm即接縫處的應(yīng)變?yōu)?5.7 με。
左側(cè)為ABAQUS計算結(jié)果,右側(cè)為BISAR計算結(jié)果。將按比例求得的應(yīng)變45.7 με帶入《公路瀝青路面設(shè)計規(guī)范》(JTG D50—2017)的瀝青層疲勞預(yù)估模型,求得瀝青混合料層疲勞開裂壽命為10.3×107次,表明在行車道上作用10.3×107標準軸次后,硬路肩理論上可能出現(xiàn)疲勞開裂。根據(jù)本項目的交通量預(yù)測,計算得到車道標準軸次3.7×107,小于柔性基層的疲勞開裂壽命,因此,柔性級配碎石作為硬路肩的柔性基層沒有問題。
依托京臺高速公路濟南至泰安段改擴建工程,詳細介紹了改擴建工程路面結(jié)構(gòu)差異化設(shè)計的問題。該項目采用差異化路面設(shè)計,既節(jié)省造價又滿足高速公路行車荷載的需求。