摘要 隨著重載交通的出現(xiàn)，部分運(yùn)營(yíng)中的瀝青路面產(chǎn)生了不同程度的質(zhì)量病害，嚴(yán)重影響道路路用性能，縮短運(yùn)營(yíng)年限。鑒于此，文章結(jié)合某二級(jí)公路二期工程實(shí)踐，針對(duì)重載交通瀝青路面設(shè)計(jì)展開(kāi)綜合探究，分析了重載交通對(duì)瀝青路面的影響，通過(guò)軸載換算，得到該二級(jí)公路標(biāo)準(zhǔn)軸載當(dāng)量軸次，并根據(jù)該公路交通量、彎沉值等相關(guān)指標(biāo)，確定了最佳的路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，可供同行參考和借鑒。

關(guān)鍵詞 公路工程項(xiàng)目；重載交通；二級(jí)公路；瀝青路面厚度

中圖分類號(hào) U416.217 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2096-8949（2023）13-0135-03

0 引言

近年來(lái)，隨著交通量、載重量的不斷增大，現(xiàn)役瀝青路面呈現(xiàn)出超負(fù)荷運(yùn)營(yíng)狀態(tài)，路面使用性能嚴(yán)重下降，已無(wú)法滿足當(dāng)前日益繁重的交通運(yùn)輸需求。部分道路由于重載交通過(guò)多造成路面損壞，因此，現(xiàn)階段全國(guó)各地均在對(duì)現(xiàn)有國(guó)省干線進(jìn)行精細(xì)化設(shè)計(jì)和路面修復(fù)養(yǎng)護(hù)設(shè)計(jì)。根據(jù)《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTGD50—2017）相關(guān)規(guī)定，僅明確了100 kN標(biāo)準(zhǔn)軸載計(jì)算方法及對(duì)應(yīng)的二級(jí)公路瀝青路面設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，而針對(duì)標(biāo)準(zhǔn)范圍外的重載交通軸載換算并未給出說(shuō)明。因此，如何科學(xué)完善標(biāo)準(zhǔn)軸載計(jì)算公式，得到準(zhǔn)確、有效的重載交通作用下累計(jì)軸載次數(shù)及路面彎沉值，已成為當(dāng)前重載交通條件下瀝青路面設(shè)計(jì)的重中之重[1]。為此，該文依托某二級(jí)公路工程實(shí)踐，詳細(xì)探究了重載交通環(huán)境下瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，具有重要意義。

1 重載交通對(duì)瀝青路面的影響

1.1 對(duì)路面疲勞壽命的影響

累計(jì)當(dāng)量軸次是影響瀝青路面疲勞壽命的重要指標(biāo)。公路路面承受的車輛荷載形式多樣，應(yīng)換算出標(biāo)準(zhǔn)軸載，并將其他形式的軸載作用次數(shù)統(tǒng)一轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)軸載次數(shù)。相關(guān)規(guī)范規(guī)定，當(dāng)計(jì)算瀝青底層拉應(yīng)力與設(shè)計(jì)彎沉值時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)軸載及當(dāng)量軸次換算應(yīng)根據(jù)式（1）進(jìn)行換算：

式中，N——標(biāo)準(zhǔn)軸次（次/d）；Ni——需換算車輛軸次（次/d）；Pi——需換算車輛軸載（kN）；P——標(biāo)準(zhǔn)軸載（kN）；C1——軸數(shù)系數(shù)；C2——輪組系數(shù)。

通過(guò)式（1）能夠看出，隨著需換算車輛軸載的增大，標(biāo)準(zhǔn)軸次呈4.35次方增大，充分表明重載對(duì)瀝青路面破壞程度較大。為有效探究重載對(duì)二級(jí)公路瀝青路面疲勞壽命的影響，在已知道路初期交通量的條件下，利用式（1）分別求出空載、滿載、超載50%、80%、100%等不同狀態(tài)下瀝青路面換算系數(shù)，從而得到標(biāo)準(zhǔn)軸次及累計(jì)標(biāo)準(zhǔn)軸次，并通過(guò)反算求出道路設(shè)計(jì)使用年限[2]。

二級(jí)公路瀝青路面設(shè)計(jì)使用年限為12年，當(dāng)交通量增長(zhǎng)率為5%時(shí)，其車道系數(shù)為0.5。按照標(biāo)準(zhǔn)軸載換算數(shù)據(jù)，當(dāng)車輛超載率不斷增加時(shí)，各種形式的汽車換算系數(shù)顯著增大；其中，超載率為20%、50%、80%、100%條件下，對(duì)應(yīng)的汽車換算系數(shù)為滿載條件下的2.21倍、5.83倍、12.89倍、20.39倍。按照公式（1）求出的二級(jí)公路瀝青路面標(biāo)準(zhǔn)軸次、累計(jì)標(biāo)準(zhǔn)軸次、使用年限值如表1所示：

通過(guò)表1能夠看出：當(dāng)車輛超載率逐漸增加時(shí)，二級(jí)公路瀝青路面標(biāo)準(zhǔn)軸次、累計(jì)標(biāo)準(zhǔn)軸次逐漸增加。以滿載條件下累計(jì)標(biāo)準(zhǔn)軸次為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行二級(jí)公路瀝青路面設(shè)計(jì)，當(dāng)超載20%、50%、80%、100%時(shí)，其使用年限依次為9.0年、4.0年、2.0年和1.5年。

1.2 對(duì)基層受力的影響

當(dāng)車輛軸載增加時(shí)，瀝青路面彎沉顯著增大，基層應(yīng)力作用同步增大。根據(jù)二級(jí)公路瀝青路面結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采用彈性層狀結(jié)構(gòu)計(jì)算軸載，并分別求出道路各結(jié)構(gòu)層拉應(yīng)力大小。

計(jì)算結(jié)果顯示：

（1）隨著軸載作用的不斷增加，二級(jí)公路基層、底基層拉應(yīng)力均高于100 kN標(biāo)準(zhǔn)軸載的拉應(yīng)力。

（2）當(dāng)車輛軸載達(dá)到120 kN、150 kN時(shí)，其基底拉應(yīng)力為標(biāo)準(zhǔn)軸載狀態(tài)下的1.2倍、1.5倍。

（3）隨著路基彈性模量的增加，基層底部拉應(yīng)力呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，充分證明土基彈性模量對(duì)路面應(yīng)力分布具有重要影響[3-4]。

1.3 對(duì)路面厚度的影響

設(shè)計(jì)規(guī)范給出的標(biāo)準(zhǔn)軸載為100 kN，輪壓為0.7 MPa，而二級(jí)公路運(yùn)營(yíng)時(shí)軸載作用及輪壓均超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)范圍。因此，應(yīng)按照實(shí)際軸載與標(biāo)準(zhǔn)軸載作用下，基層底部受力相同的原理確定瀝青路面厚度，詳細(xì)數(shù)據(jù)如表2所示：

通過(guò)表2能夠看出：

（1）當(dāng)汽車軸載以20 kN標(biāo)準(zhǔn)遞增時(shí)，各結(jié)構(gòu)層相關(guān)指標(biāo)同步增加20%。

（2）軸載由100 kN增至200 kN時(shí)，為確保實(shí)際軸載與標(biāo)準(zhǔn)軸載條件下路面結(jié)構(gòu)層應(yīng)力相同，底基層厚度需增加31 cm。

2 工程概況

某公路工程采用二級(jí)公路設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，其一期項(xiàng)目K29+000～K54+800區(qū)段于2013年投入運(yùn)營(yíng)，道路運(yùn)營(yíng)期間，由于車輛載重量日益增大，道路表面產(chǎn)生了不同程度的車轍、開(kāi)裂、坑槽等質(zhì)量病害，給交通安全造成嚴(yán)重威脅。導(dǎo)致路面病害的因素較多，但設(shè)計(jì)因素是重中之重。因此，在該公路二期項(xiàng)目設(shè)計(jì)時(shí)，結(jié)合該公路一期瀝青路面實(shí)際情況，對(duì)瀝青路面結(jié)構(gòu)實(shí)施優(yōu)化，以有效防止類似病害發(fā)生。

2021年9月對(duì)二期項(xiàng)目K61+421、K84+227位置車流量、軸載情況實(shí)施調(diào)查統(tǒng)計(jì)，時(shí)間為3 d。結(jié)果顯示，兩位置總車流量為23 448輛，以6軸車為主，比重高達(dá)70.2%，其次為2軸車、轎車；其中6軸車超載比例為198%，5軸車為177%，4軸車為145%，3軸車為178%，2軸車為144%。

3 軸載換算

結(jié)合該公路實(shí)際運(yùn)營(yíng)狀況，以重載、非重載兩種狀況分別對(duì)不同車型實(shí)施軸載換算。重載車輛主要指標(biāo)定軸載累計(jì)值的逐漸增加，結(jié)合理論運(yùn)算及實(shí)際檢測(cè)數(shù)據(jù)，二級(jí)公路瀝青路面軸載累計(jì)值相較于標(biāo)準(zhǔn)公式求出的軸載累計(jì)值較大。經(jīng)轉(zhuǎn)換后軸載計(jì)算公式如下：

式中，m——超載率，結(jié)合實(shí)際檢測(cè)情況，該工程m=0.12；其余指標(biāo)含義與式（1）相同。

對(duì)非重載車輛持續(xù)3 d監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析，其當(dāng)量軸次與軸型作用次數(shù)之間的關(guān)系如表3～5所示。該公路車流量為3 644輛/d，經(jīng)換算得到標(biāo)準(zhǔn)軸次為21 579次/d。利用公式（2）對(duì)重載、非重載條件下各種車型軸載實(shí)施換算，求出兩種情況下汽車24 h累計(jì)標(biāo)準(zhǔn)軸次N為50 389次[5]。

4 路面設(shè)計(jì)

4.1 累計(jì)當(dāng)量軸次及路面彎沉

根據(jù)上述累計(jì)標(biāo)準(zhǔn)當(dāng)量軸次計(jì)算數(shù)據(jù)，該工程瀝青路面設(shè)計(jì)使用年限為12年，后續(xù)車流量以4%逐年遞增，按照相關(guān)計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)，求出重載及非重載條件下累計(jì)當(dāng)量軸次Ne依次為129 880 596次、73 160 515次[6-8]。

按照相關(guān)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，重載、非重載兩種情況下，該工程瀝青路面彎沉值依次為22.03（0.01 mm）、24.04（0.01 mm）。

4.2 路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

按照調(diào)查統(tǒng)計(jì)得到的該工程車流量、軸載次數(shù)等相關(guān)指標(biāo)，進(jìn)行瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。標(biāo)準(zhǔn)軸載取BZZ-100，使用年限為12年，路基回填模量為40 MPa。在忽略重載作用條件下，擬建道路路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為4層，彎沉LD=24.04（0.01 mm），自上而下結(jié)構(gòu)分布為40 mm厚細(xì)粒式SMA瀝青混凝土、60 mm厚中粒式瀝青混凝土、320 mm厚水泥穩(wěn)定碎石、180 mm厚填隙碎石層，各層次彈性模量分別為11 000 MPa、10 000 MPa、

7 500 MPa、250 MPa。路面檢測(cè)彎沉為L(zhǎng)s=24（0.01 mm），Ls≤LD，所以，理論彎沉滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

重載作用條件下，擬建道路路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為4層，彎沉LD=22.03（0.01 mm），自上而下結(jié)構(gòu)分布為40 mm厚細(xì)粒式SMA瀝青混凝土、60 mm厚中粒式瀝青混凝土、360 mm厚水泥穩(wěn)定碎石、200 mm厚填隙碎石層，各層次彈性模量分別為11 000 MPa、10 000 MPa、

7 500 MPa、250 MPa。路面檢測(cè)彎沉為L(zhǎng)s=22（0.01 mm），Ls≤LD，所以，理論彎沉滿足標(biāo)準(zhǔn)要求[9-10]。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，重載交通對(duì)瀝青路面結(jié)構(gòu)受力、疲勞壽命、結(jié)構(gòu)層厚度及路面彎沉具有重要影響。重載車輛軸載作用顯著高于設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求，導(dǎo)致二級(jí)公路瀝青路面累計(jì)軸載次數(shù)顯著增加，使道路產(chǎn)生較為嚴(yán)重的質(zhì)量病害，影響道路使用功能與運(yùn)營(yíng)年限。傳統(tǒng)道路設(shè)計(jì)未考慮重載交通作用，導(dǎo)致瀝青路面極易產(chǎn)生早期質(zhì)量病害。為保證重載交通條件下二級(jí)公路瀝青路面運(yùn)營(yíng)年限滿足相關(guān)規(guī)范要求，需適當(dāng)增加路面結(jié)構(gòu)層厚度。通過(guò)增加路面結(jié)構(gòu)層厚度，能有效防止重載交通條件下瀝青路面產(chǎn)生早期破壞，增強(qiáng)道路承載性能，提高瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)科學(xué)性，延長(zhǎng)道路使用年限，從根本上保證公路工程建設(shè)的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

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