瀝青商品混凝土路面在公路建設(shè)中起到非常重要的作用，其路面好壞直接影響著汽車通行的平穩(wěn)性、舒適性和行車速度，而在設(shè)計過程中，各類參數(shù)的正確選用對路面能否適應(yīng)行車需要起著至關(guān)重要的作用。本文就瀝青路面設(shè)計交通荷載的車輛種類、輪壓和標(biāo)準(zhǔn)軸載、車道系數(shù)、路面結(jié)構(gòu)材料參數(shù)等方面進(jìn)行了分析。

關(guān)鍵詞: 瀝青路面；結(jié)構(gòu)設(shè)計；參數(shù)

隨著社會的發(fā)展和技術(shù)的進(jìn)步，瀝青路面應(yīng)用越來越廣泛，合理的路面結(jié)構(gòu)設(shè)計在控制質(zhì)量方面起著重要的基礎(chǔ)性作用。在進(jìn)行路面結(jié)構(gòu)設(shè)計時必須根據(jù)路面完工后實際的受力情況來確定合理的路面各類設(shè)計參數(shù),包括交通荷載參數(shù)及路面結(jié)構(gòu)材料參數(shù)，以確保路面結(jié)構(gòu)設(shè)計合理,施工及質(zhì)量管理有的放矢。

1、交通荷載

1.1車輛種類

客車又分為小客車、中客車與大客車。小客車自身質(zhì)量與滿載總質(zhì)量都比較輕；中客車一般為包括6個座位至20個座位的中型客車；大客車一般是指20個座位以上的大型車(客車包括鉸接車和雙層客車)。公路上行駛的長途客車一般為兩軸,座位數(shù)在40～50人之間,還有一些進(jìn)口的長途客車,座位數(shù)約70人,這些長途客車滿載總重在10t左右,根據(jù)實際軸荷載的分布情況,大客車的軸荷與中型貨車十分接近,力學(xué)分類可以歸為一類。對于貨車而言,噸位低于8t的為中小型貨車,8t以上的為重型貨車。

路面結(jié)構(gòu)設(shè)計與驗算使用的參數(shù)是設(shè)計年限內(nèi)的車道標(biāo)準(zhǔn)軸載累計作用次數(shù)。實際計算時,對瀝青路面,只將軸載大于25kN的汽車計入，其余的對標(biāo)準(zhǔn)軸載作用次數(shù)影響極小,一般忽略不計。

1.2標(biāo)準(zhǔn)軸載

由于作用在路面的設(shè)計荷載千變?nèi)f化,一般選用一種軸載作為路面結(jié)構(gòu)設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)車載,其他各種車載按照一定的原則換算成標(biāo)準(zhǔn)軸載。而標(biāo)準(zhǔn)軸載一般要求對路面的響應(yīng)較大、同時又能反映本國公路運輸運營車輛的總體軸載水平。為了統(tǒng)一設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)和便于交通管理,各個國家對標(biāo)準(zhǔn)軸載均有明確的規(guī)定。我國根據(jù)公路運輸運營車輛的實際,公路與城市道路有關(guān)路面設(shè)計規(guī)范中均以100kN作為設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)軸重。

接地壓力和設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)軸重是荷載設(shè)計的兩個最基本的參數(shù)。

當(dāng)量圓形的半徑R確定。

R=(P/(π×P))1/2=(100×103/(3.14×0.7×106))1/2=21.30cm

輪胎壓力大小對路面厚度的影響很大。計算表明,在結(jié)構(gòu)相同的剛性路面中,輪胎壓力增大70kPa,需增加板厚約0.5cm。主輪軸型式對路面厚度影響較大。計算表明,若車輛總質(zhì)量不變,主輪軸為單輪時的路面厚度為100%,則主輪軸為雙輪時路面厚度為80%,主輪軸為雙軸雙輪時路面厚度為60%。兩輪中心距為1.5d,是經(jīng)統(tǒng)計分析得出的。

1.3 車道系數(shù)

輪跡橫向分布系數(shù)應(yīng)用到路面設(shè)計中以前,還應(yīng)分析一下荷載作用下,輪跡以外一定范圍內(nèi)的路面結(jié)構(gòu)中所引起的不同程度的疲勞損壞。計算表明,對于國內(nèi)典型瀝青路面結(jié)構(gòu),在輪跡外50cm間隔內(nèi),該荷載產(chǎn)生的破壞作用,最大相當(dāng)于增加10%作用次數(shù)的影響,更遠(yuǎn)距離處則可以不計；對于剛性路面板,相鄰條帶上的荷載要為該條帶計算值最大增加6%的影響。可見輪跡范圍外雖有影響但并不大。

根據(jù)典型路段輪跡橫向分布的規(guī)律,可把輪跡橫向分布系數(shù)劃分為五個類別,可相應(yīng)地列出各個類別的輪跡橫向分布系數(shù)值。雙向單車道1.0,雙向兩車道0.6～0.7,雙向四車道0.4～0.5,雙向六車道0.3～0.4,雙向八車道0.25～0.35。

1.4軸載換算方法

由于路面實際作用的車輛種類繁多,必須將不同的車輛按照一定的原則進(jìn)行換算。路面設(shè)計在進(jìn)行軸載換算時,應(yīng)該遵循兩項原則:

(1)不同軸載在同一路面結(jié)構(gòu)上重復(fù)作用不同次數(shù)后,使路表彎沉值或?qū)拥桌瓚?yīng)力達(dá)到同一極限狀態(tài)。

(2)對某一種交通組成,不論以那種軸載標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行換算,由換算所得軸載作用次數(shù)計算的路面厚度是相同的。

現(xiàn)行設(shè)計方法中采用彎沉指標(biāo)和基層底彎拉應(yīng)力指標(biāo),因此,軸載換算時考慮了以彎沉為指標(biāo)的軸載換算和彎拉應(yīng)力為指標(biāo)的軸載換算方法。

2、土基回彈模量

回彈模量能較好地反映地基所具有的部分彈性性質(zhì),所以,在以彈性半空間體地基模型表征土基的受力特性時,可以用回彈模量表示土基在瞬時荷載作用下的可恢復(fù)變形性質(zhì)。我國公路水泥商品混凝土路面、瀝青路面設(shè)計方法中,都以回彈模量E作為地基的剛度指標(biāo),為了模擬車輪印跡的作用,通常都以圓形承載板壓入土基的方法測定回彈模量。

路基回彈模量E0的確定方法大致有以下幾種:

(1)應(yīng)用直徑30.4cm的剛性承載板在現(xiàn)有道路的土基頂面進(jìn)行試驗經(jīng)修正后確定；

(2)應(yīng)用落錘式彎沉儀(FWD)進(jìn)行現(xiàn)場試驗,然后根據(jù)試驗確定的FWD測定的回彈模量與承載板測定的回彈量回歸公式換算；

(3)根據(jù)室內(nèi)或現(xiàn)場CBR試驗結(jié)果,利用CBR與回彈模量的相關(guān)關(guān)系推算；

(4)根據(jù)路基頂面的回彈彎沉推算；

(5)根據(jù)路基土的稠度與壓實度,利用事先得到的回彈模量與稠度(或相對含水量)和壓實度的關(guān)系式確定。

由第(1)與第(2)方法得到的土基回彈模量與實際比較吻合,但需要根據(jù)土基不利季節(jié)含水量進(jìn)行修正；第(3)種方法是國外經(jīng)常采用的方法之一；其他方法可以間接推算土基回彈模量,但事先應(yīng)進(jìn)行一系列試驗,得到所需的關(guān)系式,而且,推算的回彈模量的準(zhǔn)確度和精度均較差。

3、路面結(jié)構(gòu)層設(shè)計參數(shù)

路面結(jié)構(gòu)由不同的材料逐層鋪筑而成,不同的材料有不同的力學(xué)強度特性和相應(yīng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù),路面力學(xué)計算理論一般建立在彈性力學(xué)基礎(chǔ)上,除結(jié)構(gòu)參數(shù)外,還有路面結(jié)構(gòu)的材料類數(shù)、材料的計算參數(shù)包括模量和泊松比。泊松比一般比較穩(wěn)定,在路面設(shè)計時一般對特定的材料選用一定的泊松比,如土基和無黏結(jié)材料的泊松比取0.35、無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料的泊松比取0.25、瀝青商品混凝土材料的泊松比取0.25、水泥商品混凝土材料的泊松比取0.15等。路面結(jié)構(gòu)材料的模量值是表征材料剛度的指標(biāo),常用的測試方法有單軸壓縮試驗、直接劈裂試驗、彎拉試驗等。由于路面結(jié)構(gòu)材料的非線性特性,路面結(jié)構(gòu)模量根據(jù)計入變形的不同分為形變模量和回彈模量,形變模量中的變形包括回彈變形和塑性變形,回彈模量中的變形僅考慮材料的回彈變形。

由于不同的材料有不同的力學(xué)強度特性,相應(yīng)的參數(shù)取值和試驗方法也不同。我國瀝青路面設(shè)計采用抗壓回彈模量和劈裂強度進(jìn)行設(shè)計計算,規(guī)定瀝青混合料的彎沉計算時抗壓回彈模量的試驗溫度為20℃、彎拉應(yīng)力驗算時抗壓回彈模量的試驗溫度為15℃、劈裂強度的試驗溫度也為15℃。國外的路面結(jié)構(gòu)設(shè)計方法一般采用抗壓模量和彎拉應(yīng)變作為設(shè)計參數(shù)。路面設(shè)計取用的無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料抗壓模量值和劈裂強度值應(yīng)該是設(shè)計齡期的抗壓模量值和劈裂強度值,水泥穩(wěn)定類材料的設(shè)計齡期為60d,其他穩(wěn)定類材料的設(shè)計齡期為90d,相應(yīng)的養(yǎng)生溫度與混合料組成設(shè)計時的養(yǎng)生溫度相同。

3.1 無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料無側(cè)限抗壓回彈模量

無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料(包括穩(wěn)定細(xì)粒土、中粒土和粗粒土)的無側(cè)限抗壓強度是按照預(yù)定干密度和壓實度用靜力壓實法制備試件,試件高：直徑=1：1的圓柱體、養(yǎng)生時間為設(shè)計齡期(整個養(yǎng)生期間的溫度,在北方地區(qū)應(yīng)保持20±2℃,在南方地區(qū)應(yīng)保持25±2℃、側(cè)向沒有圍壓時,通過逐級加載和卸載試驗計算得到抗壓回彈模量。

無機(jī)結(jié)合穩(wěn)定材料室內(nèi)制件與現(xiàn)場制件設(shè)計參數(shù)比值隨材料不同及施工條件而異。一般情況下,現(xiàn)場制件的模量與強度均比室內(nèi)制件低,其降低的幅度不等,抗壓強度降低幅度較小為10%～20%,抗壓模量下降30%～40%,劈裂強度下降20%～60%,劈裂模量下降50%左右。無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料的設(shè)計參數(shù)是根據(jù)大量試驗結(jié)果取95%的保證率后(均值-1.645×標(biāo)準(zhǔn)差)得到代表值。代表值經(jīng)折減后, 經(jīng)典型路面結(jié)構(gòu)厚度計算驗證后, 設(shè)計參數(shù)推薦值如表1:

表1 常用半剛性基層設(shè)計參數(shù)推薦值

在進(jìn)行拉應(yīng)力驗算時,半剛性基層材料的疲勞方程由劈裂疲勞試驗得到,半剛性基層材料的容許拉應(yīng)力按下式計算。

σA=σsp/Ks

式中:

KS-結(jié)構(gòu)系數(shù),對無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定粒料KS =0.35Ne0.11／Ac；對無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定細(xì)粒土KS=0.45 Ne0.11／Ac。

3.2瀝青材料的設(shè)計參數(shù)

瀝青商品混凝土的主要設(shè)計參數(shù)為抗壓模量、劈裂強度等。瀝青混合料的抗壓模量有時也稱為勁度模量,因為瀝青混合料的模量與加載速度、加載時間、加載時的溫度有關(guān),因此,瀝青混合料的模量、強度等是一個條件參數(shù)。瀝青商品混凝土的抗壓試驗采用圓柱體試件,試件成型采用靜壓法、輪碾法、搓揉法和旋轉(zhuǎn)壓實成型法,試件的密度應(yīng)符合馬歇爾標(biāo)準(zhǔn)擊實密度100%,用于抗壓強度試驗的試件個數(shù)不少于3個,用于抗壓回彈試驗的試件個數(shù)不少于3～6個。

瀝青商品混凝土的劈裂試驗既可以為瀝青路面設(shè)計提供設(shè)計參數(shù),也可以評價瀝青商品混凝土的低溫特性。我國瀝青商品混凝土路面的設(shè)計參數(shù)采用靜參數(shù),采用的試驗溫度為15℃,試驗加載速率為50mm/min,計算時相應(yīng)的泊松比采用0.30。試件采用馬歇爾擊實成型的方法、輪碾機(jī)成型的板體試件和道路現(xiàn)場鉆孔試件。采用馬歇爾擊實成型的試件尺寸要求直徑101.6mm,高為63.5mm；輪碾機(jī)成型的板體試件和道路現(xiàn)場鉆孔試件的尺寸要求直徑為100mm或150mm,高為40mm。

瀝青商品混凝土材料的設(shè)計參數(shù)也是根據(jù)室內(nèi)大量試驗結(jié)果取95%的保證率后(均值-1.645×標(biāo)準(zhǔn)差)得到其代表值。再考慮現(xiàn)場大規(guī)模施工、質(zhì)量變化較大的情況,將代表值給予適當(dāng)?shù)恼蹨p得到推薦值。

4、結(jié)束語

我國瀝青路面設(shè)計規(guī)范自1978年引入路表彎沉指標(biāo),一直沿用至今。期間雖然經(jīng)歷了從容許彎沉到設(shè)計彎沉概念的轉(zhuǎn)變,并引入面層和基層層底拉應(yīng)力作為驗算指標(biāo),但彎沉作為設(shè)計控制指標(biāo)的本質(zhì)并沒有改變。