S323線庫爾勒過境公路瀝青混凝土路面計算分析

陳華軍

(新紀元公路設計有限責任公司)

S323線庫爾勒過境公路瀝青混凝土路面計算分析

陳華軍

(新紀元公路設計有限責任公司)

路面結構是一種由多種材料組成的多層次的復雜體系，加之其使用環(huán)境和材料特性以及交通荷載的多變性，給路面設計帶來了許多不確定因素。瀝青混凝土路面具有良好的力學性能和較好的耐久性以及行車舒適性，適合各種車輛通行;在公路建設中被廣泛采用。結合實際工作經(jīng)驗，就新疆部分地區(qū)瀝青混凝土路面設計提出自己的一些見解。

瀝青混凝土;半剛性基層;彎沉;容許拉應力

1 前言

庫爾勒市境內原國道314線庫爾勒市天山西路與建國路交匯處至在上戶鎮(zhèn)段，由于國道314線庫爾勒過境段改線，該段公路更名為省道323線，全長12.15 km。該段公路交通量很大，承擔著南北疆交通樞紐任務。

2 原有公路現(xiàn)狀調查

該段原路公路等級為三級公路，設計車速為60 km/h;該路段主要病害為縱、橫向裂縫、坑槽、松散、、麻面、啃邊、龜裂、網(wǎng)裂。老路路基寬8.5 m，路面寬7 m，兩側未設路緣石。經(jīng)全線老路挖探查明:老路路面結構為2～4 cm瀝青表處下為礫石土。

3 路面結構計算

3.1 依據(jù)原路彎沉值反算老路基回彈模量

計算公式

式中:Et為原路面當量回彈模量，MPa;P，δ為標準車型的輪胎觸底壓強，MPa和當量圓半徑，cm;Lr為原路面的代表彎沉值，0.01 mm;m1為用標準軸載的汽車在原路面上測得的彎沉值與用承載板在相同的條件下所測得的回彈變形值之比，即輪板對比值，(比值m1應根據(jù)各地的對比試驗結果論證地確定，在沒有對比試驗資料的情況下，可取m1=1.1(輪隙彎沉法)進行計算);m2為計算與原路面接觸的補強層層底拉應力時，m2按下式計算;計算其他補強層層底拉應力及彎沉值時，m2=1.0。

式中:En-1為與原路面接觸層材料的抗壓模量，MPa;h＇為各補強層相當于原路面接觸層的模量En-1的等效總厚度(cm)，按下式計算

式中:Ei為第i層補強材料的抗壓回彈模量，MPa;hi為第i層補強材料的厚度。

依據(jù)公式(1)計算得老路路面回彈模量結果如表1。

表1 老路路面回彈模量結果

續(xù)表1

3.2 軸載換算

老路路面抗壓模量依據(jù)代表彎沉值Lr=120(0.01 mm)計算，得 Et=136 MPa。

交通量組成(依據(jù)庫爾勒市人民政府提供數(shù)據(jù))。

(1)當以設計彎沉值及瀝青層層底拉應力為指標驗算時，各級軸載均按下式計算

式中:N為以設計彎沉值及瀝青層層底拉應力為指標時的標準軸載的當量軸次(次/d);ni為被換算車型的各級軸載作用次數(shù)(次/d);p為標準軸載BZZ-100(100 kN);Pi為被換算車型的各級軸載，kN;C1為被換算車型軸數(shù)系數(shù);當軸間距大于3 m時，應按一個單獨的軸載計算;當軸間距小于3 m時，雙軸或多軸的軸數(shù)系數(shù)按公式(5)計算，式中:m為軸數(shù)。

C2為被換算車型的輪組系數(shù)，雙輪組為1，單輪組為6.4，四輪組為0.38;K為被換算車型的軸載級別。

由交通量組成按公式(4)計算得:路面竣工后第一年雙向日平均當量軸次N1:3432

設計年限內一個車道的累計當量軸次Ne為

公式參考《公路瀝青路面設計規(guī)范》JTG D50-2006

按式(6)計算得:設計年限內一個車道的累計當量軸次Ne為:7.683×106。

(2)以半剛性材料層的拉應力為設計指標時，各種車輛的前、后軸均應按公式(6)換算成標準軸載P的當量作用次數(shù)N'。

式中:N＇為以半剛性材料層的拉應力為設計指標時的標準軸載的當量作用次數(shù)(次/d);C＇1為軸數(shù)系數(shù);以拉應力為設計指標時，雙軸或多軸的軸數(shù)系數(shù)按式(8)計算，m為軸數(shù)。

式中:C＇2為輪組系數(shù)，雙輪組為1.0，單輪組為18.5，四輪組為0.09。

由交通量組成按公式(7)計算得:路面竣工后第一年雙向日平均當量軸次N＇1:5 546

按式(6)計算得:設計年限內一個車道的累計當量軸次N＇e為:1.242 ×107。

3.3 設計彎沉計算

設計彎沉值應根據(jù)公路等級、設計年限內累計標準當量軸次、面層和基層類型按式(9)計算確定。

取值參考《公路瀝青路面設計規(guī)范》JTG D50-2006

由公式(9)計算得:路面設計彎沉值:ld=27.7(0.01 mm)

3.4 容許拉應力計算

路面結構層擬采用:面層采用中粒式瀝青混凝土(AC-16);基層采用4%水泥穩(wěn)定砂礫(半剛性基層);墊層采用天然砂礫。

計算瀝青混凝土層、半剛性基層以拉應力為設計指標時的容許拉應力材料的容許拉應力σR應按下列公式計算

式中:σR為路面結構層材料的容許拉應力，MPa;σS為瀝青混凝土或半剛性材料的極限劈裂強度，MPa;對瀝青混凝土的極限劈裂強度，系指15℃時的極限劈裂強度;對水泥穩(wěn)定類材料齡期為90 d的極限劈裂強度，MPa;Ks為抗拉強度結構系數(shù)。

對瀝青混凝土面層的抗拉強度結構系數(shù)，按式(11)計算

對無機結合料穩(wěn)定集料類抗拉強度結構系數(shù)，按式(12)計算:

本項目中依據(jù)《公路瀝青路面設計規(guī)范》JTG D50—2006附錄E中表E.1和表E.2得:中粒式瀝青混凝土劈裂強度σS取1.2;水泥穩(wěn)定砂礫劈裂強度σS取0.6。

依據(jù)式(11)、式(12)計算得:瀝青混凝土面層抗拉結構系數(shù)為2.67;水泥穩(wěn)定砂礫抗拉強度結構系數(shù)為1.94。

由式(10)計算得:瀝青混凝土容許拉應力為0.45(MPa);水泥穩(wěn)定砂礫容許拉應力為0.31(MPa)。

3.5 路面結構厚度計算

路面結構設計雙圓均布垂直荷載作用下的彈性層狀連續(xù)體系理論計算。

按新疆地區(qū)路面結構設計經(jīng)驗，初擬路面結構層:面層采用中粒式瀝青混凝土(AC-16);基層采用4%水泥穩(wěn)定砂礫(半剛性基層);墊層采用天然砂礫(為未知結構層)并計算其厚度。

表2

按設計彎沉值計算設計層厚度

設計彎沉ld=27.7(0.01 mm)

當h3=20 cm(天然砂礫厚度)，LS=23.5(0.01 mm)(輪隙中心處路表設計彎沉值)

由于設計層厚度h3=20 cm時LS＜=Ld，故彎沉計算已滿足要求。

(第1層底面拉應力驗算滿足要求)

按容許拉應力驗算設計層厚度，水泥穩(wěn)定砂礫容許拉應力為σR=0.31(MPa)

當h3=43.5 cm(第2層底面拉應力驗算滿足要求)

路面設計層厚度:

h3=43.5 cm(同時考慮彎沉和拉應力)

最后得到路面結構設計結果如下:5 cm中粒式瀝青混凝土+29水泥穩(wěn)定砂礫+44天然砂礫。

［1］公路工程技術標準(JTG B01-2003)［S］.北京:人民交通出版社，2004.

［2］公路瀝青路面設計規(guī)范(JTG D50-2006)［S］.北京:人民交通出版社，2007.

［3］嚴家伋.道路建筑材料(第三版)［M］.北京:人民交通出版社，2004.

［4］鄧學鈞.路基路面工程(第三版)［M］.北京:人民交通出版社，2008.

［5］姚祖康公路路面設計手冊［M］.北京:人民交通出版社，1998.

U416.217

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1008-3383(2012)07-0073-02

2012-05-29