山嶺重丘區公路路面結構設計

馬學勤

（原陽縣公路管理局，河南 新鄉 453500）

1 引言

河南省境內焦作至新鄉二級公路K3+500-K6+500 段，地處山嶺重丘區，地勢起伏、地形復雜。該路段設計車速為80km/h，設計使用年限12 年。 該路段沿線為松散黏性土與砂土互層，地下水位2.5m，為松散巖類孔隙水，年平均降水量696mm。

2 路面結構設計

本段道路設計為二級公路，依據規范應選擇高級路面。 瀝青混凝土高級路面具有施工進度快、便于養護、修補和易于分期施工等優點。 水泥混凝土高級路面則具有強度高、經久耐用、穩定性強、平整度和粗糙度好等優點。 但是考慮到本工程要求工期短、易就地取材和便于養護等實際，設計采用瀝青混凝土路面。

瀝青路面在進行結構設計時， 一般選擇基于雙圓均布垂直載荷的彈性層狀連續體理論，計算簡圖如圖1 所示。

圖1 路面荷載計算示意圖

以路面回彈彎沉值為指標， 驗算瀝青混凝土層底拉應力或半剛性材料層底拉應力作為二級公路路面結構設計的依據。本段路面設計的標準軸載為雙輪組單軸載100KN。

(1) 當驗算瀝青層底拉應力時

各級軸載可按下式計算：

式中：N-標準軸載的當量軸次，次/天；ni-各級軸載作用次數，次/天；P-標準軸載，KN；Pi-各級軸載，KN；C1-軸載系數；C2-輪組系數；k-被換算車輛類型數。

(2)當驗算半剛性材料層底拉應力時

各級軸載可按下式計算：

根據本工程實際情況和規范中規定的二級公路要求，計算得知該路面在使用年限內單個的車道累計標準軸次500 萬次。 因此，設計采用雙層式結構的瀝青混凝土，表面層為厚度60mm 的細粒式密級配瀝青， 下面層為厚度80mm 的中粒式密級配瀝青。 基層設計為厚度200mm 的水泥穩定碎石，底基層設計為厚度180mm 的石灰穩定土底。 路面結構如圖2 所示。

圖2 路面結構示意圖

3 設計參數驗算

3.1 土基回彈模量設計

本路段路基土為中濕的黏性土， 根據 《規范》(JTG D50-2006)查得路基平均稠度為1.05，進而可得土基回彈模量設計值為41.5MPa。

3.2 抗壓模量計算

根據本段工程地質參數及實際施工參數， 查規范得驗算設計彎沉時20℃抗壓回彈模量和驗算面底彎拉應力時15℃抗壓模量，如表1 所示。

3.3 設計彎沉值計算

設計彎沉值按下式計算：

式中：ld-設計彎沉值，取0.01mm；Ne-設計年限內一個車道累計當量軸次；Ac-公路等級系數， 二級公路為1.1；As-面層類型系數，瀝青混凝土面層為1.0；Ab-基層類型系數，半剛性基層Ab=1.0。

本路段設計為瀝青混凝土面層二級公路， 取Ac=1.1，As=1.0，Ab=1.0，代入公式(3)得：ld=27.4383(0.01mm)。

3.4 容許拉應力計算

瀝青混凝土面層、半剛性材料基層、底基層按彎拉應力為設計指標時，材料的容許拉應力σR按下式計算：

式中：σR-材料容許拉應力，MPa；σR-材料極限抗拉強度，MPa；KS-抗拉強度結構系數。

無機結合料穩定細粒土的抗拉強度結構系數， 按下式計算：

本路段底基層材料為石灰穩定土， 其抗拉強度結構系數按(5)式計算為：KS=2.232。

代入式(4)計算得容許拉應力：σR=0.112MPa。

綜上所述，路面各設計參數如下表1 所示。

表1 路面結構設計參數

式中：F-彎沉綜合修正系數；ls-路面計算彎沉值，0.01mm；p-輪胎接地壓強，MPa；δ-輪胎當量圓半徑，cm；ac-理論彎沉系數；E0、En-土基回彈模量值，Mpa；E1,E2,En-1-各層材料回彈模量，Mpa；hi-各結構層厚度，cm。

根據表1 中及其它設計參數， 計算得路面實際彎沉值為26.27(0.01mm)，滿足設計要求。

3.5 層底拉應力驗算

層底拉應力取以單圓中心B 點或雙圓輪隙中心C 點二者之間較大值作為層底拉應力計算點，層底最大拉應力為：

根據設計計算參數可計算得石灰土底基層底面最大拉應力為0.096MPa，小于容許應力0.112MPa。 因此，路面厚度設計滿足設計要求。

4 結論

通過對河南焦作至新鄉山嶺重丘區二級公路路面的結構設計可以得到：

(1)考慮到本設計路段要求工期短、易就地取材和便于養護等實際，設計采用瀝青混凝土高級路面。

(2)設計采用雙層式瀝青混凝土面層結構，表面層為厚度60mm 的細粒式密級配瀝青， 下面層為厚度80mm 的中粒式密級配瀝青；基層設計為厚度200mm 的水泥穩定碎石，底基層設計為厚度180mm 的石灰穩定土底，可滿足道路設計要求。

(3)經驗算，路面彎沉和厚度符合要求，可為其它山嶺重丘地區公路路面結構設計提供有益參考。

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