重載交通道路結構性設計理念

陸敬花

（常州市長潤交通工程設計有限公司 常州 213000）

隨著我國經濟的發展，公路運輸呈現出大交通量和重載交通的特點，并且超載現象十分普遍和嚴重，由此引起的道路結構性損壞更加凸顯和難以解決，特別是礦山、水泥等重工業基地的運輸車輛荷載超大，交通量狀況多為重載或特重載交通，且具有車輛連續通過的運輸特征。近年來，在江蘇溧陽抽水蓄能電站對外公路及部分場內施工道路工程、239省道社諸段和溧陽市金峰水泥廠專用道路新建工程等項目中，先后進行試驗分析研究，并對運營期間的路用性能及變化情況進行了系統的跟蹤研究，逐步形成了針對重載交通的道路結構性設計理念，成功推出了新型組合道路結構模式，通過水泥混凝土面層（內含鋼筋網片）與碾壓混凝土基層的組合設計，來提高道路承載能力，滿足重載交通對道路功能性的需求。

1 道路設計理論間的不協調

《公路瀝青路面設計規范》（JTG D50－2006）以靜力學為基礎的彈性層狀體系，與路面的真實受力狀況偏差較大，表現為路面的早期病害嚴重，除了部分是施工因素外，行車荷載是主要原因，重載車輛車速較低，對路面結構的影響卻很大。因此，路面結構應從動力學的角度來探討，路面材料和結構的動態響應狀況的性能研究應作為路面設計發展的未來趨勢，同時也可以順應汽車制造及發展的方向。

《公路水泥混凝土路面設計規范》JTG D40－2011對路床頂面的綜合回彈模量值控制要求為：輕型交通綜合回彈模量值E不小于40MPa，中／重型交通綜合回彈模量值E不小于60MPa，特重／極重型交通綜合回彈模量值E不小于80 MPa，對不能滿足的可以采用粗粒土或低劑量無機結合料穩定土做路床或上路床填料，當路基工作區地面接近或低于地下水位時，更換填料和設置排水滲溝等。

但是現行《公路路基設計規范》（JTGD30－2004）與上述設計指標均不協調，缺乏路基結構性設計支撐，規范僅從路基材料的CBR指標和各層路基的壓實度進行考量，對路基結構組合的性能缺乏系統的控制，路基結構性（強度和模量）的變化與自然環境以及地下水位之間的相互影響狀況未納入路基設計理論，這是直接導致路基損壞變形的根本原因。路基的承載功能的缺失或衰減是道路結構破壞的主因。

路基設計理論中僅按經驗性要求提出路床即路面底面80cm范圍的路基部分的填料和壓實度的控制性要求，這個要求對應的車輛荷載為汽－20的年代，隨著汽車運輸和制造業的高度發展，這個經驗性控制指標極端脫離現實，大型重載車輛多軸多輪的荷載呈日益增長的趨勢，應充分考慮汽車荷載作用下的路基變形和道路環境條件及變化的問題，對路基進行結構性設計控制，針對汽車荷載的等級確定各種路面結構下的路基工作區深度。

同時，現行規范中的路基平衡濕度表征用稠度和含水量，由于稠度僅是粘性土的濕度狀態的反映，具有一定的局限性，含水量也無法準確反映對回彈模量的影響。路基的濕度應引入飽和度和基質吸力來作為控制指標，這樣更貼近路基工作具體環境。基質吸力是對非飽和土的濕度狀況進行表征，基質吸力的大小受土的孔徑大小的影響，在環境條件下，基質吸力的大小受外界平衡相對深度的影響，土的孔徑分布決定了土水的特征曲線的特征。

彎沉作為反映道路結構強度的力學指標，是道路各結構層厚度和剛度、溫度和濕度、交通狀況及結構層齡期等的綜合反映。對于一定的道路結構而言，彎沉值的大小主要取決于作用荷載的性質及荷載大小，荷載作用時間和加載過程等。但道路結構破壞的根本原因是由于過度的應力或應變，而不是由擾度造成的，僅靠彎沉值來評價道路的結構承載力并不能完全反映真實情況。路基土的特性為非線性彈塑性材料，具有應力依賴性，并隨其濕度和密實度狀態變化。理想的承載力評價應以應力、應變為基礎，評價的關鍵是確定道路的各層彈性模量，只有獲取各層的模量和厚度，才可通過彈性層狀體系理論進行計算。路基結構應與路面設計規范相協調，以路基回彈模量為設計指標。路基永久變形控制的設計方法是限制路基土的應力水平，保證路基土不發生剪切破壞或者使它們在重復荷載作用下產生的永久變形趨于穩定，所產生的累積永久變形量控制在有限的容許范圍內，不對路表面的車轍和面層的開裂產生不利影響。

當然，路基的結構性設計應結合公路等級、路基填挖高度、路面結構形式等，合理選擇路基結構形式。路基填方高度的確定應遵循路基設計洪水頻率及設計洪水位的要求，還要確保路基處于中濕狀態的臨界高度，滿足路基工作區的深度和道路凍結深度的要求。基層對于保證路面的整體強度和穩定性、延長其使用壽命具有非常重要的作用。

路面與路基間的連接問題也應引起高度的重視，基礎的平整度，連接層間的防排水層的設置，降低路基頂面應力水平的路基、路面結構組合的優化，都將隨著對道路和車輛工作特性的理解深化，多層體系的動力響應理論的完善，基層和面層之間加入瀝青防水層，或基層以下做成級配碎石和低劑量水穩的組合層都對反射裂縫具有防止效果，這種組合型結構設計正在通過試驗路段進行驗證，逐步形成重載交通道路結構性設計理念，將引領實施基礎設施建設先行的偉大目標。

2 工程應用中道路結構性設計的經驗

2.1 蓄能抽水電站對外公路及部分場內施工道路工程

江蘇溧陽抽水蓄能電站地處溧陽市天目湖鎮，是繼沙河抽水蓄能電站、宜興抽水蓄能電站建成后開工建設的第3座抽水蓄能電站。蓄能抽水電站對外公路及部分場內施工道路工程，路線起于社渚至平橋公路一期工程終點處，然后沿老路分別穿越富子芥村、新屋場村、新屋底村、前頭園村，最后終于241省道。路線全長5.594km，道路設計技術標準為山嶺重丘三級公路標準，根據《江蘇溧陽抽水蓄能電站對外公路及場內改建公路規劃》的內容，場內設有生活辦公營地和生產區，綜合規劃后期營運和前期建設施工荷載的要求，場內橋涵設計荷載由業主提供的特種荷載，路線經過的生活辦公營地設計橋涵荷載標準為汽－40，掛－300，生產區設計橋涵荷載標準為汽－80，掛－300。

水文地質狀況：沿線地下水類型主要為上層滯水，由大氣降水及地表河流補給為主，水位隨季節變化，水量一般不豐。靜止水位埋深較深。在勘探所達深度范圍內，可分為兩個大的巖性特征層，地層成因為沖洪積，由上至下分別為亞粘土和粉砂夾層，以及密實低等壓縮性并含有粉土薄層的強風化巖層，局部山體凸處土層下3～5m有堅實巖層，層厚未曾揭示，呈零星分散狀分布。

場內根據等高線分布走勢情況，設置山體截流溝設施，道路縱坡較大，路基多高于道路兩側邊溝，沿線道路排水設施通暢。挖方山體巖石層面設置深厚的級配碎石墊褥層，縱橫向填挖分界線兩端也設置深厚的級配碎石墊褥層，均衡基層材質的不均勻性，級配碎石呈鎖結密實結構，厚度高達80cm，搭接處延伸出界限外20m。路基壓實度按現行規范，路基一般處于中濕狀態。

路面結構采用水泥混凝土路面，生活辦公營地汽－40，掛－300段路面采用28cm鋼筋混凝土，內設直徑8mm、間隔15cm×25cm的鋼筋網格。生產區汽－80，掛－300段路面采用34cm鋼筋混凝土，內設直徑12mm間隔15×25cm的鋼筋網格。結構計算理論為：半無限地基上板的有限元理論為計算模式，利用疲勞斷裂力學理論與方法，在交通荷載和溫度荷載的循環作用下，材料由于荷載循環作用造成損傷的積累導致的斷裂破壞為控制指標。

但在實際道路施工期間，由于蓄能電站壩體需要大量石料，建設工期較短，施工組織設計在對外道路水泥穩定基層施工與養護完成后，重載車輛就在基層上連續行使，表征上基層的密實度得到提高，但實際上由于荷載過大頻率過高，對基層以下連續完整的結構體系造成結構內部存在缺陷，并在使用過程中逐漸出現和加劇缺陷，正是由于其內部存在的缺陷引起的應力集中與內部損傷，累積超過材料與結構抵抗破壞的容許值時，內部缺陷的發展導致了結構的破壞。水穩基層頂面的不平整性損壞僅進行了一般的補強調平處理，但以下的內部損傷未得到重視，面板和地基在運營過程中很快就不完全接觸，局部脫空的存在導致混凝土板塊斷裂出現，且多為板角斷裂破壞，預計是路肩和路床的變形差異造成的。

路面設計規范的疲勞累積的控制性指標在當今車輛荷載突變的情況下，重載交通的一次塑性破壞問題在日常工作中應予以警示，路床深度80 cm的約定不能真實地反映路基的實際工作性狀，動態關注車輛荷載對路基工作區深度的影響變化，原則遵守工作區深度為荷載應力與路基自重應力的比值小于（0.1～0.2）的范圍。一般經驗值為瀝青路面下路基工作區深度：單軸雙輪100kN影響深度在0.9～1.9m，三軸雙輪130kN影響深度在1.6～3.0m。水泥混凝土路面路基影響深度在1.10～2.10m。

2.2 239省道社諸段400m試驗路工程

239省道常州段全長58km，通車11年大修3次，維修費用已經超過4億元。超限超載的車輛大多為運載石料、建材、鋼鐵等大宗物資的變型拖拉機、農用改裝車。239省道社諸段擁有溧陽的兩家水泥廠，一家日消耗礦石5萬t，一家日消耗7 000多t。為這兩家水泥廠運送原材料的250多輛農用車、變型拖拉機，核載1t的裝載35t，核載13t的裝載50t，核載15t的裝載65t。它們進出必經239省道，都是239省道常州段的“超級殺手”。為徹底解決重載以及超重載交通的道路結構性設計問題，應業主的委托，我院迅速組織人員，在239省道社諸段重載車集中路段選取400 m試驗路作為科研試點，并對工程進行跟蹤調研。

道路試驗段位于社諸段，地勢平坦，路床為多年碾壓密實結構，試驗段采用挖除表面松散的路面和路基，驗證下承層的石灰土質量，經充分晾曬后，其上做20cm低劑量水泥穩定碎石墊層和36 cm的水泥穩定碎石基層，路面做30cm厚的地梁，雙層配置鋼筋網片。

運營過程中，由于道路坡度較緩，周邊單側邊溝的水位汛期略高，導致路基處于飽水狀，車輛碾壓時，從路面和路基夾層間有細小泥漿唧出，車輛駛過，泥漿即被吸回層間空隙。基層整體狀況尚好，路面地梁完好。考慮層間吸力回流的水系對基層的淘蝕勢必損壞路基的整體性，由于道路已經建成，則采用高壓注漿的方式填補層間空隙處理病害。

由于地下水位和土體的基質吸力對路基濕度的影響，以及自然氣候因素等等，實際運營期間，路基的含水量要比初期高7%左右。因此，在常州地區年降雨量為600mm以上的地方，路基土的滲透系數小于10～4mm／s的交通干道應設置路面內部排水系統，由透水性填料集水溝形成完整的排水體系，并使其與道路兩側邊溝相溝通，同時應注意不同土質的基質吸力影響因素，在路基和路面連接層做瀝青封水層，這已經在新的水泥混凝土規范中被明確要求。

2.3 溧陽市金峰水泥廠專用道路新建工程

溧陽市金峰水泥廠專用道路新建工程，吸取上述兩工程的經驗和教訓，采用連鹽高速公路的成功經驗，應用低劑量水穩和碾壓混凝土相結合的復合式地基形式，提高路基的強度和穩定性，確保路基的施工壓實度要求，提高地基的承載力，同時滿足工程地下水位高的特點。

碾壓混凝土（roller compacted concrete，RCC）是采用單位用水量少，坍落度為0的特干硬性水泥混凝土拌和物，使用瀝青攤鋪機攤鋪、壓路機碾壓密實成型的一種混凝土基層，與一般穩定類的基層、二灰碎石等常用半剛性基層材料相比，具有節約水泥、收縮小、施工速度快、強度高、耐久性強、抗凍性能和抗沖刷能力好、造價低、開放交通早等技術和經濟上的優勢，這種基層類型非常適合重交通改建工程。

道路碾壓混凝土具有在高溫下性能穩定的特性，其中的水泥膠結料屬于水硬性材料，故其水穩定性極佳，道路碾壓混凝土不會發生老化現象，耐磨耗性、耐油性等耐久性均較好，使用壽命長，維修費用少，對于重交通道路的厚面層結構，采用碾壓混凝土可節約初期工程投資。

溧陽市金峰水泥廠專用道路新建工程路面結構設計采用30cm鋼筋混凝土面層、瀝青封水層、20cm的碾壓混凝土、20cm的低劑量水泥穩定墊層。對于特重交通量，各層材料性能分別為：面層混凝土設計彎拉強度fcm＝5.5MPa，彎拉彈性模量Ec＝31 000MPa；碾壓混凝土抗彎拉強度4.0MPa，7d抗壓強度15MPa，28d抗壓強度30 MPa，28d抗折強度3.5MPa，壓實度100%。彎拉回彈模量27 000MPa；低劑量水泥穩定碎石回彈模量750MPa，彎沉控制80（0.01mm）；土基頂彎沉控制150（0.01mm）。面層混凝土內設直徑10mm、間隔20cm×25cm的鋼筋網片。

設計計算模式：碾壓混凝土做基層時，基層與混凝土面層視作分離式雙層板進行應力分析，對上、下層板在臨界荷位處的荷載疲勞應力和溫度疲勞應力進行計算。

碾壓混凝土的材料要求：重交通及以上交通等級道路、城市快速路、主干道采用強度等級42.5級以上的道路硅酸鹽水泥或普通硅酸鹽水泥。碾壓混凝土面層的混凝土的集料公稱最大粒徑不宜大于19mm，非冰凍地區水泥用量不得少于280 kg／m3。

碾壓混凝土作為道路基層主要承擔由面層傳來的車輛荷載的垂直力，并把它擴散到墊層或土基中。因此，要求基層有足夠的強度和剛度，也要有足夠的平整度和水穩性。碾壓混凝土組合結構的應用初期投資費用較高，但從全壽命周期考慮，還具有很強的經濟適用性，安全可靠度也高，在長三角地區地下水位較高重載交通的道路結構設計中會被越來越多地運用。溧陽市金峰水泥廠專用道路新建工程在運營期間，局部出現細小橫向裂紋，整體效果顯著。

碾壓混凝土的拌和機可采用普通混凝土拌和機，由于碾壓混凝土的含水量小，屬于干硬性混凝土，混合料不易拌和均勻，所以拌和時間要適當加長。在運輸混合料時采用汽車運輸，運料車必須覆蓋篷布，以免遭受日曬或雨淋。攤鋪碾壓混凝土的施工速度主要受拌和能力和布料速度的影響，所以選擇合適的布料方式和機械是非常重要的。碾壓混凝土是一種低水泥用量干硬性的混凝土，和易性相對較差，在運輸和攤鋪過程中易分離，整體抗滲性能較常態混凝土差，如果層問結合面處理不好，極易形成滲漏通道，施工期間應引起高度重視。

3 結語

重載交通道路結構性設計在道路結構中主要包括路用材料分析和路基、路面結構分析兩大類，路用材料的分析主要是通過研究路用材料的特性，尋求提高路用材料韌度和阻止病害擴展的途徑。系統的開展材料動態性能的研究和動態參數試驗的研究，逐步用動態參數取代靜態參數。路基、路面的結構性分析的目的則是合理設計道路結構，降低路基路面裂縫應力強度，減緩裂縫的擴展速率，延長道路使用壽命和運營狀態。道路結構性設計采用結構動力學原理分析路基路面結構的響應，更加準確地得到道路結構的受力狀態，了解相關檢測分析的技術理論，為新建重載交通道路結構設計和已有道路運營狀態的評估提供分析方法和手段。

隨著碾壓混凝土施工技術的改進與提高，加之一些專用設備的采用，碾壓混凝土路基作為重載交通結構設計已獲得具體工程的驗證，取得了可貴的經驗。目前，施工技術和檢測方法也逐漸完善。不論是大型工程，還是局部改擴建工程，施工方便快捷。初期也可作為施工道路的面層承擔施工期間的材料駁運，后期路面結構續建也可有機地連接。因此，重載交通道路結構性設計的新型組合道路結構模式，應為水泥混凝土面層與碾壓混凝土基層的組合設計。