改建公路瀝青路面結構設計分析

賈亞紅

（山西省交通規劃勘察設計院，山西 太原 030012）

1 工程概況

華南地區某一級公路，為雙向六車道，設計車速100 km/h，路基寬度為33.5 m，瀝青混凝土路面結構。2000年通車，已接近既有路面的設計使用年限，近年來路面損壞日益嚴重，為提高服務水平，擬進行改建。本項目全長20 km，改建后路面結構設計使用年限為15年。

項目所在地屬亞熱帶季風氣候，自然區劃屬于Ⅳ-2區，瀝青路面氣候分區屬1-3區，年均降雨量1 047 mm，年平均氣溫15.9℃，月平均氣溫最低為2.6℃，月平均氣溫最高為28.1℃。

2 設計參數及指標

2.1 交通參數

根據現場交通調查和歷史交通數據分析，斷面大型客車和貨車交通量為2 000輛/日,交通量年增長率為5.0%，方向系數為0.56，車道系數為0.5。設計車道初始年日均貨車和大型客車交通量為560輛/日。

根據現場調查，車輛類型分布系數及各車型車輛的累計交通量見表1。

表1 車輛類型分布系數和各車型車輛交通量

根據路網相鄰公路的車輛滿載情況及歷史數據的調查分析，得到各類車型非滿載與滿載比例，如表2所示。

表2 非滿載車與滿載車所占比例 %

根據規范中表6.2.1，對應的設計指標為瀝青混合料層永久變形與無機結合料層疲勞開裂。不同設計指標下各車型對應的非滿載車和滿載車當量設計軸載換算系數，采用設計項目所在地的典型值[1]，如表3所示。

表3 非滿載車與滿載車當量設計軸載換算系數

根據公式（A.4.2）計算得到對應于瀝青混合料層永久變形的當量設計軸載累計作用次數為10 691 696次,對應于無機結合料層疲勞開裂的當量設計軸載累計作用次數為622 785 098次[1]。本公路設計使用年限內設計車道累計大型客車和貨車交通量為4 410 658 pcu/d，設計交通荷載等級為中等交通。

2.2 設計指標

a）路面設計年限為15年。

b）公路自然區劃 根據《公路自然區劃標準》，設計路段為公路自然區Ⅳ-2區，瀝青路面氣候分區屬1-3區。

表4 瀝青混凝土路面設計技術指標表

2.3 既有路面調查

調查表明既有路面主要損壞是車轍、橫向裂縫和網裂。

東段路面損壞嚴重，基層結構性損壞嚴重，同時瀝青面層損壞嚴重。路面損壞狀況評價等級為中，且路表彎沉值較大，落錘式彎沉儀檢測彎沉代表值為40（0.01 mm），結構強度評價等級為差。

西段路況較好，路面損壞狀況評價等級為良，落錘式彎沉儀檢測彎沉代表值為26（0.01 mm），結構強度評價等級為良。

公路沿線路基狀況和水文條件良好，主線橋梁和其他構造物結構狀況良好。

3 路面結構計算

采用瀝青路面結構分析軟件（APAD）進行計算。

3.1 初擬路面結構

表5 初擬路面結構（東段）

表6 初擬路面結構（西段）

3.2 路面結構驗算

3.2.1 瀝青混合料層永久變形驗算

根據表G.1.2，基準等效溫度Tξ為22.1℃，由式（G.2.1）計算得到瀝青混合料層永久變形等效溫度分別為：東段23.7℃、西段22.1℃，可靠度系數為1.28[1]。

根據B.3.1條規定的分層方法，將東段瀝青混合料層分為6個分層,將西段瀝青混合料層分為10個分層[1]，各計算結果匯總于表7、表8中。

各層永久變形累加得到瀝青混合料層總永久變形量分別為：東段Ra=1.5 mm、西段Ra=2.0 mm，根據表3.0.6-1，瀝青層容許永久變形為15.0 mm，擬定的路面結構滿足要求。

表7 瀝青層永久變形計算結果（東段）

表8 瀝青層永久變形計算結果（西段）

3.2.2 無機結合料層疲勞開裂驗算

根據彈性層狀體系理論，計算得到無機結合料層層底拉應力為：東段0.321 MPa、西段0.305 MPa。根據氣象資料，工程所在地區凍結指數F為15.0℃·日，按照表B.1.1，季節性凍土地區調整系數ka取1.00。根據式（B.2.1-2），現場綜合修正系數為-0.981[1]。

根據工程所在地區，查表G.1.2得到基準路面結構溫度調整系數為1.35，根據初擬路面結構和路面結構層材料參數，按式（G.1.3-1）計算得到溫度調整系數 kT2為：東段 1.14、西段 1.51。由表 B.2.1-1，對于無機結合料穩定粒料，疲勞開裂模型參數a=13.24，b=12.52。彎拉強度為：東段 1.8 MPa、西段1.6 MPa[1]。

根據以上參數，按式（B.2.1-1）計算得到無機結合料層底疲勞壽命分別為：東段1 735 945 818軸次、西段690 272 364軸次[1]。

3.2.3 貫入強度驗算

公路所在地區月平均氣溫大于0℃的月份數為12個月，由此得到對應于貫入強度驗算的設計車道累計設計軸載作用次數Ne5為10 691 696。所在地區月平均氣溫大于0℃的各月份氣溫平均值為15.9℃。根據公路等級，參照表3.0.6-1，得到瀝青混合料層容許永久變形量為15.0 mm。路面結構系數根據式（5.5.8-2）計算為：東段0.88、西段0.86。瀝青混合料層的綜合貫入強度由式（5.5.8-3）確定為：東段 0.65 MPa、西段 0.70 MPa。根據式（5.5.8-1），得到瀝青混合料層的貫入強度要求值為：東段0.51 MPa、西段0.50 MPa。所以，擬定的路面結構和材料滿足貫入強度要求[1]。

3.2.4 路表驗收彎沉值

采用附錄B.7節規定荷載，采用彈性層狀體系理論計算得到加鋪后路面結構路表驗收彎沉值分別為：東段 13.4（0.01 mm）、西段 18.5（0.01 mm）[1]。

3.3 計算結果

各項驗算結果匯總如表9、表10所示。

表9 分析結果匯總（東段）

表10 分析結果匯總（西段）

由表9、表10可知，所選路面結構和材料能滿足各項驗算內容的要求。

4 路面結構設計方案

根據病害現狀，結合路線縱坡，擬從結構修復、路面封水和改善表面功能3個方面來著手解決：

a）既有路面破損不嚴重且結構性能較好的路段可參照現行《公路瀝青路面養護技術規范》對局部病害處治后進行加鋪。

本項目的西段首先對原有病害進行處治或銑刨原瀝青面層，然后將表面清理干凈后撒鋪黏層油，最后加鋪4 cm的AC-13細粒式密級配SBS改性瀝青混凝土。

b）既有路面破損嚴重或結構性能不足的路段，宜采用整體性處理方式。處理深度和范圍應根據路面破損程度、層位和處理工藝確定。

本項目的東段路面破損嚴重，因此銑刨原瀝青面層，對基層進行補強或銑刨后重新鋪筑瀝青面層和基層后，按上面層4 cm的AC-13細粒式密級配SBS改性瀝青混凝土，下面層采用6 cm的AC-20中粒式密級配瀝青混凝土（摻0.3%的抗車轍劑），基層采用30 cm的水泥穩定碎石鋪筑。

對下面層摻配抗車轍劑，可以有效提高瀝青路面的高溫穩定性能，減緩車轍的發生及降低車轍深度。

表11 路面結構設計方案表

5 其他注意事項

a）確定改建設計方案時，應充分利用既有路面結構性能，最大程度地節能減排，減少環境污染；做到廢物利用，減少材料消耗，并積極穩妥地利用再生后的混合料。

b）改建設計應采用動態設計理念，工程實施階段應逐段調查分析現場路況，動態調整改建方案。

c）由于該項目年均降雨量較大，同時又是改建工程，所以需重新設置排水系統或采取措施提高原排水系統的排水能力。

d）應考慮施工期交通組織設計和臨時安全設施設計。

e）交工驗收時，其抗滑技術指標應滿足表12的技術要求。

表12 抗滑技術要求

6 結語

與舊規范相比，新規范的主要優點有：

a）規范了軸載譜及交通參數的調查分析方法，強調按實際情況做好交通荷載分析與預測，按照全壽命周期成本的理念進行路面設計。

b）引入了溫度調整系數和等效溫度。

c）改變了路面材料的設計參數，調整了相應測試和取值方法。

d）增加了瀝青混合料層永久變形量、路基頂面豎向壓應變和路面低溫開裂指數設計指標，改進了瀝青混合料層和無機結合料穩定層疲勞開裂預估模型，取消了路表彎沉設計指標[1]。