京臺高速公路濟泰段改擴建工程路面結構差異化設計

宋曉莉

（山東省交通規劃設計院集團有限公司，山東 濟南 250031）

1 工程概況

京臺高速公路是國家高速公路網中的放射線之一，連接了北京、天津、濟南、合肥、福州和臺北等城市，構成了北京向南輻射的快速主干通道。目前，京臺高速山東境內的四車道路段，即德州（魯冀界）至齊河（約93.1 km）、泰安至棗莊（魯蘇界）（約189.5 km）正在按雙向八車道標準實施改擴建；京臺高速山東境內的六車道路段（齊河至泰安段）擬實施改擴建，其中濟南至泰安段（約53.3 km）擬由六車道改擴建為八車道[1]。

2 原老路路面養護情況

自1999年全線建成通車，實施了較為完善的養護工作。自2007年，每年均進行路面的專項維修，對路面進行連片的銑刨挖補。截止2018年，大部分的老路病害已經進行了維修。養護大修后行車道典型路面回鋪結構為4 cm瀝青瑪蹄脂碎石（SMA-13）+7 cm中粒式改性瀝青混凝土（AC-20）+8 cm粗粒式瀝青混凝土（AC-25）+13 cm改性瀝青碎石+15 cm水泥穩定碎石+34 cm石灰土，路面結構層總厚度為81 cm；但硬路肩部位僅加鋪了4 cm的SMA-13面層，即4 cm SMA-13（改性）+4 cm AC-16（改性）+5 cm AC-20（改性）+6 cm AC-30+基層為28 cm水泥穩定碎石+34 cm石灰土。現狀京臺老路的行車道與硬路肩的現狀路面結構不一致。根據路面結構檢查報告，維修養護后的京臺高速濟南至泰安段老路面層主要病害為條狀修補、裂縫類病害主要以橫向裂縫為主，原有路面結構具有較高的承載能力，半剛性基層可以為行車荷載提供足夠的強度。

3 新舊路面拼寬設計

項目拼寬寬度為3.25 m，拼寬路面部位基本位于拼寬新建高速的硬路肩，硬路肩部位僅供臨時車輛通行，如果采用山東地區典型的柔性基層路面結構進行拼寬，既不經濟也無必要。因此，對平縱線形都沒有調整的拼寬路段的路面結構進行了差異化設計，即拼寬部位的柔性基層由LSPM-25或是ATB-25變為級配碎石柔性基層。（1）具體路面拼寬結構：挖除老路硬路肩19 cm瀝青面層，重新鋪筑8 cm AC-25C+11 cm廠拌熱再生瀝青混合料或ATB-25；（2）非超高路段拼寬新建硬路肩路面結構：4 cm改性SMA-13+6 cm改性AC-20C+19 cm 級配碎石柔型基層+2×18 cm水泥穩定碎石基層+18 cm廠拌冷再生水泥穩定銑刨料或水泥穩定碎石底基層。

3.1 拼寬部位路面結構模型計算

3.1.1 模型構件

根據改擴建拼接情況建立模型，見圖1。

圖1 路面結構模型

由圖1可知，左幅（X軸負向）為4 cmSMA-13 +6 cmAC20+8 cmAC-25+11 cmATB+28 cm水泥穩定碎 石基層+34cm石灰土；右幅（x軸正向）為4 cm SMA-13+6 cmAC20+19 cm級配碎石+28 cm水泥穩定碎石基層+34 cm石灰土。根據《公路瀝青路面設計規范》（JTG D50—2017）考慮軸對稱，施加雙圓均布荷載，見圖2。荷載為雙圓均布荷載，施加于接縫左側75 cm處，荷載中心處記為（0，0）點[3-4]。

圖2 荷載施加效果

3.1.2 拉應力計算

在雙圓均布荷載處計算求得各層層底最大拉應力見表1，應力云圖見圖3 。

表1 應力計算結果

圖3 應變云圖

在雙圓均布荷載處計算求得各層層底最大應變見表2，其中負值表示壓應變，正值表示拉應變。

表2 各層層底最大應變

在雙圓均布荷載處計算求得層頂最大彎沉為 20.88（0.01 mm）。在雙圓均布荷載作用處6 cmAC-20瀝青層層底延X軸正方向按照不同距離選取11個點計算其應變變化，結果見圖4。

圖4 橫向應變變化

由圖4可知，荷載處層底為拉應變，其值為 19.4 με，隨著距離荷載中心位置逐漸變遠，應變由拉應變轉化為壓應變，在距離荷載中心處75 cm處即兩幅路面接縫處取得最大壓應變，其值為53.7 με。

在雙圓均布荷載作用處6 cmAC-20瀝青層層底延X軸正方向按照不同距離選取11個點計算其彎沉變化，結果見圖5。

圖5 橫向彎沉變化

由圖5可知，荷載作用處取得最大彎沉，其值為20.35（0.01 mm），延X軸正方向的彎沉逐漸遞減。在雙圓均布荷載作用處6 cmAC-20瀝青層層底延X軸正方向按照不同距離選取9個點計算其應力變化，結果見圖6。

圖6 橫向應力變化

由圖6可知，荷載作用周圍存在最大應力，其值為0.525 MPa，沿X軸正方向的應力逐漸遞減。

由ABAQUS計算可得荷載作用中心處11 cm瀝青穩定碎石處的應變為5.54 με，距離荷載作用處75 cm即接縫處的應變為53.7 με，將左幅老路路面結構帶入BISAR進行計算可得雙圓均布荷載作用處11 cm瀝青穩定碎石處的應變為4.72 με，經過等比例外推可得距離荷載作用處75 cm即接縫處的應變為45.7 με。

左側為ABAQUS計算結果，右側為BISAR計算結果。將按比例求得的應變45.7 με帶入《公路瀝青路面設計規范》（JTG D50—2017）的瀝青層疲勞預估模型，求得瀝青混合料層疲勞開裂壽命為10.3×107次，表明在行車道上作用10.3×107標準軸次后，硬路肩理論上可能出現疲勞開裂。根據本項目的交通量預測，計算得到車道標準軸次3.7×107，小于柔性基層的疲勞開裂壽命，因此，柔性級配碎石作為硬路肩的柔性基層沒有問題。

4 結語

依托京臺高速公路濟南至泰安段改擴建工程，詳細介紹了改擴建工程路面結構差異化設計的問題。該項目采用差異化路面設計，既節省造價又滿足高速公路行車荷載的需求。