毛九線共振碎石化路面結構設計計算探討

李婷婷

(中交公路規劃設計院有限公司，北京 570100)

1 工程概況

本項目起點位于抱由鎮西南側，迎賓路與樂福南路交叉口北(K47+118)，順接迎賓大道，為六車道市政路。沿著現狀省道S313布線，線位基本與原路重合，經掃水、抱由鎮綜合農場、畜牧場、水梅村后，沿原毛九線線位穿越千家鎮鎮區，繼續沿既有道路向南延伸，經抱用村、溫仁村、跨越G98高速(利用現有橋梁)，終于已建九所鎮(K91+294.2)，與“九龍大道”市政路起點位置，路線全長44.176 km。

該項目采用共振碎石化路面結構設計，目前此類結構路面實際工程較少，缺乏設計施工參考依據，本文基于《公路瀝青路面設計規范》(JTG D50—2017)的驗算方式，使用毛世懷公路路面設計系統對共振碎石化路面結構彎沉進行驗算，比較其與正常、同等等級下瀝青混凝土路面的結構彎沉，論證該項目共振碎石化路面結構設計的合理性，并闡述了碎石化施工工藝，供類似工程設計施工參考。

2 交通量計算

2.1 交通組成及交通量

按照相關規范[1]要求，不同車型折算系數如圖1所示。項目沿線千家交通量觀測站2019年1月～2019年6月的數據見表1。

圖1 不同車型折算系數示意

表1 千家觀測站2019年1～6月交通量情況

2.2 交通量計算

基于項目沿線千家交通量觀測站數據、采用二級公路交通模型預測，其中交通量計算參數取值見表2，車輛滿載率比例見圖2[2]。

表2 交通量計算參數取值情況表

圖2 車輛滿載率比例

計算得：在設計使用期內，設計車道大型客車和貨車交通量總計值預測為1.94×106輛，此類車型初始年的交通量計算值為379輛/日，所以毛久路設計交通荷載等級為輕。

開展瀝青混合料和無機結合料穩定層疲勞驗算時，均取設計使用期內的當量設計軸載累計作用次數[3]，結算分別為3.21×106次和1.036×108次。

進行瀝青混合料層永久變形量和路基頂面豎向壓應變計算時，分別取通車至第一次車轍維修期限間的當量設計軸載累計作用次數及設計使用年限內的當量設計軸載累計作用次數，計算結果分別為1.21×106次和4.59×106次。

3 路面結構設計

3.1 共振碎石路面結構計算

毛久線改造項目采用共振碎石化路面結構設計，此類路面結構在實際工程中應用就少[4]，本文在整理及了解該項目共振碎石化設計方案后，確定共振碎石化設計指標要求，共振碎石化層頂面模量要求不小于300 MPa。全厚度范圍內碎石化層粒徑為8～20 cm，與路面形成35°～40°夾角。

(1)材料參數選擇

該改造工程路段各結構層厚度及材料參數如圖3所示。

圖3 各層厚度及參數取值情況

(2)第3層無機結合料穩定層疲勞開裂驗算

根據原路面結構設計概況，對該層面無機結合料穩定層疲勞開裂進行驗算。計算結果見表3。

表3 第3層無機結合料穩定層疲勞開裂驗算

(3)第5層無機結合料穩定層疲勞開裂驗算

根據原路面結構設計概況，對該路面無機結合料穩定層疲勞開裂進行驗算。計算結果見表4。

表4 第5層無機結合料穩定層疲勞開裂驗算

(4)瀝青混合料層永久變形量驗算

永久變形量計算的等效溫度為30.3 ℃，通車至第一次車轍維修期內當量設計軸載累計作用次數為1.21×106軸次。分5層計算。第1層、第2層、第3層、第4層、第5層永久變形量計算結果分別為0.32、0.86、1.50、1.07和0.62 mm。總變形量為4.37 mm，小于其允許值20 mm。

計算表明：瀝青混合料層永久變形量驗算滿足要求。

(5)彎沉計算

第1層和第2層車轍試驗動穩定度技術要求分別為5 139次/mm和 2 412次/mm，根據文獻1相關條文規定，計算得到路表驗收彎沉值為33/0.01 mm。

3.2 瀝青路面結構計算

新建瀝青路面結構層厚度及材料參數如圖4所示。

圖4 瀝青路面結構層厚度及材料參數

在工況一致的情況下，經計算：本結構層無機結合料穩定層疲勞開裂驗算滿足設計要求，瀝青混合料層永久變形量滿足規范要求；路表驗收彎沉值LA為36.8/0.01 mm。

3.3 結果對比

共振碎石路面和瀝青路面單位造價及竣工最大拉應力和最大彎沉值對比見表5。

表5 共振碎石路面與瀝青路面結構經濟性與力學性能對比

研究表明：本項目采用共振碎石化路面結構，其各項指標滿足規范要求，交工驗收彎沉值滿足設計要求，略小于新建瀝青路面結構層，且差值較少，不造成投資浪費，該方案在實施及使用階段可實現良好的使用性能及經濟效益。

4 共振碎石化施工工藝

4.1 碎石化層碾壓

碎化路面需首先采用碾壓性能滿足要求的壓路機壓實。為保證壓實質量，應避免過壓或少壓，嚴格按照規范要求的工藝進行操作。碾壓順序和普通無機結合料路面相同，對于直線和不設超高的平曲線路段，從兩側路肩向中心開展，設超高的平曲線路段，從內側向外側開展。

4.2 局部軟弱地段處治

碎石工藝實施后需立即清理該碎石層，加強低剛度區域，操作過程中需結合實際情況增設保護措施。

4.3 碎石化層清理

碎石表層碎塊尺寸需小于5 cm，否則需清理拋除，并回填尺寸性能滿足要求的石屑，杜絕碎石層的鋼筋外露，對于外露鋼筋，應截斷處理，確保鋼筋與碎石層頂面齊平。破碎的標線應予以清理。

4.4 碎石化層保護

碎石化工藝操作后，需進行交通管理，控制施工車輛非必須通行，盡量避免施工車輛在碎石化層上剎車或者啟動，禁止與施工無關的車輛和人員通行。同時，做好充分的防水排水工作。

4.5 驗收

碎石化路面需進行專門的質量檢測，內容主要包括碎化層的粒徑范圍、碎化的紋路、碎化后頂面回彈模量。

5 結 語

毛九線改造項目采用共振碎石化路面結構設計，此類路面結構在實際工程中應用較少，本文在整理及了解該項目共振碎石化設計方案后，確定共振碎石化設計指標要求，開展路面結構方案設計，對比共振碎石路面和瀝青路面的使用性能和經濟性能。計算表明，本項目采用共振碎石化路面結構，其各項指標滿足規范要求，交工驗收彎沉值滿足設計要求，略小于新建瀝青路面結構層，且差值較少，不造成投資浪費，該方案在實施及使用階段可達到良好的使用性能及經濟效益。

現毛九線改造項目已進入施工收尾階段，根據施工實際情況反饋，毛九線改造項目交工竣工彎沉值滿足設計要求，處理面模量要求較易達到，說明共振碎石化層頂面模量對標級配碎石頂面模量要求不小于300 MPa是合理的，如此結構設計是經濟且可行的，本文設計和施工方法可為此類路面結構提供參考。