高速公路重載道路路面設計方法研究

何文進、陳瑾

（江西贛北公路勘察設計院，江西 九江 332000）

0 引言

在高速公路重載道路路面設計的階段中，科學的設計方法是可以提高路面結構性能的關鍵。因此，在設計環節必須要注重重載道路路面設計方法的選擇，要確保設計效果達到項目的建設要求。

1 重載道路路面車輛荷載作用機理

車輛正常通行的情況下，輪胎給路面產生過大的沖擊和影響，產生輪壓的問題，通常情況下，輪壓與道路接觸面積越小，荷載產生的越大，產生的影響也是多方面的，主要是彎曲效應、剪切效應、疲勞效應、車轍效應方面，給道路帶來損壞問題。

1.1 彎曲效應

車輛在道路上行駛，從整體的運行路徑上看，屬于彎曲作用的情況，在路面彎曲作用之下，如果材料的性能不合格或者面層結構厚度不合格，在荷載的持續作用之下，容易產生彎拉應力超出承載性能的情況，極易出現道路底部發生開裂的問題；在道路的施工中，主要是通過靜力作用，在路面平整度不合格、車輛振動等情況影響下，產生的沖擊反應，重載條件下，上述作用變得更加的明顯，其給整個道路運行產生很大的影響，極易發生病害問題。

1.2 疲勞效應

從設計方案方面進行分析，很多道路工程出現裂縫問題都與疲勞性能存在直接的關系，車輛反復加載、卸載的情況下，超出道路極限承載力的要求，極易產生裂縫的問題；道路存在持續性作用之下，產生損壞反應，這是疲勞效應發生的基礎，所以重載的影響之下軸載噸位增加，疲勞損壞的指數也會變得更加嚴重。

1.3 剪切推移效應

車輛在行駛中，剎車、上下坡、轉彎等操作之下，會導致車輪給路面產生剪切推移的作用，尤其是重載條件之下，剪切推移會更加的嚴重，極易出現結構層損害的問題，給道路表面造成較為嚴重的推移、擁包等病害，影響道路正常運行，也會危害交通行駛安全性。

1.4 車轍效應

瀝青路面的主要施工材料是瀝青材料，其高溫軟化性明顯，在受到高溫、車輛荷載的持續作用之下，極易發生車轍的病害問題，對于道路結構造成很大的影響。

2 高速公路重載道路路面設計中應考慮的因素

2.1 交通特點

在高速公路重載道路設計環節，必須做好道路交通通行流量特點分析。從實際情況分析，重載交通通行路段中，車輛荷載等級較高的情況下，一般情況下，車輛車型為三軸及三軸以上的貨車，載重超出30t 以上，有些超載貨車甚至可以達到100～200t。雖然這些超載車占比不大，但是容易給道路造成損傷，易出現路面損壞的問題。重載道路荷載處于10～40t 范圍內，且交通量較小，這些貨車的行駛速度都比較慢，所以道路上其他類型的車輛數量也比較少。

2.2 運維情況

在重載道路路面設計中，設計人員需要綜合分析重載交通路面的運維具體狀況。我國的重載道路都處于經濟發達的地帶，長期通行，道路路基與路面存在邊坡失穩、局部塌陷、路基沉陷等嚴重的問題，這種情況下，存在嚴重的損壞、坑洼、裂縫等病害問題。如果無法及時修復處理，會產生更為嚴重的病害問題，影響范圍持續性擴大，給道路交通的運行安全性、穩定性產生不利的影響。

3 高速公路重載道路路面設計方法

高速公路重載道路的車輛荷載一般會超過常規車輛，所以在路面設計中，與普通道路會有明顯的差異。本文以實際的重載車輛特點分析為出發點，總結出一種合計方法，明確設計標準和要求，從而保證重載道路路面結構強度符合要求，防止車輛荷載作用下而產生嚴重的損壞問題。從目前來說，高速公路重載道路路面設計方法如下：

3.1 交通分析

在高速公路重載道路路面設計開始前，必須綜合分析該道路的交通量、車輛軸載等參數，準確計算確定在使用壽命期間內累計標準軸載次數與方向系數。彎沉等效公式、彎拉等效公式、車轍等效公式依次見式（1）～（3）：

式（1）～（3）中：、為車輛的軸數系數；、為車輛的輪組系數；為不同軸載的累計作用次數，其計算公式為：

式（4）中：為標準軸載條件下道路運行初期累計作用次數；為當量軸次增長率，是道路常規車輛與重載車輛增長率平均參數值；道路運行時間。同時，設計人員還要具體分析當前高速公路重載道路運行狀況，結合具體的交通量與車輛分布特性，確定重載車輛的行駛方向，做好道路規劃設計，分析了解輕車道與重車車道，進行不同方向設計，防止重載設計不能符合實際運行情況，也不能過度提高承載力，否則性價比較差，綜合效益不足。

3.2 路面結構設計

在路面結構設計的階段中，當確定路面系數之后需要按照路面結構擬定的設計標準結合工程的施工要求，從路面彎沉值以及最大拉應力層面上做好相應材料的選擇以及結構設計。綜合分析高速公路重載道路的特性，在具體的瀝青老結構設計中，考慮到實際運行的情況，選擇合適的路面結構形式，保證各個層結構的材料合格，結構厚度符合運行要求，以達到交通通行的標準要求。基于此，設計人員還要考慮到項目運行的具體情況，同時針對路面的彎沉值以及最大拉應力參數要進行計算，要根據計算結果選擇符合要求的路面結構類型，一般來說在設計的過程中要根據路面結構的層次，按照它的路面結構需求選擇最標準的方式來達到設計方案的參數。就目前現狀而言，基底結構的最佳施工材料，主要由二灰土、石灰土以及碎石灰土等材料組成。而對于基底層上部結構使用的材料則是二次碎石、水泥碎石以及水穩碎石等材料組成。因此，在路面結構設計的環節中，需要按照重載道路路面設計的標準選擇針對性的類型，這樣才能夠提高結構的穩定性，以保證結構性能合格，達到穩固性標準。

3.3 路面厚度計算

在路面厚度計算的階段中，對于路面彎沉設計的參數要給予高度的重視，明確具體的路面結構厚度參數，然后利用彎拉應力、車轍等數據作為參考進行驗算，檢驗路面結構與形式是否達到合理性要求，如果滿足要求，完成設計過程。如果發現不合格，要及時地調整路面結構的厚度以及相關參數，并且在設計的過程中根據試算的方法開展設計。首先，設計時要對各個結構層的厚度容許范圍進行明確，在掌握相關參數的基礎上，確定出最佳的厚度標準，主要按照下述流程完成：結合路面結構形式，明確各個基層類型與路面結構原材料，進行路面結構厚度的初步分析，而后結合材料、結構參數、彈性模量等方面進行分析，最終確定基層頂面的厚度參數，在此基礎上進行回填模量的計算。最后，按照相關的設計標準，對荷載應力進行計算同時還要保證設計符合要求。

4 高速公路重載道路路面設計實例

4.1 工程概況

以某高速公路重載道路工程為案例進行分析，分析了解重載道路設計的標準和要求。該工程為當地重要交通基礎設施，對于當地的經濟發展產生極為重要的作用，所以當地政府部門對于該道路設計、建設以及運維管理重視度較高，故而決定新建瀝青路面。按照軸載參數標準進行分析，該道路的重載交通量見表1。

表1 交通流量統計

4.2 交通分析

結合表1數據進行全面分析可了解到，該路基回彈模量的設計參數取值為48MPa。為保證設計效果合格，確保重載道路各項數據符合要求，設計人員還要對主干路交通量按照6%的增長率進行分析，該道路內的等效軸載按照9%的要求設計，其彎拉等效軸載增長率為12%；把單軸雙輪車輛100kN 軸重進行設計。根據該參數設計的要求，確定彎沉等效初始日標準軸載為75934 次，彎拉等效作用此時為833174 次。按照該道路設計壽命12年進行分析，在規定的年限之內，明確具體的累計作用次數。按照目前我國標準規定，彎沉等效計算確定，且累計次數為2.79×10次；根據彎拉等效公式，確定累計為3.69×10次。對于該道路項目運行的具體情況，對歷年統計資料進行全面的分析研究，發現該道路的車輛重載主要是從南到北的方向行駛，所以這一方向設計為重載道路的形式，而從北到南的方向則按照普通道路設計方式確定方案，對于該道路進行重新的規劃設計，簡化設計方案，調整工作量參數，從而提高運行效果，保證資源合理利用，實現綜合效益的提升。

4.3 路面結構設計

道路設計人員分析現場的運行情況，對于道路結構充分排布設計，明確路面結構，保證結構的性能合格。按照此次道路工程的設計要求，從下到上逐步按照下述要求確定：土基荷載48MPa，二次土層荷載與水泥穩定碎石層荷載分別為750MPa、1500MPa；由于瀝青面層在一定的程度上會受到環境溫度的影響，當環境溫度處于15C 時，粗粒混凝土荷載值為1400MPa，中粒式的荷載為1600MPa；當環境溫度為20C 條件下，粗粒瀝青混凝土荷載為1000MPa，中粒式瀝青混凝土為1100MPa。

4.4 路面厚度計算

在設計環節，確定設計方案之后，還要做好路面厚度計算分析。在該工程設計中，應用的二灰土結構厚度為35cm，粗粒瀝青混凝土結構厚度為8cm，而中粒混凝土厚度為4cm，根據該項目設計的要求，確定彎沉值參數，了解到水泥穩定碎石基層設計要求，最終確定該結構厚度為42.84cm，即43cm。按照該結構的要求，確定拉應力參數。基層拉應力設計中，參數要比容許應力低，達到技術標準的要求。最大軸重拉應力根據國家標準設定，以具體的荷載參數為出發點，做好底基層最大拉應力控制，為0.186MPa，完全符合實際運行的要求，滿足極限強度標準，表示該結構厚度的設計符合運行要求，不會給工程質量產生影響。

在高速公路重載路面設計工作開始前，還要考慮到荷載運行的要求，確定最佳設計方式。首先，綜合分析該道路運行中大量貨物與專項物資運輸的頻次，并且根據軸重儀測量后的參數確定設計方案。重載道路路面設計中，根據軸載來得出疲勞應力參數，還要分析疲勞效應與一次破壞效應。當前在公路設計中，主要是分析臨界疲勞效應，保證技術指標有效的控制，才能確保在規定的彎拉強度標準范圍內，同時也要分析確定在使用壽命期限內的極限荷載參數，根據該參數的要求，設定是否會出現一次斷裂失效的問題。分析了解目前的瀝青道路的平整性、低噪聲、抗高溫、抗老化方面的性能，該道路在設計中，使用的是瀝青路面設計方案要求，確保結構的性能和運行效果滿足要求，不會給工程的質量產生任何負面的影響。在重載道路的正常運行中，車輪和路面結構接觸面以下100～150mm 的范圍內，容易產生較大的受力作用，也是病害集中發生的趨勢，因此，在該結構部分的設計中，需要選擇強度性能合格的瀝青混凝土材料；在車輪荷載作用之下，荷載會在面層下部的各個結構上擴散運行，再反映到面層結構上，容易發生車轍的病害問題，因此，路面下部結構應用高模量抗車轍的材料；車轍荷載的作用之下，容易產生最大彎拉應力的結構就是HMA 基層結構，整個部分的抗彎效果都受到該結構的作用，所以根據要求應用最佳的疲勞荷載性能的材料，保證結構抵抗性能合格，防止從下到上會出現嚴重的開裂與損壞的問題。

4.5 對比分析

為了能夠檢驗確定重載道路設計方案是否合理，確定各個結構層厚度、強度性能是否滿足要求，結合常規道路路面設計的標準要求，對比分析重載道路運行的標準要求，從而可以確定是否可以達到正常的運行標準。通過分析可以了解到重載道路在設計的階段中受到設計理念的影響，能夠全面提高設計方案的質量，使其能夠滿足相應的設計規范標準。該結構的厚度較大，可以承受較大車輛載荷的持續性作用，并且能夠延長道路的使用壽命，在設計年限之內完全可以達到交通通行的標準要求，不會發生損壞的問題。此外，重載道路結構優越，病害問題的發生概率較低，符合道路交通運行標準。總之，重載道路路面結構設計之下，較之常規道路有著非常明顯的優勢，道路結構性能提升比較明顯，尤其是重載車輛較多的道路通行上，適用性比較好，所以可以推廣應用，促進我國道路交通總體通行效果。

5 結語

綜上所述，在重載道路路面設計的階段中，要結合道路運行重載車輛數據的標準對設計的方案進行優化。同時，在掌握道路重載路面設計標準的基礎上，對車輛的系數以及最大著重方面參數進行確定，然后確定車輛系數與最大軸重方面的參數，以確定最佳的結構設計方案，使用符合要求的工程材料，各項技術參數合格，保證路面性能達標，嚴重使用壽命，為當前高速公路的運行起到積極的促進作用。