重载交通条件下沥青路面设计方法探析

摘要：随着我国交通行业的不断发展进步，重载交通问题日益突出，这严重影响了沥青路面的使用寿命，对人们的人身安全造成危害。本文首先分析了重载作用对沥青路面的影响，然后阐述了如何在重载作用下进行沥青路面的设计。

关键词：重载交通；沥青路面；设计

中图分类号：S611

文献标识码：A 文章编号：

一、重载作用对沥青路面的影响

1重载交通参数分析

N =∑c1c2n(P)。其中,P为轴重;N为轴载作用次数;n为系数。通过分析不同路面结构下轴载换算系数与轴载的关系,发现轴载换算系数n主要与轴载有关,利用回归分析,忽略不同路面结构对轴载换算系数所造成的误差,可以得到基于弯沉、弯拉以及车辙等效的轴载换算系数n的取值范围。考虑超载,弯沉等效时n=5.0~5.8,线性分析结果n=5.0,非线性分析结果n=5.5;弯拉等效时,一般半刚性基层路面n≈8.0,考虑超载时n≈9.0;车辙等效时,n=4. 0~4. 5。此结果与国内外其他对轴载换算关系的研究成果基本一致。

由以上分析可知,n的取值远大于规范规定的数值,这就说明在较短的时间内可以达到路面设计的累积标准轴次,所以路面的使用寿命大大减少。超载100%时,高速公路、一级公路的路面结构只能使用1. 40年,二级公路的路面结构只能使用1. 20年,三级公路的路面结构只能使用0. 70年。所以必须采取措施,减少影响,延长重载交通下沥青路面的使用寿命。

2重载对设计指标体系的影响

根据分析，在标准轴载作用下，应用现行规范设计指标体系进行沥青路面结构厚度计算时，路表弯沉指标起控制作用，整体性结构层(包括面层和基层)的层底拉应力验算指标在厚度设计时一般不起作用。但路表弯沉指标同时存在明显的缺陷。与其利用它来控制路面破坏，不如采用整体性结构层层底的拉应力和土基顶面容许压应变来控制更为合理。但是，路表弯沉设计准则在我国柔性路面设计中已使用多年，它具有量测方便的优点，在一定程度上也反映了土基顶面压应变。大量的计算分析表明，路表弯沉和土基顶面压应变之间具有良好的相关关系。通过相关关系可以由路表弯沉推算到土基顶面压应变，把土基顶面压应变准则和路表弯沉结合起来，就可以同时利用上基顶面压应变准则较合理和路表弯沉量测方便的优点。因此，建议仍将路表弯沉作为一个设计指标。

3重载对沥青路面结构的影响

重载交通沥青路面结构，轴载增大时，路面结构的力学响应那些发生了变化，在设计中我们将怎么在满足疲劳寿命与设计指标的要求，下面我们先分析当轴载增大，主要对设计指标弯沉与基层底拉应力的影响。

表1轴载对设计指标的影响

图2弯沉与轴重的关系

图3基层底拉应力与轴重的关系

图4沥青层底拉应变与轴重的关系

图5基层顶压应变与轴重的关系

上面的图表我们发现，当轴载为100KN增大到160KN时，路面的弯沉从30增大到45，基层底的弯拉应力从0.11MPa增大到0.17MPa，青层底拉应变增大到90με。，基层顶压应变从130增大到260με，也就是说，在重载作用下，路面结构的整体刚度下降，基层的疲劳寿命降低，路面结构永久变形增大。经过上面的病害调查，重载下路面的车辙严重。

二、重载作用下沥青路面的设计

1设计步骤

根据现行沥青混凝土设计规范，可归纳出重载沥青路面设计步骤为:

(l)交通资料的收集。交通资料包括:初始年日平均交通量和交通组成、轴载谱、超载方式和超载规律、历年交通量及交通组成、方向分配系数、车道分配系数、轴载年平均增长率等，在此基础上判断是否适用于重载路面设计方法。若适用，利用本报告研究结果进行轴载换算及使用年限内累计标准轴次的计算，最后计算设计弯沉。

(2)收集沿线地质、土质及筑路材料状况，并结合原有沥青道路路面的使用及破坏情况，选择适合于重载道路的筑路材料并初拟路面结构。试验测定各结构层材料的抗压回弹模量、劈裂强度等设计参数。

(3)根据设计弯沉值计算路面厚度，并进行半刚性基层、底基层容许弯拉应力、极限弯拉应力验算及土基顶面容许压应变验算。若不满足要求，或调整路面结构层厚度，或变更路面结构组合，然后重新进行计算。

2材料设计

对于沥青路面的设计使用材料要充分考虑施工混合材料的抗剪强度。沥青路面的混合材料通常是采用马歇尔设计方法，马歇尔设计方法是通过混合料的密度、流值、空隙率等做出材料的混合比，但是这种设计方法不能够正确的分析出沥青混合料的抗剪强度，所以对重载情况下，沥青路面的实际受力状态无法真实的反映出来。可以将沥青路面的受力情况进行模型试验，通过测量的数据，反映出沥青路面在重载条件下的受力情况。通过三轴试验方法，按抗剪强度进行沥青混合料的配比设计。

3结构设计

根据以前的室内疲劳方程和力学设计程序，无论沥青结构层多厚，结构都会必然产生疲劳开裂、车辙。而最新的理论发现当沥青层超过一定厚度时，良好施工的路面结构不会产生源于层底的疲劳开裂和结构性车辙。当标准轴次超过一定次数后，沥青层厚度无须增加。也就是说，沥青层的厚度使层底拉应变小于一定的值以后，沥青路面的下部将可以无限期地使用下去。所以永久性路面的最大特点是确保路面各类损坏控制在路面表面层顶部很薄的范围内，如自上向下温度疲劳开裂、车辙、表面磨耗、沥青老化都努力限制在磨耗层内，防止出现中面层以下的结构性损坏，表面层的损坏只需通过预防性养护得以补救。 目前我国高速公路的结构设计大部分采用半刚性基层沥青路面结构，这种结构路面对于车辆重载的抗压能力较弱，容易导致路面破损现象出现。为此，本文介绍推荐一种由法国规范规定的全厚式路面结构设计方法，按该方法设计的沥青混凝土路面结构，其厚度相比半刚性基层沥青路面结构略薄，同时能够降低路面因载重疲劳产生开裂现象发生，当需要修复时，只需要更换或加铺一层表面层即可，无需大的结构性重修或重造。这给路面的修复工作降低了工作量和工程成本。全厚式路面结构设计是按照路面的功能合理的布置路面的层次结构，其特点是具有抗载重、抗疲劳、抗磨损、抗车辙、抗透水等。

4全厚式路面结构设计

重载沥青路面多为全厚式路面结构设计。全厚式沥青混凝土路面结构一般由磨耗层、连接层、基层和底基层组成。磨耗层应具有防渗透、防雨雪、抗滑耐磨的性能。连接层应具有抗车辙蠕变能力，能够有效的保护基层。基层和底基层为全厚式沥青混凝土路面的主要持力层，应具有良好的抗疲劳性能和很高的承载能力。支撑全厚式沥青路面结构稳定的另一个非常重要的因素是路面承台的稳定和强度。路面承台也即国内统称的路基和垫层。路面承台的变量参数，直接影响路面结构的计算结果，法国人根据地质、水文、路基填料、施工工艺水平，交通量等因素，将路面承台划分为多个等级，列表供查。全厚式沥青混凝土路面出现结构性破坏主要表现在两方面：一是沥青混凝土路面的疲劳裂缝破坏；二是路面承台发生的结构性车辙破坏。为保证全厚式沥青混凝土路面不出现上述破坏，需要对路面结构进行计算并满足两个条件：一是沥青层层底的水平拉应变 εt，ad 应小于允许极限值；二是路面承台表面的竖向压应变 εz，ad 应小于允许极限值。

5厚度设计

国外的沥青路面设计一般以沥青混凝土面层的弯拉应力作为设计控制指标，同时以基层底面拉应力和路标弯沉作为验算指标，如 Shell 设计法、AI 设计法等，这些方法比较符合国外的全厚式结构或粒料基层结构的特点。我国沥青路面设计规范以路面设计弯沉为主要控制指标，对高等级路面的面层和半刚性基层验算其层底拉应力。但根据有关研究，在目前半刚性基层应用十分普遍的情况下，基层的层底拉应力可以比较好反映荷载对结构的疲劳损耗要求，而且在进行高等级的路面结构设计时，往往是路标弯沉值符合要求，而基层底面拉应力验算不能通过，因此基层底面拉应力指标更具有控制意义。根据国内外经验，在重载沥青路面设计中，一般采用增加沥青面层厚度、改变沥青面层强度、增加半刚性基层厚度以及土基增强等方法。

4 结语

随着交通运输业的快速发展，道路交通呈现出交通量大、轴载加大、轮胎压力增加、车速提高等现象，这加剧了路面的疲劳损伤，并带来一系列的早期破坏，严重影响了道路正常的使用寿命。因此，为保证路面的服务水平和长期性能，在道路设计中对交通参数进行合理处理，设计出适宜重载交通的路面结构和材料形式就显得尤为重要。通过对本文的学习研究，可对提高重载交通条件下沥青路面的承载能力、延长路面使用寿命具有一定的参考意义。

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