瀝青商品混凝土路面在公路建設中起到非常重要的作用，其路面好壞直接影響著汽車通行的平穩(wěn)性、舒適性和行車速度，而在設計過程中，各類參數(shù)的正確選用對路面能否適應行車需要起著至關重要的作用。本文就瀝青路面設計交通荷載的車輛種類、輪壓和標準軸載、車道系數(shù)、路面結構材料參數(shù)等方面進行了分析。

關鍵詞: 瀝青路面；結構設計；參數(shù)

隨著社會的發(fā)展和技術的進步，瀝青路面應用越來越廣泛，合理的路面結構設計在控制質量方面起著重要的基礎性作用。在進行路面結構設計時必須根據(jù)路面完工后實際的受力情況來確定合理的路面各類設計參數(shù),包括交通荷載參數(shù)及路面結構材料參數(shù)，以確保路面結構設計合理,施工及質量管理有的放矢。

1、交通荷載

1.1車輛種類

客車又分為小客車、中客車與大客車。小客車自身質量與滿載總質量都比較輕；中客車一般為包括6個座位至20個座位的中型客車；大客車一般是指20個座位以上的大型車(客車包括鉸接車和雙層客車)。公路上行駛的長途客車一般為兩軸,座位數(shù)在40～50人之間,還有一些進口的長途客車,座位數(shù)約70人,這些長途客車滿載總重在10t左右,根據(jù)實際軸荷載的分布情況,大客車的軸荷與中型貨車十分接近,力學分類可以歸為一類。對于貨車而言,噸位低于8t的為中小型貨車,8t以上的為重型貨車。

路面結構設計與驗算使用的參數(shù)是設計年限內的車道標準軸載累計作用次數(shù)。實際計算時,對瀝青路面,只將軸載大于25kN的汽車計入，其余的對標準軸載作用次數(shù)影響極小,一般忽略不計。

1.2標準軸載

由于作用在路面的設計荷載千變萬化,一般選用一種軸載作為路面結構設計的標準車載,其他各種車載按照一定的原則換算成標準軸載。而標準軸載一般要求對路面的響應較大、同時又能反映本國公路運輸運營車輛的總體軸載水平。為了統(tǒng)一設計標準和便于交通管理,各個國家對標準軸載均有明確的規(guī)定。我國根據(jù)公路運輸運營車輛的實際,公路與城市道路有關路面設計規(guī)范中均以100kN作為設計標準軸重。

接地壓力和設計標準軸重是荷載設計的兩個最基本的參數(shù)。

當量圓形的半徑R確定。

R=(P/(π×P))1/2=(100×103/(3.14×0.7×106))1/2=21.30cm

輪胎壓力大小對路面厚度的影響很大。計算表明,在結構相同的剛性路面中,輪胎壓力增大70kPa,需增加板厚約0.5cm。主輪軸型式對路面厚度影響較大。計算表明,若車輛總質量不變,主輪軸為單輪時的路面厚度為100%,則主輪軸為雙輪時路面厚度為80%,主輪軸為雙軸雙輪時路面厚度為60%。兩輪中心距為1.5d,是經統(tǒng)計分析得出的。

1.3 車道系數(shù)

輪跡橫向分布系數(shù)應用到路面設計中以前,還應分析一下荷載作用下,輪跡以外一定范圍內的路面結構中所引起的不同程度的疲勞損壞。計算表明,對于國內典型瀝青路面結構,在輪跡外50cm間隔內,該荷載產生的破壞作用,最大相當于增加10%作用次數(shù)的影響,更遠距離處則可以不計；對于剛性路面板,相鄰條帶上的荷載要為該條帶計算值最大增加6%的影響。可見輪跡范圍外雖有影響但并不大。

根據(jù)典型路段輪跡橫向分布的規(guī)律,可把輪跡橫向分布系數(shù)劃分為五個類別,可相應地列出各個類別的輪跡橫向分布系數(shù)值。雙向單車道1.0,雙向兩車道0.6～0.7,雙向四車道0.4～0.5,雙向六車道0.3～0.4,雙向八車道0.25～0.35。

1.4軸載換算方法

由于路面實際作用的車輛種類繁多,必須將不同的車輛按照一定的原則進行換算。路面設計在進行軸載換算時,應該遵循兩項原則:

(1)不同軸載在同一路面結構上重復作用不同次數(shù)后,使路表彎沉值或層底拉應力達到同一極限狀態(tài)。

(2)對某一種交通組成,不論以那種軸載標準進行換算,由換算所得軸載作用次數(shù)計算的路面厚度是相同的。

現(xiàn)行設計方法中采用彎沉指標和基層底彎拉應力指標,因此,軸載換算時考慮了以彎沉為指標的軸載換算和彎拉應力為指標的軸載換算方法。

2、土基回彈模量

回彈模量能較好地反映地基所具有的部分彈性性質,所以,在以彈性半空間體地基模型表征土基的受力特性時,可以用回彈模量表示土基在瞬時荷載作用下的可恢復變形性質。我國公路水泥商品混凝土路面、瀝青路面設計方法中,都以回彈模量E作為地基的剛度指標,為了模擬車輪印跡的作用,通常都以圓形承載板壓入土基的方法測定回彈模量。

路基回彈模量E0的確定方法大致有以下幾種:

(1)應用直徑30.4cm的剛性承載板在現(xiàn)有道路的土基頂面進行試驗經修正后確定；

(2)應用落錘式彎沉儀(FWD)進行現(xiàn)場試驗,然后根據(jù)試驗確定的FWD測定的回彈模量與承載板測定的回彈量回歸公式換算；

(3)根據(jù)室內或現(xiàn)場CBR試驗結果,利用CBR與回彈模量的相關關系推算；

(4)根據(jù)路基頂面的回彈彎沉推算；

(5)根據(jù)路基土的稠度與壓實度,利用事先得到的回彈模量與稠度(或相對含水量)和壓實度的關系式確定。

由第(1)與第(2)方法得到的土基回彈模量與實際比較吻合,但需要根據(jù)土基不利季節(jié)含水量進行修正；第(3)種方法是國外經常采用的方法之一；其他方法可以間接推算土基回彈模量,但事先應進行一系列試驗,得到所需的關系式,而且,推算的回彈模量的準確度和精度均較差。

3、路面結構層設計參數(shù)

路面結構由不同的材料逐層鋪筑而成,不同的材料有不同的力學強度特性和相應的結構設計參數(shù),路面力學計算理論一般建立在彈性力學基礎上,除結構參數(shù)外,還有路面結構的材料類數(shù)、材料的計算參數(shù)包括模量和泊松比。泊松比一般比較穩(wěn)定,在路面設計時一般對特定的材料選用一定的泊松比,如土基和無黏結材料的泊松比取0.35、無機結合料穩(wěn)定材料的泊松比取0.25、瀝青商品混凝土材料的泊松比取0.25、水泥商品混凝土材料的泊松比取0.15等。路面結構材料的模量值是表征材料剛度的指標,常用的測試方法有單軸壓縮試驗、直接劈裂試驗、彎拉試驗等。由于路面結構材料的非線性特性,路面結構模量根據(jù)計入變形的不同分為形變模量和回彈模量,形變模量中的變形包括回彈變形和塑性變形,回彈模量中的變形僅考慮材料的回彈變形。

由于不同的材料有不同的力學強度特性,相應的參數(shù)取值和試驗方法也不同。我國瀝青路面設計采用抗壓回彈模量和劈裂強度進行設計計算,規(guī)定瀝青混合料的彎沉計算時抗壓回彈模量的試驗溫度為20℃、彎拉應力驗算時抗壓回彈模量的試驗溫度為15℃、劈裂強度的試驗溫度也為15℃。國外的路面結構設計方法一般采用抗壓模量和彎拉應變作為設計參數(shù)。路面設計取用的無機結合料穩(wěn)定材料抗壓模量值和劈裂強度值應該是設計齡期的抗壓模量值和劈裂強度值,水泥穩(wěn)定類材料的設計齡期為60d,其他穩(wěn)定類材料的設計齡期為90d,相應的養(yǎng)生溫度與混合料組成設計時的養(yǎng)生溫度相同。

3.1 無機結合料穩(wěn)定材料無側限抗壓回彈模量

無機結合料穩(wěn)定材料(包括穩(wěn)定細粒土、中粒土和粗粒土)的無側限抗壓強度是按照預定干密度和壓實度用靜力壓實法制備試件,試件高：直徑=1：1的圓柱體、養(yǎng)生時間為設計齡期(整個養(yǎng)生期間的溫度,在北方地區(qū)應保持20±2℃,在南方地區(qū)應保持25±2℃、側向沒有圍壓時,通過逐級加載和卸載試驗計算得到抗壓回彈模量。

無機結合穩(wěn)定材料室內制件與現(xiàn)場制件設計參數(shù)比值隨材料不同及施工條件而異。一般情況下,現(xiàn)場制件的模量與強度均比室內制件低,其降低的幅度不等,抗壓強度降低幅度較小為10%～20%,抗壓模量下降30%～40%,劈裂強度下降20%～60%,劈裂模量下降50%左右。無機結合料穩(wěn)定材料的設計參數(shù)是根據(jù)大量試驗結果取95%的保證率后(均值-1.645×標準差)得到代表值。代表值經折減后, 經典型路面結構厚度計算驗證后, 設計參數(shù)推薦值如表1:

表1 常用半剛性基層設計參數(shù)推薦值

在進行拉應力驗算時,半剛性基層材料的疲勞方程由劈裂疲勞試驗得到,半剛性基層材料的容許拉應力按下式計算。

σA=σsp/Ks

式中:

KS-結構系數(shù),對無機結合料穩(wěn)定粒料KS =0.35Ne0.11／Ac；對無機結合料穩(wěn)定細粒土KS=0.45 Ne0.11／Ac。

3.2瀝青材料的設計參數(shù)

瀝青商品混凝土的主要設計參數(shù)為抗壓模量、劈裂強度等。瀝青混合料的抗壓模量有時也稱為勁度模量,因為瀝青混合料的模量與加載速度、加載時間、加載時的溫度有關,因此,瀝青混合料的模量、強度等是一個條件參數(shù)。瀝青商品混凝土的抗壓試驗采用圓柱體試件,試件成型采用靜壓法、輪碾法、搓揉法和旋轉壓實成型法,試件的密度應符合馬歇爾標準擊實密度100%,用于抗壓強度試驗的試件個數(shù)不少于3個,用于抗壓回彈試驗的試件個數(shù)不少于3～6個。

瀝青商品混凝土的劈裂試驗既可以為瀝青路面設計提供設計參數(shù),也可以評價瀝青商品混凝土的低溫特性。我國瀝青商品混凝土路面的設計參數(shù)采用靜參數(shù),采用的試驗溫度為15℃,試驗加載速率為50mm/min,計算時相應的泊松比采用0.30。試件采用馬歇爾擊實成型的方法、輪碾機成型的板體試件和道路現(xiàn)場鉆孔試件。采用馬歇爾擊實成型的試件尺寸要求直徑101.6mm,高為63.5mm；輪碾機成型的板體試件和道路現(xiàn)場鉆孔試件的尺寸要求直徑為100mm或150mm,高為40mm。

瀝青商品混凝土材料的設計參數(shù)也是根據(jù)室內大量試驗結果取95%的保證率后(均值-1.645×標準差)得到其代表值。再考慮現(xiàn)場大規(guī)模施工、質量變化較大的情況,將代表值給予適當?shù)恼蹨p得到推薦值。

4、結束語

我國瀝青路面設計規(guī)范自1978年引入路表彎沉指標,一直沿用至今。期間雖然經歷了從容許彎沉到設計彎沉概念的轉變,并引入面層和基層層底拉應力作為驗算指標,但彎沉作為設計控制指標的本質并沒有改變。