陳愛軍， 孟亞軍

（1.湖南工程學(xué)院 建筑工程學(xué)院，湘潭411104；2.中南大學(xué) 土木工程學(xué)院，長沙410083）

0 前 言

近些年來，由于我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和國家對(duì)"三農(nóng)"的大力支持，湖南省農(nóng)村公路的建設(shè)進(jìn)入了一個(gè)前所未有大發(fā)展階段.依靠政府的財(cái)政支持，以及農(nóng)民對(duì)交通出行的需求層次提高，原有的砂石路面或年久失修的瀝青路面已不能滿足農(nóng)民出行的需要，新建或改建的農(nóng)村公路基本上都是水泥混凝土路面.水泥路面和瀝青路面比較而言，雖然初期投資可能比瀝青路面大，但瀝青路面需要施工專業(yè)化和機(jī)械化程度較高、壽命較短和容易產(chǎn)生各種病害導(dǎo)致經(jīng)常需要維修，而水泥混凝土路面具有施工工藝較簡單、施工機(jī)動(dòng)靈活、建筑材料豐富、使用年限長、養(yǎng)護(hù)費(fèi)用少、群眾參與程度高的優(yōu)點(diǎn)，因此，水泥混凝土路面在農(nóng)村公路得到了大量普及.

低交通量公路是農(nóng)村公路的一部分，主要是為滿足農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和農(nóng)民生活交通需求，供機(jī)動(dòng)車行駛的道路.根據(jù)《公路水泥混凝土路面設(shè)計(jì)規(guī)范》JTG D40－2011［1］的規(guī)定，設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期內(nèi)設(shè)計(jì)車道承受設(shè)計(jì)軸載累計(jì)作用次數(shù)Ne小于30000次，交通荷載等級(jí)為輕，因此，筆者把Ne小于30000次的農(nóng)村公路定義為低交通量農(nóng)村公路，有些文獻(xiàn)［2］［3］也稱為輕交通量農(nóng)村公路.

對(duì)于低交通量水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)的研究，我國水泥混凝土路面設(shè)計(jì)規(guī)范以及交通部門對(duì)農(nóng)村公路的建設(shè)指導(dǎo)意見和參考標(biāo)準(zhǔn)缺乏相應(yīng)的指導(dǎo)，而且我國幅員遼闊，氣候、地形、地理、材料來源和土壤地質(zhì)條件差異較大，各個(gè)地方在路面設(shè)計(jì)和施工過程中難以采用統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn).文獻(xiàn)［3］－［6］對(duì)低（輕）交通量道路路面結(jié)構(gòu)進(jìn)行了廣泛的調(diào)查和研究，但其研究成果是在《公路水泥混凝土路面設(shè)計(jì)規(guī)范》JTJ012－2002的基礎(chǔ)上通過修正規(guī)范中某些不適條款提出來的，與現(xiàn)行規(guī)范規(guī)定相矛盾，也不一定適合各地的具體條件.本文針對(duì)湖南省的氣候、地形、土壤地質(zhì)條件和材料來源，在新規(guī)范［1］的基礎(chǔ)上研究適合低交通量農(nóng)村公路且經(jīng)濟(jì)適用的水泥混凝土路面典型結(jié)構(gòu)，不但能從經(jīng)濟(jì)上節(jié)省農(nóng)村公路建設(shè)資金，還能從技術(shù)上彌補(bǔ)現(xiàn)行路面設(shè)計(jì)規(guī)范在指導(dǎo)低交通量水泥混凝土路面設(shè)計(jì)不適用的缺陷.

1 湖南省農(nóng)村公路現(xiàn)狀調(diào)查

為了全面地掌握湖南省內(nèi)農(nóng)村公路路面結(jié)構(gòu)類型、交通狀況和道路病害情況，課題組對(duì)省內(nèi)農(nóng)村公路進(jìn)行了詳細(xì)的調(diào)查，基本掌握了湖南農(nóng)村公路路面結(jié)構(gòu)形式和病害、路面材料、交通特點(diǎn)和交通組成情況等農(nóng)村公路現(xiàn)狀，調(diào)查結(jié)果表明：

（1）省內(nèi)農(nóng)村公路地形地貌主要有湖區(qū)、丘陵地區(qū)和山區(qū)，湖區(qū)主要集中在洞庭湖周邊，線形以直線為主，縱坡平緩甚至個(gè)別路段以平坡為主；丘陵地區(qū)和山區(qū)農(nóng)村公路線形以曲線為主，彎道半徑小，縱坡變化較大，公路等級(jí)較低.

（2）湖區(qū)農(nóng)村公路的路基都是采用矮路堤的形式，地下水位較高，路基穩(wěn)定性受地下水影響較大，單車道路基寬度以4.5m為主，雙車道路基寬多為6.5m；丘陵地區(qū)和山區(qū)路基主要以半填半挖形式為主，少量采用全填和全挖，填挖高度不大，邊坡較陡且較少采用防護(hù)措施，路基寬度普遍較窄，單車道路基多數(shù)寬度為3.5m，雙車道路基寬度一般小于5.0m.

（3）農(nóng)村公路路面大多數(shù)通過改造成為水泥混凝土路面，個(gè)別貧困地區(qū)農(nóng)村公路仍然還是泥結(jié)碎石路面，或在原路基上簡單鋪一層碎石作路面，行車舒適性較差.水泥混凝土路面面層厚度在15～25 cm之間，大多數(shù)在20cm以上；雙車道公路基層為水泥穩(wěn)定碎石或砂礫，單車道公路基層多數(shù)為碎石碾壓而成以節(jié)省造價(jià).大多數(shù)農(nóng)村公路對(duì)路肩的設(shè)置不規(guī)范，土路肩很少，一般全幅路基硬化為行車道，或者全幅路基都是砂石路面.

（4）由于經(jīng)濟(jì)條件不一致，各地農(nóng)村公路的交通組成和交通量差異較大.一般村－村公路、鄉(xiāng)－村公路的主要交通組成是小型載貨卡車、摩托車、三輪農(nóng)用車、微型面包車等供村民出行、簡單運(yùn)輸?shù)能囕v和少量的東風(fēng)卡車；在有資源礦產(chǎn)或重大建設(shè)項(xiàng)目的地區(qū)，其交通則以重型卡車為主，軸載較大，超載嚴(yán)重，對(duì)安全要求較高，因此其功能實(shí)際上已超出農(nóng)村公路范疇，應(yīng)單獨(dú)進(jìn)行設(shè)計(jì).絕大多數(shù)農(nóng)村公路的交通量在800輛／晝夜以下，個(gè)別村道只有10～20輛／晝夜，節(jié)假日期間小客車數(shù)量會(huì)增加較多，路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和路面寬度應(yīng)考慮實(shí)際的交通需求狀況.

（5）農(nóng)村公路交通量低，路基路面寬度窄，路基強(qiáng)度不均勻，路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)隨意性較大，基層強(qiáng)度低，水泥混凝土路面施工技術(shù)力量薄弱導(dǎo)致混凝土質(zhì)量難以保證，同時(shí)缺乏正常的養(yǎng)護(hù)，路面病害主要是路基沉降導(dǎo)致的斷板和在車輛反復(fù)作用下產(chǎn)生的開裂.

2 農(nóng)村公路路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及材料參數(shù)的確定

2.1 交通等級(jí)的劃分

從調(diào)查結(jié)果看，農(nóng)村低交通量道路的交通組成以農(nóng)用三、四輪車和摩托車為主，載重在1～5t之間，由于這部分車輛全部是單后軸單輪組型車輛，對(duì)路面結(jié)構(gòu)的影響不大.但是，少量噸位在20～50t之間的大型車輛對(duì)農(nóng)村公路的路面結(jié)構(gòu)破壞較大，在低交通量道路路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)該重點(diǎn)研究考慮.

文獻(xiàn)［1］規(guī)定累計(jì)標(biāo)準(zhǔn)軸作用次數(shù)低于3萬次的交通等級(jí)屬于輕交通，對(duì)于輕交通等級(jí)再進(jìn)行分級(jí)，分別按累計(jì)標(biāo)準(zhǔn)軸作用次數(shù)為100、200、500、1000、5000、10000、20000和30000，對(duì)這8個(gè)級(jí)別的交通等級(jí)進(jìn)行路面厚度計(jì)算.

2.2 水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)組合設(shè)計(jì)

根據(jù)課題組的調(diào)查結(jié)果，低交通量農(nóng)村公路的基層一般采用水泥穩(wěn)定碎石基層或級(jí)配碎石基層，個(gè)別村道甚至不設(shè)基層而是直接在舊路基上鋪筑水泥混凝土面層.按照就地取材、實(shí)事求是的原則進(jìn)行結(jié)構(gòu)組合設(shè)計(jì)，不同交通等級(jí)的公路采用不同的結(jié)構(gòu)組合，組合方案如表1所示.對(duì)于湖區(qū)或庫區(qū)的農(nóng)村公路可以增設(shè)排水或防水墊層.

表1 初擬水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)組合方案

2.3 路面材料參數(shù)的確定

湖南省的農(nóng)村公路主要在原舊路基或泥結(jié)碎石路面上進(jìn)行加寬改建，除局部濕軟凹坑和加寬部分需要補(bǔ)強(qiáng)處治外，原路基經(jīng)過長期行車碾壓，路基強(qiáng)度高且穩(wěn)定性好，土基回彈模量比較大.根據(jù)調(diào)查結(jié)果，原路基的土基回彈模量在55～100MPa之間，新建路面土基回彈模量在35～70MPa之間，為保守設(shè)計(jì)，土基回彈模量取50MPa進(jìn)行路面結(jié)構(gòu)計(jì)算.

水泥穩(wěn)定碎石基層的回彈模量取1500MPa，級(jí)配碎石的回彈模量取220MPa.考慮到水泥混凝土面層的強(qiáng)度對(duì)其厚度的影響較大，而提高一個(gè)等級(jí)的混凝土帶來的成本增加不大，因此，面層的彎拉強(qiáng)度等級(jí)分別取4.0MPa和4.5MPa，相對(duì)應(yīng)的彎拉彈性模量為27GPa和29GPa.

3 水泥混凝土面層厚度的計(jì)算

3.1 荷載疲勞應(yīng)力計(jì)算

依據(jù)文獻(xiàn)［1］，荷載疲勞應(yīng)力的σpr計(jì)算公式為：

式中：

σps——標(biāo)準(zhǔn)軸載在四邊自由板的臨界荷位處產(chǎn)生的荷載應(yīng)力（MPa），

kr——考慮接縫傳荷能力的應(yīng)力折減系數(shù)，此處取kr＝1

kf——考慮設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期內(nèi)荷載應(yīng)力累計(jì)疲勞作用的疲勞應(yīng)力系數(shù)，按kf＝Neλ計(jì)算；

kc——考慮偏載和動(dòng)載等因素對(duì)路面疲勞損壞影響的綜合系數(shù)，此處取kc＝1

3.2 最大荷載應(yīng)力計(jì)算

最重軸載在面層板臨界荷位處產(chǎn)生的最大荷載應(yīng)力σp，max按下式計(jì)算：

式中：

σpm——最重軸載Pm在四邊自由板臨界荷位處產(chǎn)生的最大荷載應(yīng)力（MPa）.

關(guān)于最重軸載Pm的大小問題，通過交通調(diào)查中得知，低交通量道路上重型車噸位在15～30t之間，因此，分別取Pm為150kN、125kN、100kN的單軸雙輪軸載進(jìn)行檢驗(yàn).

3.3 溫度疲勞應(yīng)力及最大溫度應(yīng)力計(jì)算

在面層板臨界荷位處產(chǎn)生的溫度疲勞應(yīng)力σtr按下式計(jì)算：

式中：

σt，max——最大溫度梯度時(shí)面層板產(chǎn)生的最大溫度應(yīng)力（MPa）；

kt——考慮溫度應(yīng)力累計(jì)疲勞作用的溫度疲勞應(yīng)力系數(shù)，按規(guī)范計(jì)算；

αc——混凝土的線膨脹系數(shù)，按粗集料類型為石灰?guī)r取7；

Tg——公路所在地50年一遇的最大溫度梯度，根據(jù)公路自然區(qū)劃取90℃／m.

BL——綜合溫度翹曲應(yīng)力和內(nèi)應(yīng)力的溫度應(yīng)力系數(shù)，按規(guī)范計(jì)算.

3.4 水泥混凝土面層厚度計(jì)算

按照表1的路面結(jié)構(gòu)組合方案，初擬面層厚度，分別計(jì)算混凝土面層板的最重軸載產(chǎn)生的最大荷載應(yīng)力σp，max、設(shè)計(jì)軸載（100kN）產(chǎn)生的荷載疲勞應(yīng)力σpr、最大溫度梯度產(chǎn)生的最大溫度應(yīng)力σt，max及溫度疲勞應(yīng)力σtr，通過不斷調(diào)整各結(jié)構(gòu)層的厚度，最后確定滿足疲勞應(yīng)力和一次荷載最大應(yīng)力要求的路面結(jié)構(gòu)組合.為了比較各個(gè)路面結(jié)構(gòu)組合方案的成本，根據(jù)《公路工程預(yù)算定額》（JTG／TB06－02－2007）進(jìn)行直接工程費(fèi)的分析，因?yàn)槌杀痉治鍪菫榱藢?duì)比各個(gè)方案優(yōu)劣，直接工程費(fèi)就套用定額的基價(jià)，各結(jié)構(gòu)層的費(fèi)用分析如下：

碎石基層（1000m2）：6869元（15cm）±426元（每增減1cm）

水穩(wěn)定碎石（5%水泥含量，拖拉機(jī)帶鏵犁拌和施工，1000m2）：13447元（15cm）±799元（每增減1cm）

C30混凝土（抗彎拉強(qiáng)度4.0MPa，人工鋪筑，1000m2）：57227元（20cm）±2663元（增減1cm）

C35混凝土（抗彎拉強(qiáng)度4.0MPa，人工鋪筑，1000m2）：59787元（20cm）±2791元（增減1cm）.

計(jì)算結(jié)果如表2～表6所示：

表2 I類結(jié)構(gòu)組合方案

表3 Ⅱ類結(jié)構(gòu)組合方案

19cm混凝土＋16cm水穩(wěn)碎石10000 4.5 125 4.45 4.35 71.2 19cm混凝土＋13cm水穩(wěn)碎石 5000 4.5 125 4.44 4.43 68.8 19cm混凝土＋13cm水穩(wěn)碎石1000 4.5 125 4.10 4.43 68.8

表4 Ⅲ類結(jié)構(gòu)組合方案

表5 Ⅳ類結(jié)構(gòu)組合方案

表6 Ⅴ類結(jié)構(gòu)組合方案

4 路面結(jié)構(gòu)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析

通過分析表2～表6，可以得到以下結(jié)果：

Ⅰ類結(jié)構(gòu)組合方案和Ⅱ類結(jié)構(gòu)組合方案在交通量相同的基礎(chǔ)上，Ⅰ類方案的最大荷載為150kN，Ⅱ類方案的最大荷載為125kN，Ⅰ類方案比Ⅱ類方案多一層碎石，同一交通量的費(fèi)用增加10元／m2左右.但是，Ⅰ類方案抵抗荷載的能力較大，雖然成本稍高一些，對(duì)于30000～10000的累計(jì)軸載作用次數(shù)，建議采用Ⅰ類方案.

在同樣的荷載作用次數(shù)、最大荷載和混凝土強(qiáng)度等級(jí)的條件下，比較Ⅱ類和Ⅲ類兩種不同基層的結(jié)構(gòu)組合方案，對(duì)于10000～1000次的累計(jì)軸載作用次數(shù)，采用Ⅲ類結(jié)構(gòu)組合方案不但可以節(jié)省成本4～5元／m2，而且最大荷載應(yīng)力更低，因此Ⅲ類方案更加合理.

Ⅲ類方案和Ⅳ類方案采用了相同的材料，但是它們的混凝土強(qiáng)度等級(jí)和最大荷載不一樣，而成本差別不大，因此建議1000～500的累計(jì)標(biāo)準(zhǔn)軸載作用次數(shù)采用Ⅲ類方案更加合理.

Ⅳ類方案和Ⅴ類方案采用了相同的混凝土強(qiáng)度等級(jí)和最大荷載，但是Ⅴ類方案沒有設(shè)置基層，Ⅳ類方案采用了級(jí)配碎石基層，可以發(fā)現(xiàn)Ⅴ類方案的成本稍低一些.針對(duì)500次以下的累計(jì)標(biāo)準(zhǔn)軸載作用次數(shù)，這類交通量極小的公路一般都是單車道的村道，甚至達(dá)不到四級(jí)公路的等級(jí)，在路基水文地質(zhì)較好的情況下采用Ⅴ類方案比較合理.

經(jīng)過上述分析，匯總得到針對(duì)不同的累計(jì)標(biāo)準(zhǔn)作用次數(shù)的水泥混凝土典型路面結(jié)構(gòu)方案如表7所示.

表7 推薦的典型路面結(jié)構(gòu)

5 結(jié) 語

近年來，湖南省的農(nóng)村公路建設(shè)得到了很大發(fā)展，尤其是水泥混凝土路面由于具有施工方便和強(qiáng)度穩(wěn)定性高等優(yōu)點(diǎn)在農(nóng)村公路得到了普遍應(yīng)用.但是，我國交通部門的相關(guān)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)對(duì)低交通量農(nóng)村公路的路面設(shè)計(jì)缺乏針對(duì)性和實(shí)用性，在建設(shè)的過程中也沒有設(shè)計(jì)文件的指導(dǎo)，使得水泥混凝土路面設(shè)計(jì)和施工比較混亂.本文推薦的適應(yīng)不同的交通荷載范圍的四種典型路面結(jié)構(gòu)型式采用了當(dāng)?shù)仄毡槭褂玫闹凡牧希靸r(jià)較低，路面型式簡單，施工方便，易為廣大農(nóng)民群眾接受并推廣使用，不但可以減少政府對(duì)農(nóng)村公路建設(shè)的巨大投入，而且可以規(guī)范低交通量農(nóng)村公路路面的設(shè)計(jì).

［1］ 中華人民共和國交通部.JTG D40－2011公路水泥混凝土路面設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京：人民交通出版社，2010.

［2］ 尹 剛.輕交通量道路上土基等級(jí)的劃分［J］.中國水運(yùn)，2007，（7）：72－73.

［3］ 文 靜.輕交通農(nóng)村公路水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)研究［D］.西安：長安大學(xué)碩士論文，2008.

［4］ 袁承棟.低交通量道路典型路面結(jié)構(gòu)的研究［D］.南京：東南大學(xué)碩士論文，2005.

［5］ 趙桂娟.低交通量道路技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)與路面結(jié)構(gòu)研究［D］.西安：長安大學(xué)碩士論文，2005.

［6］ 韓 輝.低交通量道路瀝青路面和水泥砼路面路面設(shè)計(jì)的研究［D］.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)碩士論文，2007.