張 莉

(山西省交通科技研發(fā)有限公司,山西 太原 030000)

隨著貨運(yùn)需求的不斷提高,貨車載重持續(xù)增大,使很多道路成為重載交通道路,不同于一般道路,重載交通道路的路面更容易受到破壞,使用壽命往往更短,這就需要對(duì)重載道路路面設(shè)計(jì)引起特別重視,在明確重載交通道路主要特點(diǎn)及汽車荷載對(duì)路面結(jié)構(gòu)的作用機(jī)理基礎(chǔ)上,提出合理可行的路面設(shè)計(jì)方法。

1 重載交通道路主要特點(diǎn)

明確重載交通道路具有的各項(xiàng)特點(diǎn)能為后續(xù)道路路面設(shè)計(jì)提供可靠的參考依據(jù)和借鑒,這也是重載路面設(shè)計(jì)關(guān)鍵所在,必須引起相關(guān)人員的高度重視。對(duì)于重載交通道路,其特點(diǎn)可從兩方面入手分析。

(1)交通特性。在重載交通路段范圍內(nèi),車輛荷載等級(jí)相對(duì)較高,車型主要為三軸及以上中大型貨車,載重普遍可以達(dá)到30 t及以上,部分甚至可以達(dá)到100～200 t,盡管這些貨車在總量的占比相對(duì)較小,但會(huì)對(duì)路面結(jié)構(gòu)造成很大損傷,嚴(yán)重時(shí)將導(dǎo)致路面結(jié)構(gòu)破壞。除此之外,在重載道路的交通組成中,載重在10～40 t范圍內(nèi)的貨車是主要組成部分,這些載重量的貨車同樣也會(huì)對(duì)路面結(jié)構(gòu)造成一定程度的損傷破壞。然而,在重載交通路段當(dāng)中,其交通流量通常較低,其原因?yàn)橹剌d貨車實(shí)際行駛速度不快,小車所占比例往往很低[1]。

(2)運(yùn)維狀況。絕大多數(shù)重載交通路段都處在經(jīng)濟(jì)較為發(fā)達(dá)的地區(qū),受到重載車輛通行的持續(xù)作用和影響,路基路面極易遭到破壞,產(chǎn)生包含路基沉陷與局部塌陷,以及邊坡失穩(wěn)等在內(nèi)的問題,同時(shí)路面也會(huì)接連出現(xiàn)一系列病害問題,如裂縫、坑槽、破損,甚至塌陷。這些病害在產(chǎn)生初期并不容易引起相關(guān)人員的注意和重視,若未能在早期及時(shí)有效的修復(fù),將使病害不斷發(fā)展和擴(kuò)張,最終造成更為嚴(yán)重的破壞。大量道路結(jié)構(gòu)破壞實(shí)例表明,道路破壞和重載交通之間存在密不可分的聯(lián)系。

2 汽車荷載對(duì)路面結(jié)構(gòu)的作用機(jī)理

汽車荷載為路面結(jié)構(gòu)施加的作用主要通過輪壓的方式體現(xiàn),輪壓和道路之間的接觸面積相對(duì)較小,當(dāng)汽車處于重載條件下時(shí),會(huì)使局部作用荷載明顯增加,由此對(duì)路面結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的作用具體可分成以下幾種。

(1)彎曲效應(yīng):汽車荷載作用于路面結(jié)構(gòu)的效應(yīng)相當(dāng)于一次性彎曲,這樣會(huì)使路面結(jié)構(gòu)出現(xiàn)受彎變形的現(xiàn)象,此時(shí)一旦面層結(jié)構(gòu)厚度較小或面層材料自身技術(shù)性能較差,則會(huì)在荷載持續(xù)作用下導(dǎo)致拉彎區(qū)域的應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出結(jié)構(gòu)自身承受極限,最終使路面底部產(chǎn)生明顯的開裂現(xiàn)象。除此之外,汽車荷載作用除了包括靜力,因路面不可能做到完全平整,加之汽車從路面上通過后施加的振動(dòng)作用,還會(huì)產(chǎn)生一定動(dòng)力沖擊效應(yīng),在這種情況下很容易產(chǎn)生一次性破壞,特別是在受到超載車作用后[2]。

(2)疲勞效應(yīng):疲勞對(duì)路面結(jié)構(gòu)而言是一項(xiàng)重要性能,在我國(guó)現(xiàn)有公路中,很多路面結(jié)構(gòu)裂縫的出現(xiàn)都和疲勞性能之間存在直接關(guān)系。汽車荷載的反復(fù)施加與卸載必然產(chǎn)生一定程度的疲勞效應(yīng),使路面結(jié)構(gòu)在低于材料自身極限的條件下產(chǎn)生早期裂縫失效。對(duì)于路面結(jié)構(gòu)疲勞效應(yīng),其基礎(chǔ)為受荷載作用后路面結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的損傷效應(yīng),并且隨著超載作用條件下汽車軸載噸位不斷增加,路面結(jié)構(gòu)的疲勞損傷將呈現(xiàn)出指數(shù)增長(zhǎng),造成十分顯著的不利影響。

(3)剪切推移效應(yīng):車輛行駛時(shí)有不同的工況,包括上下坡、制動(dòng)、加速與轉(zhuǎn)彎等,在這些不同工況條件下,路面結(jié)構(gòu)將在車輪作用下產(chǎn)生一定剪切推移,由車輪作用產(chǎn)生的剪切力一般和路面保持平行。在重載車輛的持續(xù)作用與影響下,路面結(jié)構(gòu)所受剪切力將十分明顯,嚴(yán)重時(shí)可能導(dǎo)致面層結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破損。事實(shí)上面層產(chǎn)生的很多病害問題都和剪切推移效應(yīng)有關(guān),包括擁包與推移等[3]。

(4)車轍效應(yīng):現(xiàn)在的路面結(jié)構(gòu)大多使用瀝青混合料作為面層結(jié)構(gòu),因這種材料具有顯著的受高溫后發(fā)生軟化的特性,所以在高溫條件下很容易出現(xiàn)車轍效應(yīng),尤其是在重載交通情況下,車轍問題將更加顯著,因?yàn)檐囖H效果和汽車的載重情況及行駛速度都有直接關(guān)系。

3 重載交通道路路面設(shè)計(jì)

3.1 現(xiàn)行規(guī)范適用性

我國(guó)現(xiàn)行相關(guān)規(guī)范針對(duì)路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要以標(biāo)準(zhǔn)荷載作用與溫度應(yīng)力作用折合成標(biāo)準(zhǔn)荷載累積作用次數(shù)的,同時(shí)和設(shè)計(jì)要求的疲勞壽命進(jìn)行對(duì)比,由此得出累積疲勞損耗情況,為實(shí)際的面層結(jié)構(gòu)工作提供準(zhǔn)則。對(duì)車輛作用進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)軸次換算時(shí),可根據(jù)交通量直接實(shí)施換算,對(duì)于噸位相對(duì)較大的貨車,通過對(duì)換算軸次進(jìn)行充分考慮,對(duì)疲勞效應(yīng)進(jìn)行嚴(yán)格的校核,并未充分考慮受到軸載一次作用后可能產(chǎn)生的彎曲及剪切失效,最終使設(shè)計(jì)不合理。除此之外,在重載交通對(duì)應(yīng)的軸載組成當(dāng)中,可能存在超出規(guī)范要求的載重,盡管這些軸載的組成概率并不高,但會(huì)對(duì)路面結(jié)構(gòu)造成很大影響。如果未能在設(shè)計(jì)過程中充分考慮,則會(huì)使面層結(jié)構(gòu)在大噸位軸載多次作用下產(chǎn)生一次性斷裂失效。按照以上均一化思想進(jìn)行設(shè)計(jì),最直接的后果為使載重相對(duì)較大的區(qū)域的面層結(jié)構(gòu)使用壽命大幅縮短,對(duì)后期維護(hù)和更新都提出了很高要求;而對(duì)于載重相對(duì)較小的區(qū)域,會(huì)使設(shè)計(jì)過于保守,盡管面層結(jié)構(gòu)的使用壽命良好,但也會(huì)由于路基或其它部分發(fā)生破壞使面層結(jié)構(gòu)受到影響[4]。

3.2 明確設(shè)計(jì)思路與步驟

對(duì)于重載交通道路,其路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中應(yīng)先確定道路運(yùn)營(yíng)過程中的臨界荷載,以此為之后設(shè)計(jì)效率的提升奠定良好基礎(chǔ);然后要選擇適宜的軸載換算方式;再采用調(diào)研的方法確定最大服役荷載;最后以標(biāo)準(zhǔn)的交通量為依據(jù)實(shí)施路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),此時(shí)將之前通過調(diào)研確定的最大服役荷載作為驗(yàn)算的參考依據(jù),保證最終設(shè)計(jì)成果的合理性。

對(duì)一般道路而言,按照現(xiàn)行規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì),從理論角度講,重載和非重載道路主要是按照應(yīng)力范圍進(jìn)行劃分的。在實(shí)際工作中需要從推廣與實(shí)用兩個(gè)角度確定設(shè)計(jì)方法是否合理可行。第一方面為道路是否從事專項(xiàng)物資運(yùn)輸或大件貨物運(yùn)輸。第二方面為以采用軸重儀現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果為依據(jù),若設(shè)計(jì)車道上存在特重型軸重車輛,且單軸軸重達(dá)到13 t以上、雙軸軸重達(dá)到26 t以上,則屬于嚴(yán)重的超載現(xiàn)象。當(dāng)現(xiàn)實(shí)情況符合上述兩種條件時(shí),即需要對(duì)其路面結(jié)構(gòu)實(shí)施專門的重載設(shè)計(jì)[5]。

重載交通路段路面設(shè)計(jì)可按照以下步驟進(jìn)行。

(1)收集并整理各類交通資料,如初始年日平均交通量和交通組成、軸載譜、超載方式和超載規(guī)律、歷年交通量與其組成、方向分配系數(shù)、車道分配系數(shù)、軸載年平均增長(zhǎng)率。根據(jù)這些交通資料確定該路段的路面是否屬于重載路面,確定后開展軸載換算,并計(jì)算使用年限內(nèi)該路面的累計(jì)標(biāo)準(zhǔn)軸次。

(2)廣泛收集沿線范圍內(nèi)的地質(zhì)資料、土質(zhì)資料和筑路材料性能基本資料,同時(shí)根據(jù)原路面具體使用情況與破壞狀況,選擇與重載道路良好適應(yīng)的筑路材料,然后初步擬定路面結(jié)構(gòu),接著采用試驗(yàn)的方法確定不同結(jié)構(gòu)層對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)參數(shù),如抗壓回彈模量和抗拉強(qiáng)度。

(3)以設(shè)計(jì)彎沉值為依據(jù)通過計(jì)算確定路面各結(jié)構(gòu)層的厚度,并對(duì)基層與底基層實(shí)施驗(yàn)算,包括彎拉應(yīng)力驗(yàn)算、最大拉應(yīng)力驗(yàn)算與車轍驗(yàn)算,若經(jīng)驗(yàn)算發(fā)現(xiàn)未能達(dá)到要求,則需要對(duì)路面不同結(jié)構(gòu)層的實(shí)際厚度進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整,或?qū)β访娼Y(jié)構(gòu)組合進(jìn)行更改,之后還需要重新進(jìn)行計(jì)算,指導(dǎo)驗(yàn)算通過[6]。

3.3 確定臨界荷載

路面結(jié)構(gòu)累積損傷通常需要汽車荷載達(dá)到某種程度才可以產(chǎn)生效應(yīng),對(duì)不會(huì)產(chǎn)生任何效應(yīng)影響的車輛,可將其忽略不計(jì)?；诖?在設(shè)計(jì)中要確定臨界荷載,這對(duì)提高設(shè)計(jì)工作效率與保證設(shè)計(jì)針對(duì)性都有十分重要的作用和意義。根據(jù)現(xiàn)有研究成果,通常將50%的應(yīng)力視作臨界荷載標(biāo)準(zhǔn),以厚度為18 cm的混凝土面板與層厚為3 cm的瀝青面層為例(前者彎拉強(qiáng)度為4 MPa,下層為15 cm厚天然砂礫和強(qiáng)度為25 MPa的土基,后者下層為20 cm厚石灰土與強(qiáng)度為30 MPa的土基),相關(guān)計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1 路面結(jié)構(gòu)臨界荷載確定

根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果可以看出,在對(duì)水泥路面進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí),可不考慮單軸低于30 kN的軸載與雙軸低于60 kN的軸載。而在對(duì)瀝青路面進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí),可不考慮單軸低于20 kN的軸載與雙軸低于40 kN的軸載[7]。

3.4 軸載換算

軸載強(qiáng)度決定了路面結(jié)構(gòu)受汽車荷載作用后是否發(fā)生一次性破壞,而路面結(jié)構(gòu)疲勞則是在受到反復(fù)軸載作用后產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)損傷。如前所述,車轍病害是由于路面結(jié)構(gòu)受到車輪反復(fù)作用后產(chǎn)生的,剪切推移同樣屬于往復(fù)作用,主要體現(xiàn)為產(chǎn)生剪切破壞。對(duì)現(xiàn)在關(guān)注度較高的疲勞問題而言,需要根據(jù)當(dāng)量軸次來計(jì)算。以目前最常用的瀝青路面為例進(jìn)行分析,現(xiàn)行相關(guān)規(guī)范提出將路面結(jié)構(gòu)彎沉作為對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行控制的主要指標(biāo),采用底部拉應(yīng)力,對(duì)于彎沉等效與拉應(yīng)力等效,可采用以下公式進(jìn)行軸載換算

(1)

式中:N為標(biāo)準(zhǔn)軸載對(duì)應(yīng)的當(dāng)量軸次,次/日;p為標(biāo)準(zhǔn)軸載,可按100 kN考慮;pi表示實(shí)際作用的軸載;C1為軸載系數(shù);C2為輪組系數(shù);n1為作用頻次。根據(jù)軸載換算結(jié)果可得出疲勞應(yīng)力,同時(shí)和設(shè)計(jì)提出的疲勞應(yīng)力容許值進(jìn)行對(duì)比。

3.5 設(shè)計(jì)要點(diǎn)

在實(shí)際的設(shè)計(jì)過程中需要對(duì)路面結(jié)構(gòu)疲勞效應(yīng)與一次性破壞效應(yīng)進(jìn)行同步驗(yàn)證,其中,對(duì)路面結(jié)構(gòu)疲勞問題而言,需要通過軸載換算得出疲勞應(yīng)力,同時(shí)和相關(guān)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施對(duì)比。當(dāng)前采用的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)依然將臨界疲勞應(yīng)力與溫度疲勞應(yīng)力兩者的組合作為主要控制標(biāo)準(zhǔn),要求該標(biāo)準(zhǔn)不能低于面層結(jié)構(gòu)所用材料自身彎拉強(qiáng)度。另外,還要對(duì)一次性破壞進(jìn)行驗(yàn)證,采用調(diào)研的方式確定路面結(jié)構(gòu)服役過程中的極限荷載,同時(shí)驗(yàn)證該荷載持續(xù)作用和影響下面層結(jié)構(gòu)是否出現(xiàn)一次性斷裂[8]。

瀝青路面憑借良好的平整性、抗高溫與耐老化性,以及較小的行車噪音,在當(dāng)前的公路工程中得到越來越廣泛的應(yīng)用。在重載交通路段當(dāng)中,依然建議使用壽命周期相對(duì)較長(zhǎng)的瀝青路面,重點(diǎn)對(duì)瀝青路面進(jìn)行設(shè)計(jì)。根據(jù)瀝青路面受輪載持續(xù)作用后的受力性能和面層分區(qū)可知,從上到下依次為面層、中間層與HMA基層,其中,面層通常采用高質(zhì)量瀝青混合料,中間層采用彈性模量較高,且具有較強(qiáng)抗車轍能力的瀝青混合料,而基層則采用具有較強(qiáng)抗疲勞能力的瀝青混合料。

在汽車荷載持續(xù)作用下,汽車的車輪和路面直接接觸位置下部10～15 cm一般為高受力區(qū),也是容易出現(xiàn)各類病害問題的部位,所以在路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中應(yīng)選擇高質(zhì)量瀝青混合料,以此形成承載面層,在保證承載安全的同時(shí),改善路面使用效果。汽車荷載通過面層后還會(huì)不斷向下層結(jié)構(gòu)擴(kuò)散,此時(shí)要確保和上部面層結(jié)構(gòu)之間有效連接,防止車轍等病害問題的發(fā)生,對(duì)此中間層一般推薦選擇彈性模量較高、具有較強(qiáng)抗車轍病害性能的瀝青混合料。中間層以下則是拉彎應(yīng)力達(dá)到最大的區(qū)域,這一區(qū)域通常要求材料有良好抗彎拉能力,避免由于對(duì)抗性較差出現(xiàn)裂縫或造成破壞,在設(shè)計(jì)中可優(yōu)先考慮柔性較高且抗疲勞能力較強(qiáng)的瀝青混合料,并且還要保證該結(jié)構(gòu)層有足夠的厚度,避免路面結(jié)構(gòu)出現(xiàn)從下到上分布的裂縫及破壞[9]。

對(duì)于使用壽命相對(duì)較長(zhǎng)的瀝青路面,基本上都是以不同結(jié)構(gòu)層受力特點(diǎn)為依據(jù),通過采用特殊材料或結(jié)構(gòu)構(gòu)造方式來使面層結(jié)構(gòu)受力和產(chǎn)生的變形達(dá)到合理,進(jìn)而保證路面結(jié)構(gòu)的安全性與可靠性。實(shí)踐表明,這樣設(shè)計(jì)方法完全可以滿足當(dāng)前的重載交通路面,延長(zhǎng)重載交通路段路面結(jié)構(gòu)服役時(shí)間,并保證行車安全性與舒適性。以倒裝結(jié)構(gòu)為例進(jìn)行分析,它在國(guó)際上得到了很多應(yīng)用,以某實(shí)例為例,其路面結(jié)構(gòu)層次為40 mm厚瀝青面層+160 mm厚級(jí)配碎石+225 mm厚碾壓混凝土+150 mm厚石灰處治層,實(shí)踐表明其使用狀況良好,幾乎沒有產(chǎn)生裂縫;又以某機(jī)場(chǎng)道路為例,其路面結(jié)構(gòu)層次為70 mm厚瀝青面層+100 mm厚級(jí)配碎石+300 mm厚水泥結(jié)粒料+450 mm厚水泥結(jié)粒料,實(shí)踐表明其使用狀況同樣良好。但需要注意,在設(shè)置中間層以后會(huì)使路面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度降低,不同試驗(yàn)段的使用壽命不穩(wěn)定,有很大的變化幅度,平均壽命也比未設(shè)置中間層時(shí)減少了2年左右。

4 結(jié) 語(yǔ)

綜上所述,重載道路數(shù)量的不斷增加對(duì)其路面設(shè)計(jì)提出了更高要求,以上對(duì)重載道路路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行了初步分析與總結(jié),提出具體的設(shè)計(jì)內(nèi)容、方法和要點(diǎn),旨在為實(shí)際的重載道路路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作提供可靠參考依據(jù),保證重載道路路面設(shè)計(jì)合理性與可行性,延長(zhǎng)重載道路路面使用壽命。