陳華軍

(新紀(jì)元公路設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司)

S323線(xiàn)庫(kù)爾勒過(guò)境公路瀝青混凝土路面計(jì)算分析

陳華軍

(新紀(jì)元公路設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司)

路面結(jié)構(gòu)是一種由多種材料組成的多層次的復(fù)雜體系，加之其使用環(huán)境和材料特性以及交通荷載的多變性，給路面設(shè)計(jì)帶來(lái)了許多不確定因素。瀝青混凝土路面具有良好的力學(xué)性能和較好的耐久性以及行車(chē)舒適性，適合各種車(chē)輛通行;在公路建設(shè)中被廣泛采用。結(jié)合實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)，就新疆部分地區(qū)瀝青混凝土路面設(shè)計(jì)提出自己的一些見(jiàn)解。

瀝青混凝土;半剛性基層;彎沉;容許拉應(yīng)力

1 前言

庫(kù)爾勒市境內(nèi)原國(guó)道314線(xiàn)庫(kù)爾勒市天山西路與建國(guó)路交匯處至在上戶(hù)鎮(zhèn)段，由于國(guó)道314線(xiàn)庫(kù)爾勒過(guò)境段改線(xiàn)，該段公路更名為省道323線(xiàn)，全長(zhǎng)12.15 km。該段公路交通量很大，承擔(dān)著南北疆交通樞紐任務(wù)。

2 原有公路現(xiàn)狀調(diào)查

該段原路公路等級(jí)為三級(jí)公路，設(shè)計(jì)車(chē)速為60 km/h;該路段主要病害為縱、橫向裂縫、坑槽、松散、、麻面、啃邊、龜裂、網(wǎng)裂。老路路基寬8.5 m，路面寬7 m，兩側(cè)未設(shè)路緣石。經(jīng)全線(xiàn)老路挖探查明:老路路面結(jié)構(gòu)為2～4 cm瀝青表處下為礫石土。

3 路面結(jié)構(gòu)計(jì)算

3.1 依據(jù)原路彎沉值反算老路基回彈模量

計(jì)算公式

式中:Et為原路面當(dāng)量回彈模量，MPa;P，δ為標(biāo)準(zhǔn)車(chē)型的輪胎觸底壓強(qiáng)，MPa和當(dāng)量圓半徑，cm;Lr為原路面的代表彎沉值，0.01 mm;m1為用標(biāo)準(zhǔn)軸載的汽車(chē)在原路面上測(cè)得的彎沉值與用承載板在相同的條件下所測(cè)得的回彈變形值之比，即輪板對(duì)比值，(比值m1應(yīng)根據(jù)各地的對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果論證地確定，在沒(méi)有對(duì)比試驗(yàn)資料的情況下，可取m1=1.1(輪隙彎沉法)進(jìn)行計(jì)算);m2為計(jì)算與原路面接觸的補(bǔ)強(qiáng)層層底拉應(yīng)力時(shí)，m2按下式計(jì)算;計(jì)算其他補(bǔ)強(qiáng)層層底拉應(yīng)力及彎沉值時(shí)，m2=1.0。

式中:En-1為與原路面接觸層材料的抗壓模量，MPa;h＇為各補(bǔ)強(qiáng)層相當(dāng)于原路面接觸層的模量En-1的等效總厚度(cm)，按下式計(jì)算

式中:Ei為第i層補(bǔ)強(qiáng)材料的抗壓回彈模量，MPa;hi為第i層補(bǔ)強(qiáng)材料的厚度。

依據(jù)公式(1)計(jì)算得老路路面回彈模量結(jié)果如表1。

表1 老路路面回彈模量結(jié)果

續(xù)表1

3.2 軸載換算

老路路面抗壓模量依據(jù)代表彎沉值Lr=120(0.01 mm)計(jì)算，得 Et=136 MPa。

交通量組成(依據(jù)庫(kù)爾勒市人民政府提供數(shù)據(jù))。

(1)當(dāng)以設(shè)計(jì)彎沉值及瀝青層層底拉應(yīng)力為指標(biāo)驗(yàn)算時(shí)，各級(jí)軸載均按下式計(jì)算

式中:N為以設(shè)計(jì)彎沉值及瀝青層層底拉應(yīng)力為指標(biāo)時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)軸載的當(dāng)量軸次(次/d);ni為被換算車(chē)型的各級(jí)軸載作用次數(shù)(次/d);p為標(biāo)準(zhǔn)軸載BZZ-100(100 kN);Pi為被換算車(chē)型的各級(jí)軸載，kN;C1為被換算車(chē)型軸數(shù)系數(shù);當(dāng)軸間距大于3 m時(shí)，應(yīng)按一個(gè)單獨(dú)的軸載計(jì)算;當(dāng)軸間距小于3 m時(shí)，雙軸或多軸的軸數(shù)系數(shù)按公式(5)計(jì)算，式中:m為軸數(shù)。

C2為被換算車(chē)型的輪組系數(shù)，雙輪組為1，單輪組為6.4，四輪組為0.38;K為被換算車(chē)型的軸載級(jí)別。

由交通量組成按公式(4)計(jì)算得:路面竣工后第一年雙向日平均當(dāng)量軸次N1:3432

設(shè)計(jì)年限內(nèi)一個(gè)車(chē)道的累計(jì)當(dāng)量軸次Ne為

公式參考《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》JTG D50-2006

按式(6)計(jì)算得:設(shè)計(jì)年限內(nèi)一個(gè)車(chē)道的累計(jì)當(dāng)量軸次Ne為:7.683×106。

(2)以半剛性材料層的拉應(yīng)力為設(shè)計(jì)指標(biāo)時(shí)，各種車(chē)輛的前、后軸均應(yīng)按公式(6)換算成標(biāo)準(zhǔn)軸載P的當(dāng)量作用次數(shù)N'。

式中:N＇為以半剛性材料層的拉應(yīng)力為設(shè)計(jì)指標(biāo)時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)軸載的當(dāng)量作用次數(shù)(次/d);C＇1為軸數(shù)系數(shù);以拉應(yīng)力為設(shè)計(jì)指標(biāo)時(shí)，雙軸或多軸的軸數(shù)系數(shù)按式(8)計(jì)算，m為軸數(shù)。

式中:C＇2為輪組系數(shù)，雙輪組為1.0，單輪組為18.5，四輪組為0.09。

由交通量組成按公式(7)計(jì)算得:路面竣工后第一年雙向日平均當(dāng)量軸次N＇1:5 546

按式(6)計(jì)算得:設(shè)計(jì)年限內(nèi)一個(gè)車(chē)道的累計(jì)當(dāng)量軸次N＇e為:1.242 ×107。

3.3 設(shè)計(jì)彎沉計(jì)算

設(shè)計(jì)彎沉值應(yīng)根據(jù)公路等級(jí)、設(shè)計(jì)年限內(nèi)累計(jì)標(biāo)準(zhǔn)當(dāng)量軸次、面層和基層類(lèi)型按式(9)計(jì)算確定。

取值參考《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》JTG D50-2006

由公式(9)計(jì)算得:路面設(shè)計(jì)彎沉值:ld=27.7(0.01 mm)

3.4 容許拉應(yīng)力計(jì)算

路面結(jié)構(gòu)層擬采用:面層采用中粒式瀝青混凝土(AC-16);基層采用4%水泥穩(wěn)定砂礫(半剛性基層);墊層采用天然砂礫。

計(jì)算瀝青混凝土層、半剛性基層以拉應(yīng)力為設(shè)計(jì)指標(biāo)時(shí)的容許拉應(yīng)力材料的容許拉應(yīng)力σR應(yīng)按下列公式計(jì)算

式中:σR為路面結(jié)構(gòu)層材料的容許拉應(yīng)力，MPa;σS為瀝青混凝土或半剛性材料的極限劈裂強(qiáng)度，MPa;對(duì)瀝青混凝土的極限劈裂強(qiáng)度，系指15℃時(shí)的極限劈裂強(qiáng)度;對(duì)水泥穩(wěn)定類(lèi)材料齡期為90 d的極限劈裂強(qiáng)度，MPa;Ks為抗拉強(qiáng)度結(jié)構(gòu)系數(shù)。

對(duì)瀝青混凝土面層的抗拉強(qiáng)度結(jié)構(gòu)系數(shù)，按式(11)計(jì)算

對(duì)無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定集料類(lèi)抗拉強(qiáng)度結(jié)構(gòu)系數(shù)，按式(12)計(jì)算:

本項(xiàng)目中依據(jù)《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》JTG D50—2006附錄E中表E.1和表E.2得:中粒式瀝青混凝土劈裂強(qiáng)度σS取1.2;水泥穩(wěn)定砂礫劈裂強(qiáng)度σS取0.6。

依據(jù)式(11)、式(12)計(jì)算得:瀝青混凝土面層抗拉結(jié)構(gòu)系數(shù)為2.67;水泥穩(wěn)定砂礫抗拉強(qiáng)度結(jié)構(gòu)系數(shù)為1.94。

由式(10)計(jì)算得:瀝青混凝土容許拉應(yīng)力為0.45(MPa);水泥穩(wěn)定砂礫容許拉應(yīng)力為0.31(MPa)。

3.5 路面結(jié)構(gòu)厚度計(jì)算

路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)雙圓均布垂直荷載作用下的彈性層狀連續(xù)體系理論計(jì)算。

按新疆地區(qū)路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，初擬路面結(jié)構(gòu)層:面層采用中粒式瀝青混凝土(AC-16);基層采用4%水泥穩(wěn)定砂礫(半剛性基層);墊層采用天然砂礫(為未知結(jié)構(gòu)層)并計(jì)算其厚度。

表2

按設(shè)計(jì)彎沉值計(jì)算設(shè)計(jì)層厚度

設(shè)計(jì)彎沉ld=27.7(0.01 mm)

當(dāng)h3=20 cm(天然砂礫厚度)，LS=23.5(0.01 mm)(輪隙中心處路表設(shè)計(jì)彎沉值)

由于設(shè)計(jì)層厚度h3=20 cm時(shí)LS＜=Ld，故彎沉計(jì)算已滿(mǎn)足要求。

(第1層底面拉應(yīng)力驗(yàn)算滿(mǎn)足要求)

按容許拉應(yīng)力驗(yàn)算設(shè)計(jì)層厚度，水泥穩(wěn)定砂礫容許拉應(yīng)力為σR=0.31(MPa)

當(dāng)h3=43.5 cm(第2層底面拉應(yīng)力驗(yàn)算滿(mǎn)足要求)

路面設(shè)計(jì)層厚度:

h3=43.5 cm(同時(shí)考慮彎沉和拉應(yīng)力)

最后得到路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)結(jié)果如下:5 cm中粒式瀝青混凝土+29水泥穩(wěn)定砂礫+44天然砂礫。

［1］公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)(JTG B01-2003)［S］.北京:人民交通出版社，2004.

［2］公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范(JTG D50-2006)［S］.北京:人民交通出版社，2007.

［3］嚴(yán)家伋.道路建筑材料(第三版)［M］.北京:人民交通出版社，2004.

［4］鄧學(xué)鈞.路基路面工程(第三版)［M］.北京:人民交通出版社，2008.

［5］姚祖康公路路面設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］.北京:人民交通出版社，1998.

U416.217

C

1008-3383(2012)07-0073-02

2012-05-29