二級公路路面結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計分析

柳 毅

（新疆維吾爾自治區(qū)交通規(guī)劃勘察設(shè)計研究院，新疆 烏魯木齊 830000）

引言

隨著我國社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，全國公路通車里程不斷增加，水泥路面在較低等級公路、鄉(xiāng)村道路中仍占據(jù)較大比重，不過也存在設(shè)計時考慮不貼合實際、對未來預(yù)測不準，施工質(zhì)量控制差，運營過程中車輛超載嚴重及后期養(yǎng)護不及時等問題。若前期設(shè)計不合理必將導(dǎo)致水泥混凝土在施工、運營過程中在短時間內(nèi)產(chǎn)生各種病害，故在設(shè)計時應(yīng)嚴控設(shè)計質(zhì)量，提升公路建設(shè)的品質(zhì)和水平。

近年來隨著經(jīng)濟、旅游及其他行業(yè)的快速發(fā)展，居民對公路的需求和要求日益增加，依托某縣內(nèi)某二級公路的項目建設(shè)，對路面結(jié)構(gòu)進行設(shè)計與分析。水泥路面具有施工工序、施工速度快、路面強度高、溫度穩(wěn)定性好、無車轍、施工能耗低、總體造價低、水泥與集料易獲取等優(yōu)點，在國內(nèi)較為廣泛的應(yīng)用[1-2]，考慮總投資、材料來源等因素本項目采用水泥混凝土路面。

1 項目概況及分析

依照二級公路標準進行設(shè)計，設(shè)計速度為40 km/h，路基寬8.5 m。依據(jù)我國現(xiàn)有水泥路面設(shè)計規(guī)范中相關(guān)規(guī)定，以水泥混凝土的彎拉強度大于行車與溫度綜合作用產(chǎn)生的疲勞應(yīng)力作為設(shè)計標準，并將最大軸載與溫度的綜合作用不產(chǎn)生極限斷裂作為路面結(jié)構(gòu)的驗算標準[3-4]，即路面結(jié)構(gòu)滿足:

式中：σpr—荷載疲勞應(yīng)力，MPa；σp,max—最大荷載疲勞應(yīng)力，MPa；σtr—溫度疲勞應(yīng)力值，MPa；σt,max—最大溫度疲勞應(yīng)力值，MPa。

經(jīng)對項目周邊水文、地質(zhì)等資料的搜集及對現(xiàn)有相關(guān)公路的調(diào)查，該地區(qū)為公路自然區(qū)劃Ⅳ區(qū)，地下水位距路床頂?shù)木嚯x為1.5 m，以低液限黏土為準，周邊石料以石灰?guī)r為主。項目最大軸重為180 kN，初期軸載作用次數(shù)為135次，在設(shè)計基準期20 a內(nèi)，年平均增長率為5%，可得設(shè)計基準期內(nèi)Ne為89.61萬次，屬于中等交通。

2 路面參數(shù)及路面結(jié)構(gòu)的擬定

2.1 路面參數(shù)的選取

項目目標可靠度為85%，依據(jù)當?shù)仄渌椖肯嚓P(guān)資料，變異水平可取中級，可靠度系數(shù)取1.10；路床回彈模量在考慮濕度影響后，回彈模量為56 MPa；混凝土彎拉強度標準值為4.5 MPa，石灰?guī)r的線膨脹系數(shù)為 7.0×10-6℃。

2.2 路面結(jié)構(gòu)的擬定

初步擬定的路面結(jié)構(gòu)為：0.2 cm水泥混凝土+（2×0.2 cm）水泥穩(wěn)定碎石+路基（回彈模量為56 MPa），混凝土的彎拉模量為29 GPa、泊松比為0.15，基層水穩(wěn)回彈模量為2 000 MPa。

車道平面尺寸為5 m×4.25 m，并采用設(shè)傳力桿的縮縫和帶拉桿的縱縫形式。

2.3 路面結(jié)構(gòu)驗算

2.3.1 荷載疲勞應(yīng)力計算

采用分離式雙層板計算模型，通過計算得到地基Et=271.998 MPa；由上、下層板的厚度、泊松比和模量，可得上層板彎曲剛度Dc=19.78 MN·m，下層板彎曲剛度Db=1.74 MN·m，總相對剛度半徑rg=0.519 m。求得在標準軸載、最大軸載作用下產(chǎn)生的荷載應(yīng)力值σps=1.65 MPa、σpm=2.868 MPa。

根據(jù)路肩類型、累計作用次數(shù)、公路等級，kr、kf、kc分別取0.87、1.29、1.05。將以上數(shù)據(jù)代入公式：

求得荷載疲勞應(yīng)力σpr=1.94 MPa和最大荷載疲勞應(yīng)力σp,max=2.62 MPa。

2.3.2 溫度疲勞應(yīng)力的計算

根據(jù)項目所在區(qū)域，最大溫度梯度取90℃/m，at、bt、ct分別為0.843、1.323和0.058，并基于上、下層板的厚度、模量、彎曲剛度、面板尺寸等參數(shù)，求得面層和基層之間豎向剛度kn=5 753.97 MPa、層間接觸狀況參數(shù)rβ=0.129 m、溫度翹曲應(yīng)力參數(shù)CL=1.064，進而求得溫度應(yīng)力系數(shù)BL=0.777 1。

將以上數(shù)據(jù)代入公式：

求得最大溫度應(yīng)力值σt,max=1.388 MPa。

根據(jù)at、bt、ct求得溫度疲勞應(yīng)力系數(shù)kt=0.389,代入公式，求得溫度疲勞應(yīng)力值σtr=0.54 MPa。

2.3.3 極限狀態(tài)核算

將計算得到的荷載疲勞應(yīng)力、最大荷載疲勞應(yīng)力、溫度疲勞應(yīng)力、最大溫度梯度疲勞應(yīng)力等值代入公式（1）、公式（2），所得核算結(jié)果：

核算結(jié)果滿足規(guī)范要求[3-4]，并依據(jù)要求在面層板增加6 mm磨耗層，且按10 mm取整，水泥混凝土板的厚度為0.21 m。

3 水泥路面優(yōu)化設(shè)計分析

3.1 公路等級的選取

公路等級的不同在設(shè)計中對路面施工時的可靠性、路面的彎拉強度等參數(shù)有直接影響。我國現(xiàn)有規(guī)范中公路分為五個等級，設(shè)計時需結(jié)合前期可研、初設(shè)等調(diào)查資料中交通需求情況、服務(wù)地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展狀況、人口密度等相關(guān)因素確定，本項目在綜合該待建公路以上各種因素后將其確定為二級公路。

3.2 路面材料選用及施工

3.2.1 基層材料

基層作為路面結(jié)構(gòu)中的主要承重層，基層材料對路面在設(shè)計基準期內(nèi)正常且穩(wěn)定地使用起著關(guān)鍵的作用，基層材料選擇不當，易在較短時間內(nèi)產(chǎn)生損害，影響路面結(jié)構(gòu)的正常使用。根據(jù)其他現(xiàn)有路面調(diào)查分析，特別是在較低等級的公路和施工質(zhì)量較差等情況，抗沖刷能力較差的基層，通車一段時間后，在較多雨水和受其他地下水影響下，經(jīng)車輛反復(fù)碾壓極易造成板底脫空進而產(chǎn)生唧泥、板塊斷裂等病害[5]，嚴重影響行車感受和安全。

根據(jù)我國多年工程實踐經(jīng)驗，水泥穩(wěn)定碎石基層具有強度高、抗凍性好、抗沖刷能力強等優(yōu)點而在重、中交通等級公路中廣泛使用，在特重和極重交通等級情況下，應(yīng)根據(jù)情況合理選用瀝青混凝土、碾壓混凝土和貧混凝土等作為基層材料，保證公路路面結(jié)構(gòu)的正常使用。

3.2.2 面層材料

我國四季溫度差別較大，在水泥混凝土設(shè)計時，必須設(shè)置橫向脹縫、縮縫，并根據(jù)面板寬度情況設(shè)置縱縫，防止或減緩混凝土面板在溫度變化較大情況下產(chǎn)生裂縫，進而產(chǎn)生斷板現(xiàn)場。為保證路面結(jié)構(gòu)具有較長的使用壽命，一般在設(shè)計、施工過程中在橫縫位置處設(shè)置滿足功能需求的拉桿和在縱縫位置設(shè)置傳力桿等。

3.2.3 路面結(jié)構(gòu)組合

在設(shè)計時，路基填料應(yīng)根據(jù)公路等級選取合適的材料，避免為將路床達到更高強度的要求而舍棄項目周邊現(xiàn)有材料使路面結(jié)構(gòu)強度冗余、項目投資不合理；若現(xiàn)有材料難以滿足材料強度或其他要求時，應(yīng)合理摻加外加材料或更替填料，如根據(jù)地勘報告，現(xiàn)有土質(zhì)強度達不到相應(yīng)規(guī)范對路床的強度要求時，可在一定深度范圍內(nèi)摻入3%～6%的水泥或經(jīng)施工方法、經(jīng)濟因素等對比選用其他處理方法。

應(yīng)對擬定路面結(jié)構(gòu)進行設(shè)計分析，即要避免路面結(jié)構(gòu)驗算不滿足規(guī)范，又要避免路面結(jié)構(gòu)強度冗余過多。擬定路面結(jié)構(gòu)前，應(yīng)充分調(diào)查擬建項目現(xiàn)有情況，合理選擇最大軸重、交通量、基層和面層的材料類型，初步擬定不同類型、不同厚度的路面結(jié)構(gòu)，并通過與其他類似項目的對比分析，最終確定更符合項目要求的類型，保證路面安全、舒適、耐久的使用，且避免項目總投資不合理的浪費。

3.2.4 路面設(shè)計目標及質(zhì)量保障措施

為保證公路項目在設(shè)計基準期內(nèi)能滿足項目服務(wù)區(qū)域經(jīng)濟的快速發(fā)展、人們對公路的日益增長的需求和出行安全，應(yīng)在項目實施過程中充分考慮公路的可靠性與安全性分析[6]。而公路等級直接影響水泥混凝土路面安全等級，故路面結(jié)構(gòu)設(shè)計的目標應(yīng)結(jié)合公路的（安全）等級進行綜合控制和管理，在嚴格控制以上各個因素的前提下，進行施工技術(shù)優(yōu)化、施工質(zhì)量高效管理和控制可使項目在設(shè)計、施工過程中安全水平得到有效的保證，從而保證水泥混凝土在設(shè)計基準期內(nèi)路面結(jié)構(gòu)不發(fā)生結(jié)構(gòu)性損害，減少運營后期養(yǎng)護成本、增加路面結(jié)構(gòu)使用周期。

在路面結(jié)構(gòu)設(shè)計、驗算過程中，根據(jù)確定的可靠性指標、周邊類似項目確定合理、精確可靠更為與實際貼合的設(shè)計參數(shù)，提供工程的整體設(shè)計質(zhì)量。在擬定路面結(jié)構(gòu)不滿足規(guī)范要求時，可通過調(diào)整各個層位材料類型和厚度等方面進行改善，隨前期工程總成本較大，但運營過程中對路面的養(yǎng)護費用、養(yǎng)護周期相對較少，從而達到后期養(yǎng)護時間和次數(shù)減少的目的。

3.2.5 交通量的確定

設(shè)計車道在標準軸載作用下累計作用次數(shù)是水泥路面交通荷載等級劃分的標準[1,3]，而累計作用次數(shù)與現(xiàn)有交通量調(diào)查、年平均增長率有直接的關(guān)系。年平均增長率與服務(wù)區(qū)域的設(shè)計經(jīng)濟發(fā)展、旅游、工業(yè)等因素確定，交通量一般通過兩種方式確定：（1）對于新建公路，通過對現(xiàn)有其他公路及其他交通運輸方式的資料收集，對本項目交通轉(zhuǎn)移流入量進行預(yù)測，其確定具有一定的主觀性，故在項目建議書、可研階段應(yīng)充分調(diào)查和研判。（2）對于舊路改造（拓寬、加鋪及改線），應(yīng)對舊路的交通進行調(diào)查，確定初始年時（雙向）年平均交通量、車輛類型分布情況，包含大型客車、貨車等的交通量，不含2軸4輪及其以下的車輛（客車、貨車），并對平均日交通量進行軸載換算，從而確定累計作用次數(shù)和交通荷載等級。

3.2.6 其他問題及對策

（1）縱向接縫在變寬段時要求設(shè)置螺紋鋼筋的拉桿，縱縫位置寬度應(yīng)大于1 m；施工時鋪筑路面的寬度大于4.5 m時，必須設(shè)置縱向縮縫；在路基可能產(chǎn)生不均勻沉降處、混凝土板為銳角或不規(guī)則形狀時，應(yīng)對面板內(nèi)進行布設(shè)鋼筋，避免產(chǎn)生沉降差異和板角斷裂等情況。（2）混凝土路面結(jié)構(gòu)存在縱縫、橫縫等原因，使得路面結(jié)構(gòu)易滲入雨水或其他地表水，為避免其形成高孔隙水壓力及對路面結(jié)構(gòu)的其他損害，可設(shè)置瀝青下封層，并可增大路面橫坡、設(shè)置碎石路肩排水層等措施。（3）路面設(shè)計時，應(yīng)充分考慮施工條件及其優(yōu)化措施，合理提高施工時機械化水平、并結(jié)合最新科研成果中檢測手段（如無損檢測），保證施工質(zhì)量的可靠性和穩(wěn)定性。

4 結(jié)語

通過對某二級公路路面結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析，擬定出滿足規(guī)范和現(xiàn)狀需求的路面結(jié)構(gòu)，并對路面結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計分析。結(jié)果表明：（1）在路面結(jié)構(gòu)設(shè)計、計算過程中，各參數(shù)的來源應(yīng)嚴謹、可靠，避免由于參數(shù)選取錯誤導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)不滿足要求或者冗余過大的情況。（2）為保證路面結(jié)構(gòu)的正常使用，應(yīng)合理設(shè)置排水設(shè)施、混凝土內(nèi)布設(shè)鋼筋及其他措施等。（3）在確定擬建公路的適用目的條件下，結(jié)合周邊類似項目經(jīng)驗，優(yōu)化設(shè)計方案，進一步提高設(shè)計質(zhì)量，為路面質(zhì)量奠定基礎(chǔ)。