重载道路路面设计问题浅析

摘要：以某新建绕城高速为例，在进行其未来交通量预测后将其定性为重载交通路段，并对重载道路路面车辆荷载作用机理进行属性分析，为提升重载道路路面路用性能和使用寿命，从临界荷载、轴载的换算、弯沉值确定、沥青路面面层结构及轮载作用等方面进行了其重载道路路面设计探讨，望能为同类工程挺借鉴。

关键词：重载道路；路面；临界荷载；弯沉值；设计

0引言

随着我国经济发展速度的加快，道路所承受的交通荷载不断增大。现有研究成果大多集中在重载道路受力结构方面，对于重载道路交通特性研究较少，所以基于新建道路工程分析重载道路交通特征以及重载道路路面设计问题对于指导道路设计规划和交通管理具有重要意义。

1拟建重载道路概况

根据预测，拟建环绕某市区的绕城高速交通构成情况复杂，对其交通量分类统计后，将统计结果换算成标准车，结果显示，道路投运后，重型货车、集装箱货车等交通量会逐年增大，大客车和大货车占比有降低趋势；环线路段车辆荷载等级均较大，且大部分车辆为三轴及以上载重量至少30t的货车，少数严重超载货车的最大载重量甚至达到200t。重载道路荷载规范为10～40t[1]，且对重载交通量有较严格限制，载重货车因行驶速度缓慢，安全隐患突出，因此成为导致道路路面破坏及影响道路安全行驶的主要因素，大部分路段交通量饱和度在0.8以上，道路拥堵，属三级服务水平。

2重载道路路面车辆荷载作用机理

车辆荷载对道路路面的作用主要通过轮压体现，一般情况下轮压和道路路面接触面积小，而重载道路接触面积和局部作用荷载显著增加，这种影响主要包括弯曲效应、剪切效应、疲劳效应和车辙效应。

2.1弯曲效应

行车对路面的作用整体来看属于一次性弯曲作用，路面在弯曲变形的影响下，如果材料性能不佳或面层厚度不足，便会使荷载作用下的弯拉应力超出结构承载力极限值，造成路面底部开裂；车辆对道路路面的作用既包含静力部分，又包含因路面平整度不佳、车辆振动等所引起的动力冲击效应，在重载条件下上述效应尤为明显。

2.2疲劳效应

疲劳是道路路面结构性能的具体体现，根据设计经验，大多数道路路面发生裂缝等病害均与其疲劳性能直接相关，车辆反复加载及卸载使道路路面在材料极限情况下提前产生裂缝；道路路面在持续荷载作用下的损伤效应是疲劳效应的基础，在重载作用下轴载吨位增加，疲劳损伤便以指数形式递增[2]，疲劳损伤加剧。

2.3剪切推移效应

行车刹车、上下坡、转弯等操作下其车轮不可避免地会对路面造成剪切推移影响，重载情况下这种剪切推移更加显著，会直接导致路面结构层破损，引发路面推移、拥包等病害。

2.4车辙效应

沥青路面结构的沥青材料具有高温软化特性，在高温、大载重量等情况下发生车辙病害的可能性较大。

3重载道路路面设计

考虑到重载道路路面设计的特殊性和困难性，需在最大服役荷载调研的基础上明确该重载道路运营过程中使用荷载临界情况以及轴载换算，根据标准交通量进行路面设计，依据服役荷载最大值进行设计验算。

3.1临界荷载

车辆荷载只有达到一定吨位和碾压次数才能对道路路面产生累积损伤影响，对于吨位不足及碾压次数较少的车辆可忽略不计，所以临界荷载值的确定对保证设计效率、提升设计方案针对性十分重要。当前相关规范和工程实践中均以50%的应力水平为标准进行临界荷载值的确定，在沥青路面设计时，不考虑单轴设计轴载小于20kN及双轴轴载小于40kN的情况。

3.2轴载的换算

轴载强度体现的是车辆荷载对道路路面结构一次性破坏的程度，在轴载反复累计作用下引起道路路面结构损伤即为路面疲劳，车辙也是车轮反复作用的结果。根据设计规范，沥青混凝土路面以路面弯沉为设计控制指标，以底部拉应力为失效判定标准，所以本重载道路路面设计分别以弯沉等效和拉应力等效进行标准轴载换算。该公路重载路段路面设计荷载标准按照双轮组单轴载100kN确定，并采用沥青混凝土路面行驶，车道系数按0.45确定，设计使用寿命15a，按照《公路沥青路面设计规范》（JTGD50—2017）进行轴载换算[3]，具体公式如式（1）：N''=∑i=1kC'C'2ni(P)iPb（1）式中：N''为标准轴载当量轴次；ni为待换算车辆各级轴载作用次数；C'为轴数系数；C'2为轮组系数，双轮组取6.4，单轮组和四轮组取0.38；Pi为待换算车辆轴载；P为设计轴载，取100kN；b为换算指数。本重载道路路面设计累计当量轴次比分别以设计弯沉值与沥青层层底拉应力、半刚性基层层底拉应力、刚性基层层底拉应力三部分内容为轴载换算设计指标，车道日平均当量轴次设计结果分别为3840次/d、4255次/d、6630次/d。在设计年限内，交通量增长率预测值和实际值存在一定出入，为此必须进行累计当量轴次的分段计算，以调整预测交通量增长率。最终确定该路面病害路段属于重载交通路段。

3.3弯沉值确定

重载沥青道路路面设计指标主要有车辙、基层层底拉应力、路标弯沉等，但是根据类似工程既有经验，车辙预估模型在实际应用中面临较大的局限，故本道路主要基于重载路面受力及损坏特性采用弯沉值设计控制指标，以底基层层底弯拉应力及半刚性基层为最终检验指标，计算其最大轴载应力。弯沉值按式（2）[4]确定：ld=600N-0.2eAcAsAb（2）式中：ld为弯沉值（×10-2mm）；Ne为设计使用年限内单车道当量轴次，即以层底拉应力及弯沉值为设计指标时的当量轴次；Ac为道路等级系数；As为道路面层类型系数；Ab为道路路面结构类型系数。将所得出的设计弯沉值进行修正，修正系数按照式（3）取值：F=1.63(l)s/2000δ0.38(E)0P0.36（3）式中：F为设计弯沉值修正系数；ls为道路路面计算弯沉值，取0.01mm；δ为标准车型轮胎当量圆半径；E0为土基抗压回弹模量；P为标准车型轮胎接地压强。3.4路面设计要点进行重载道路路面设计前必须根据其实际荷载范围选用设计方法，首先考虑道路承担大量货物及专项物资运输的频次，再根据轴重仪实测结果进行路面设计。在重载道路路面设计的同时还应根据换算轴载确定疲劳应力，进行路面疲劳效应和一次性破坏效应的验证。现有的公路路面设计标准主要采用临界疲劳应力和临界温度疲劳应力组合的控制标准，并应将其控制在道路路面层材料弯拉强度范围内。还应进行道路路面服役极限荷载调研，并据此进行路面结构是否会发生一次性断裂失效的验证。考虑到沥青混凝土路面具有较好的平整性、低噪声、抗高温和耐老化等性能，本道路路面应采用长寿命沥青路面设计，自上而下分别为高质量沥青混凝土面层、高弹性模量抗车辙沥青混凝土中间层、高柔性抗疲劳沥青混凝土HMA基层。在重载交通作用下，车轮和路面接触面以下100～150mm范围受力最大，也是多种病害发生概率最大的区域，所以该区域承载面层必须采用高质量沥青混凝土材料；车轮荷载经由面层向下部中间层扩散，并应与上部面层存在有效连接，防止出现车辙病害，所以下部中间层应使用高模量抗车辙沥青混凝土材料；车轮荷载最后传递至路面拉弯应力最大的HMA基层区域，该区域对沥青混凝土材料抗弯拉性能有较高要求，故采用高柔性抗疲劳沥青混凝土材料，确保其具备足够的抵抗性，避免发生由下至上的开裂和破坏。

4结语

该拟建环绕某市区的绕城高速于2018年初开工，2019年末建成投运，运行至今其道路路面结构稳定性良好，实际交通量与道路建设前所预测的交通量基本吻合，路面设计方案科学合理。本文所进行的重载道路路面结构设计的研究结果对类似工程具有参考价值。

参考文献：

[1]陈广浩.浅析重载道路路面的设计方法[J].城市道桥与防洪，2014（8）：27-29.

[2]陈文甫.重载道路路面设计方法分析[J].工程建设与设计，2021（6）：81-82.

[3]中交路桥技术有限公司.公路沥青路面设计规范：JTGD50—2017[S].北京：人民交通出版社股份有限公司，2017.

[4]孟琦.重载交通路段的道路路面设计方法探析[J].公路交通科技（应用技术版），2017（10）：156-157.

作者:郭东亮 单位:江西省市政工程设计研究院有限公司