沥青商品混凝土路面在公路建设中起到非常重要的作用，其路面好坏直接影响着汽车通行的平稳性、舒适性和行车速度，而在设计过程中，各类参数的正确选用对路面能否适应行车需要起着至关重要的作用。本文就沥青路面设计交通荷载的车辆种类、轮压和标准轴载、车道系数、路面结构材料参数等方面进行了分析。

关键词: 沥青路面；结构设计；参数

随着社会的发展和技术的进步，沥青路面应用越来越广泛，合理的路面结构设计在控制质量方面起着重要的基础性作用。在进行路面结构设计时必须根据路面完工后实际的受力情况来确定合理的路面各类设计参数,包括交通荷载参数及路面结构材料参数，以确保路面结构设计合理,施工及质量管理有的放矢。

1、交通荷载

1.1车辆种类

客车又分为小客车、中客车与大客车。小客车自身质量与满载总质量都比较轻；中客车一般为包括6个座位至20个座位的中型客车；大客车一般是指20个座位以上的大型车(客车包括铰接车和双层客车)。公路上行驶的长途客车一般为两轴,座位数在40～50人之间,还有一些进口的长途客车,座位数约70人,这些长途客车满载总重在10t左右,根据实际轴荷载的分布情况,大客车的轴荷与中型货车十分接近,力学分类可以归为一类。对于货车而言,吨位低于8t的为中小型货车,8t以上的为重型货车。

路面结构设计与验算使用的参数是设计年限内的车道标准轴载累计作用次数。实际计算时,对沥青路面,只将轴载大于25kN的汽车计入，其余的对标准轴载作用次数影响极小,一般忽略不计。

1.2标准轴载

由于作用在路面的设计荷载千变万化,一般选用一种轴载作为路面结构设计的标准车载,其他各种车载按照一定的原则换算成标准轴载。而标准轴载一般要求对路面的响应较大、同时又能反映本国公路运输运营车辆的总体轴载水平。为了统一设计标准和便于交通管理,各个国家对标准轴载均有明确的规定。我国根据公路运输运营车辆的实际,公路与城市道路有关路面设计规范中均以100kN作为设计标准轴重。

接地压力和设计标准轴重是荷载设计的两个最基本的参数。

当量圆形的半径R确定。

R=(P/(π×P))1/2=(100×103/(3.14×0.7×106))1/2=21.30cm

轮胎压力大小对路面厚度的影响很大。计算表明,在结构相同的刚性路面中,轮胎压力增大70kPa,需增加板厚约0.5cm。主轮轴型式对路面厚度影响较大。计算表明,若车辆总质量不变,主轮轴为单轮时的路面厚度为100%,则主轮轴为双轮时路面厚度为80%,主轮轴为双轴双轮时路面厚度为60%。两轮中心距为1.5d,是经统计分析得出的。

1.3 车道系数

轮迹横向分布系数应用到路面设计中以前,还应分析一下荷载作用下,轮迹以外一定范围内的路面结构中所引起的不同程度的疲劳损坏。计算表明,对于国内典型沥青路面结构,在轮迹外50cm间隔内,该荷载产生的破坏作用,最大相当于增加10%作用次数的影响,更远距离处则可以不计；对于刚性路面板,相邻条带上的荷载要为该条带计算值最大增加6%的影响。可见轮迹范围外虽有影响但并不大。

根据典型路段轮迹横向分布的规律,可把轮迹横向分布系数划分为五个类别,可相应地列出各个类别的轮迹横向分布系数值。双向单车道1.0,双向两车道0.6～0.7,双向四车道0.4～0.5,双向六车道0.3～0.4,双向八车道0.25～0.35。

1.4轴载换算方法

由于路面实际作用的车辆种类繁多,必须将不同的车辆按照一定的原则进行换算。路面设计在进行轴载换算时,应该遵循两项原则:

(1)不同轴载在同一路面结构上重复作用不同次数后,使路表弯沉值或层底拉应力达到同一极限状态。

(2)对某一种交通组成,不论以那种轴载标准进行换算,由换算所得轴载作用次数计算的路面厚度是相同的。

现行设计方法中采用弯沉指标和基层底弯拉应力指标,因此,轴载换算时考虑了以弯沉为指标的轴载换算和弯拉应力为指标的轴载换算方法。

2、土基回弹模量

回弹模量能较好地反映地基所具有的部分弹性性质,所以,在以弹性半空间体地基模型表征土基的受力特性时,可以用回弹模量表示土基在瞬时荷载作用下的可恢复变形性质。我国公路水泥商品混凝土路面、沥青路面设计方法中,都以回弹模量E作为地基的刚度指标,为了模拟车轮印迹的作用,通常都以圆形承载板压入土基的方法测定回弹模量。

路基回弹模量E0的确定方法大致有以下几种:

(1)应用直径30.4cm的刚性承载板在现有道路的土基顶面进行试验经修正后确定；

(2)应用落锤式弯沉仪(FWD)进行现场试验,然后根据试验确定的FWD测定的回弹模量与承载板测定的回弹量回归公式换算；

(3)根据室内或现场CBR试验结果,利用CBR与回弹模量的相关关系推算；

(4)根据路基顶面的回弹弯沉推算；

(5)根据路基土的稠度与压实度,利用事先得到的回弹模量与稠度(或相对含水量)和压实度的关系式确定。

由第(1)与第(2)方法得到的土基回弹模量与实际比较吻合,但需要根据土基不利季节含水量进行修正；第(3)种方法是国外经常采用的方法之一；其他方法可以间接推算土基回弹模量,但事先应进行一系列试验,得到所需的关系式,而且,推算的回弹模量的准确度和精度均较差。

3、路面结构层设计参数

路面结构由不同的材料逐层铺筑而成,不同的材料有不同的力学强度特性和相应的结构设计参数,路面力学计算理论一般建立在弹性力学基础上,除结构参数外,还有路面结构的材料类数、材料的计算参数包括模量和泊松比。泊松比一般比较稳定,在路面设计时一般对特定的材料选用一定的泊松比,如土基和无黏结材料的泊松比取0.35、无机结合料稳定材料的泊松比取0.25、沥青商品混凝土材料的泊松比取0.25、水泥商品混凝土材料的泊松比取0.15等。路面结构材料的模量值是表征材料刚度的指标,常用的测试方法有单轴压缩试验、直接劈裂试验、弯拉试验等。由于路面结构材料的非线性特性,路面结构模量根据计入变形的不同分为形变模量和回弹模量,形变模量中的变形包括回弹变形和塑性变形,回弹模量中的变形仅考虑材料的回弹变形。

由于不同的材料有不同的力学强度特性,相应的参数取值和试验方法也不同。我国沥青路面设计采用抗压回弹模量和劈裂强度进行设计计算,规定沥青混合料的弯沉计算时抗压回弹模量的试验温度为20℃、弯拉应力验算时抗压回弹模量的试验温度为15℃、劈裂强度的试验温度也为15℃。国外的路面结构设计方法一般采用抗压模量和弯拉应变作为设计参数。路面设计取用的无机结合料稳定材料抗压模量值和劈裂强度值应该是设计龄期的抗压模量值和劈裂强度值,水泥稳定类材料的设计龄期为60d,其他稳定类材料的设计龄期为90d,相应的养生温度与混合料组成设计时的养生温度相同。

3.1 无机结合料稳定材料无侧限抗压回弹模量

无机结合料稳定材料(包括稳定细粒土、中粒土和粗粒土)的无侧限抗压强度是按照预定干密度和压实度用静力压实法制备试件,试件高：直径=1：1的圆柱体、养生时间为设计龄期(整个养生期间的温度,在北方地区应保持20±2℃,在南方地区应保持25±2℃、侧向没有围压时,通过逐级加载和卸载试验计算得到抗压回弹模量。

无机结合稳定材料室内制件与现场制件设计参数比值随材料不同及施工条件而异。一般情况下,现场制件的模量与强度均比室内制件低,其降低的幅度不等,抗压强度降低幅度较小为10%～20%,抗压模量下降30%～40%,劈裂强度下降20%～60%,劈裂模量下降50%左右。无机结合料稳定材料的设计参数是根据大量试验结果取95%的保证率后(均值-1.645×标准差)得到代表值。代表值经折减后, 经典型路面结构厚度计算验证后, 设计参数推荐值如表1:

表1 常用半刚性基层设计参数推荐值

在进行拉应力验算时,半刚性基层材料的疲劳方程由劈裂疲劳试验得到,半刚性基层材料的容许拉应力按下式计算。

σA=σsp/Ks

式中:

KS-结构系数,对无机结合料稳定粒料KS =0.35Ne0.11／Ac；对无机结合料稳定细粒土KS=0.45 Ne0.11／Ac。

3.2沥青材料的设计参数

沥青商品混凝土的主要设计参数为抗压模量、劈裂强度等。沥青混合料的抗压模量有时也称为劲度模量,因为沥青混合料的模量与加载速度、加载时间、加载时的温度有关,因此,沥青混合料的模量、强度等是一个条件参数。沥青商品混凝土的抗压试验采用圆柱体试件,试件成型采用静压法、轮碾法、搓揉法和旋转压实成型法,试件的密度应符合马歇尔标准击实密度100%,用于抗压强度试验的试件个数不少于3个,用于抗压回弹试验的试件个数不少于3～6个。

沥青商品混凝土的劈裂试验既可以为沥青路面设计提供设计参数,也可以评价沥青商品混凝土的低温特性。我国沥青商品混凝土路面的设计参数采用静参数,采用的试验温度为15℃,试验加载速率为50mm/min,计算时相应的泊松比采用0.30。试件采用马歇尔击实成型的方法、轮碾机成型的板体试件和道路现场钻孔试件。采用马歇尔击实成型的试件尺寸要求直径101.6mm,高为63.5mm；轮碾机成型的板体试件和道路现场钻孔试件的尺寸要求直径为100mm或150mm,高为40mm。

沥青商品混凝土材料的设计参数也是根据室内大量试验结果取95%的保证率后(均值-1.645×标准差)得到其代表值。再考虑现场大规模施工、质量变化较大的情况,将代表值给予适当的折减得到推荐值。

4、结束语

我国沥青路面设计规范自1978年引入路表弯沉指标,一直沿用至今。期间虽然经历了从容许弯沉到设计弯沉概念的转变,并引入面层和基层层底拉应力作为验算指标,但弯沉作为设计控制指标的本质并没有改变。