基于西南地区气候条件的高速公路工程路面结构设计

基于西南地区气候条件的高速公路工程路面结构设计

师勇

重庆城市科技学院 建筑与土木工程学院  重庆 402160

摘要：本文依托重庆市九永高速公路工程项目，设计了适用于西南地区气候条件的高速公路路面结构并进行了路面结构验算。结果显示，沥青层永久变形值为13.4mm；水泥稳定碎石层底疲劳寿命为2,959,643,292次；路基顶面验收弯沉值和路表验收弯沉值分别仅为135.8（0.01mm）和15.3（0.01mm）。所设计的路面结构能满足各项验算内容的要求，可为西南地区高速公路路面结构设计提供参考依据。

关 键 词：西南地区；高速公路；路面结构设计

1项目概况与交通荷载参数

该项目位于重庆市，道路等级为高速公路，起点桩号为0，终点桩号为6523.006，设计使用年限为15年，根据交通量OD调查分析，断面大型客车和货车交通量为18471辆/日, 交通量年增长率为7.0%, 方向系数取50.0%, 车道系数取85.0%。根据交通历史数据，确定该设计公路为TTC0类，计算出车辆类型分布系数。

根据路网相邻公路的车辆满载情况及历史数据的调查分析，得到各类车型非满载与满载比例。

该设计路面对应的设计指标为沥青混合料层永久变形与无机结合料层疲劳开裂。在不同设计指标下，计算各车型对应的非满载车和满载车当量设计轴载换算系数。

表1 非满载车与满载车当量设计轴载换算系数

计算得到对应于沥青混合料层永久变形的当量设计轴载累计作用次数为116,397,498，对应于无机结合料层疲劳开裂的当量设计轴载累计作用次数为2,938,892,558。本公路设计使用年限内设计车道累计大型客车和货车交通量为72,002,535，交通等级属于极重交通。

2初拟路面结构方案

路基标准状态下回弹模量取125MPa,回弹模量湿度调整系数Ks取1.1，干湿与冻融循环作用折减系数Kη取0.85，则经过湿度调整和干湿与冻融循环作用折减的路基顶面回弹模量为117MPa。其中沥青采用的是SBS改性沥青，以满足本路段的抗车辙和传递交通荷载的要求。初拟路面结构如表2所示。

表2 路面结构

3路面结构验算

3.1沥青混合料层永久变形验算

基准等效温度Tξ为23.6℃，计算得到沥青混合料层永久变形等效温度为26.5℃。可靠度系数为1.65。

将沥青混合料层分为7个分层，各分层厚度（hi）如表5所示。利用弹性层状体系理论，分别计算设计荷载作用下各分层顶部的竖向压应力（Pi）。根据规范计算得到各分层的永久变形修正系数(kRi)，并进而计算各分层永久变形量(Rai)。各计算结果汇总于表3中。

各层永久变形累加得到沥青混合料层总永久变形量Ra=13.4(mm)，沥青层容许永久变形为15.0(mm)，拟定的路面结构满足要求。

表3 沥青层永久变形计算结果

3.2无机结合料层疲劳开裂验算

根据弹性层状体系理论计算得到无机结合料层层底拉应力为0.195MPa。根据气象资料，工程所在地区无冻结，季节性冻土地区调整系数ka取1.00。现场综合修正系数为-1.299。

根据工程所在地区，基准路面结构温度调整系数为1.46，根据初拟路面结构和路面结构层材料参数，计算得到温度调整系数kT2为1.48。对于无机结合料稳定粒料，疲劳开裂模型参数a=13.24，b=12.52。弯拉强度为1.8MPa。

根据以上参数，计算得到无机结合料层底疲劳寿命为2,959,643,292次。

3.3路基顶面和路表验收弯沉值

确定路基顶面和路表验收弯沉值时，采用落锤式弯沉仪，荷载盘半径为150mm，荷载为50kN。

路基标准状态下回弹模量取125Mpa，回弹模量湿度调整系数Ks取1.10，则平衡湿度状态下的回弹模量为138MPa，计算得到路基顶面验收弯沉值为135.8（0.01mm）。

采用拟定的路面结构以及各层结构模量值，路基顶面回弹模量采用平衡湿度状态下的回弹模型乘以模量调整系数kl(kl=0.5)，结果为69MPa，根据弹性层状体系理论计算得到路表验收弯沉值la为15.3（0.01mm）。

4结论

所选路面结构和材料能满足各项验算内容的要求，可为西南地区高速公路路面设计提供参考。

5参考文献

[1]中华人民共和国交通部标准,《公路沥青路面设计规范》JTG D50-2017[S]，北京：人民交通出版社，2017年

[2]何兆益等.《路基路面工程》.北京：人民交通出版社，2006