高速公路重载道路路面设计方法研究

何文进、陈瑾

（江西赣北公路勘察设计院，江西 九江 332000）

0 引言

在高速公路重载道路路面设计的阶段中，科学的设计方法是可以提高路面结构性能的关键。因此，在设计环节必须要注重重载道路路面设计方法的选择，要确保设计效果达到项目的建设要求。

1 重载道路路面车辆荷载作用机理

车辆正常通行的情况下，轮胎给路面产生过大的冲击和影响，产生轮压的问题，通常情况下，轮压与道路接触面积越小，荷载产生的越大，产生的影响也是多方面的，主要是弯曲效应、剪切效应、疲劳效应、车辙效应方面，给道路带来损坏问题。

1.1 弯曲效应

车辆在道路上行驶，从整体的运行路径上看，属于弯曲作用的情况，在路面弯曲作用之下，如果材料的性能不合格或者面层结构厚度不合格，在荷载的持续作用之下，容易产生弯拉应力超出承载性能的情况，极易出现道路底部发生开裂的问题；在道路的施工中，主要是通过静力作用，在路面平整度不合格、车辆振动等情况影响下，产生的冲击反应，重载条件下，上述作用变得更加的明显，其给整个道路运行产生很大的影响，极易发生病害问题。

1.2 疲劳效应

从设计方案方面进行分析，很多道路工程出现裂缝问题都与疲劳性能存在直接的关系，车辆反复加载、卸载的情况下，超出道路极限承载力的要求，极易产生裂缝的问题；道路存在持续性作用之下，产生损坏反应，这是疲劳效应发生的基础，所以重载的影响之下轴载吨位增加，疲劳损坏的指数也会变得更加严重。

1.3 剪切推移效应

车辆在行驶中，刹车、上下坡、转弯等操作之下，会导致车轮给路面产生剪切推移的作用，尤其是重载条件之下，剪切推移会更加的严重，极易出现结构层损害的问题，给道路表面造成较为严重的推移、拥包等病害，影响道路正常运行，也会危害交通行驶安全性。

1.4 车辙效应

沥青路面的主要施工材料是沥青材料，其高温软化性明显，在受到高温、车辆荷载的持续作用之下，极易发生车辙的病害问题，对于道路结构造成很大的影响。

2 高速公路重载道路路面设计中应考虑的因素

2.1 交通特点

在高速公路重载道路设计环节，必须做好道路交通通行流量特点分析。从实际情况分析，重载交通通行路段中，车辆荷载等级较高的情况下，一般情况下，车辆车型为三轴及三轴以上的货车，载重超出30t 以上，有些超载货车甚至可以达到100～200t。虽然这些超载车占比不大，但是容易给道路造成损伤，易出现路面损坏的问题。重载道路荷载处于10～40t 范围内，且交通量较小，这些货车的行驶速度都比较慢，所以道路上其他类型的车辆数量也比较少。

2.2 运维情况

在重载道路路面设计中，设计人员需要综合分析重载交通路面的运维具体状况。我国的重载道路都处于经济发达的地带，长期通行，道路路基与路面存在边坡失稳、局部塌陷、路基沉陷等严重的问题，这种情况下，存在严重的损坏、坑洼、裂缝等病害问题。如果无法及时修复处理，会产生更为严重的病害问题，影响范围持续性扩大，给道路交通的运行安全性、稳定性产生不利的影响。

3 高速公路重载道路路面设计方法

高速公路重载道路的车辆荷载一般会超过常规车辆，所以在路面设计中，与普通道路会有明显的差异。本文以实际的重载车辆特点分析为出发点，总结出一种合计方法，明确设计标准和要求，从而保证重载道路路面结构强度符合要求，防止车辆荷载作用下而产生严重的损坏问题。从目前来说，高速公路重载道路路面设计方法如下：

3.1 交通分析

在高速公路重载道路路面设计开始前，必须综合分析该道路的交通量、车辆轴载等参数，准确计算确定在使用寿命期间内累计标准轴载次数与方向系数。弯沉等效公式、弯拉等效公式、车辙等效公式依次见式（1）～（3）：

式（1）～（3）中：、为车辆的轴数系数；、为车辆的轮组系数；为不同轴载的累计作用次数，其计算公式为：

式（4）中：为标准轴载条件下道路运行初期累计作用次数；为当量轴次增长率，是道路常规车辆与重载车辆增长率平均参数值；道路运行时间。同时，设计人员还要具体分析当前高速公路重载道路运行状况，结合具体的交通量与车辆分布特性，确定重载车辆的行驶方向，做好道路规划设计，分析了解轻车道与重车车道，进行不同方向设计，防止重载设计不能符合实际运行情况，也不能过度提高承载力，否则性价比较差，综合效益不足。

3.2 路面结构设计

在路面结构设计的阶段中，当确定路面系数之后需要按照路面结构拟定的设计标准结合工程的施工要求，从路面弯沉值以及最大拉应力层面上做好相应材料的选择以及结构设计。综合分析高速公路重载道路的特性，在具体的沥青老结构设计中，考虑到实际运行的情况，选择合适的路面结构形式，保证各个层结构的材料合格，结构厚度符合运行要求，以达到交通通行的标准要求。基于此，设计人员还要考虑到项目运行的具体情况，同时针对路面的弯沉值以及最大拉应力参数要进行计算，要根据计算结果选择符合要求的路面结构类型，一般来说在设计的过程中要根据路面结构的层次，按照它的路面结构需求选择最标准的方式来达到设计方案的参数。就目前现状而言，基底结构的最佳施工材料，主要由二灰土、石灰土以及碎石灰土等材料组成。而对于基底层上部结构使用的材料则是二次碎石、水泥碎石以及水稳碎石等材料组成。因此，在路面结构设计的环节中，需要按照重载道路路面设计的标准选择针对性的类型，这样才能够提高结构的稳定性，以保证结构性能合格，达到稳固性标准。

3.3 路面厚度计算

在路面厚度计算的阶段中，对于路面弯沉设计的参数要给予高度的重视，明确具体的路面结构厚度参数，然后利用弯拉应力、车辙等数据作为参考进行验算，检验路面结构与形式是否达到合理性要求，如果满足要求，完成设计过程。如果发现不合格，要及时地调整路面结构的厚度以及相关参数，并且在设计的过程中根据试算的方法开展设计。首先，设计时要对各个结构层的厚度容许范围进行明确，在掌握相关参数的基础上，确定出最佳的厚度标准，主要按照下述流程完成：结合路面结构形式，明确各个基层类型与路面结构原材料，进行路面结构厚度的初步分析，而后结合材料、结构参数、弹性模量等方面进行分析，最终确定基层顶面的厚度参数，在此基础上进行回填模量的计算。最后，按照相关的设计标准，对荷载应力进行计算同时还要保证设计符合要求。

4 高速公路重载道路路面设计实例

4.1 工程概况

以某高速公路重载道路工程为案例进行分析，分析了解重载道路设计的标准和要求。该工程为当地重要交通基础设施，对于当地的经济发展产生极为重要的作用，所以当地政府部门对于该道路设计、建设以及运维管理重视度较高，故而决定新建沥青路面。按照轴载参数标准进行分析，该道路的重载交通量见表1。

表1 交通流量统计

4.2 交通分析

结合表1数据进行全面分析可了解到，该路基回弹模量的设计参数取值为48MPa。为保证设计效果合格，确保重载道路各项数据符合要求，设计人员还要对主干路交通量按照6%的增长率进行分析，该道路内的等效轴载按照9%的要求设计，其弯拉等效轴载增长率为12%；把单轴双轮车辆100kN 轴重进行设计。根据该参数设计的要求，确定弯沉等效初始日标准轴载为75934 次，弯拉等效作用此时为833174 次。按照该道路设计寿命12年进行分析，在规定的年限之内，明确具体的累计作用次数。按照目前我国标准规定，弯沉等效计算确定，且累计次数为2.79×10次；根据弯拉等效公式，确定累计为3.69×10次。对于该道路项目运行的具体情况，对历年统计资料进行全面的分析研究，发现该道路的车辆重载主要是从南到北的方向行驶，所以这一方向设计为重载道路的形式，而从北到南的方向则按照普通道路设计方式确定方案，对于该道路进行重新的规划设计，简化设计方案，调整工作量参数，从而提高运行效果，保证资源合理利用，实现综合效益的提升。

4.3 路面结构设计

道路设计人员分析现场的运行情况，对于道路结构充分排布设计，明确路面结构，保证结构的性能合格。按照此次道路工程的设计要求，从下到上逐步按照下述要求确定：土基荷载48MPa，二次土层荷载与水泥稳定碎石层荷载分别为750MPa、1500MPa；由于沥青面层在一定的程度上会受到环境温度的影响，当环境温度处于15C 时，粗粒混凝土荷载值为1400MPa，中粒式的荷载为1600MPa；当环境温度为20C 条件下，粗粒沥青混凝土荷载为1000MPa，中粒式沥青混凝土为1100MPa。

4.4 路面厚度计算

在设计环节，确定设计方案之后，还要做好路面厚度计算分析。在该工程设计中，应用的二灰土结构厚度为35cm，粗粒沥青混凝土结构厚度为8cm，而中粒混凝土厚度为4cm，根据该项目设计的要求，确定弯沉值参数，了解到水泥稳定碎石基层设计要求，最终确定该结构厚度为42.84cm，即43cm。按照该结构的要求，确定拉应力参数。基层拉应力设计中，参数要比容许应力低，达到技术标准的要求。最大轴重拉应力根据国家标准设定，以具体的荷载参数为出发点，做好底基层最大拉应力控制，为0.186MPa，完全符合实际运行的要求，满足极限强度标准，表示该结构厚度的设计符合运行要求，不会给工程质量产生影响。

在高速公路重载路面设计工作开始前，还要考虑到荷载运行的要求，确定最佳设计方式。首先，综合分析该道路运行中大量货物与专项物资运输的频次，并且根据轴重仪测量后的参数确定设计方案。重载道路路面设计中，根据轴载来得出疲劳应力参数，还要分析疲劳效应与一次破坏效应。当前在公路设计中，主要是分析临界疲劳效应，保证技术指标有效的控制，才能确保在规定的弯拉强度标准范围内，同时也要分析确定在使用寿命期限内的极限荷载参数，根据该参数的要求，设定是否会出现一次断裂失效的问题。分析了解目前的沥青道路的平整性、低噪声、抗高温、抗老化方面的性能，该道路在设计中，使用的是沥青路面设计方案要求，确保结构的性能和运行效果满足要求，不会给工程的质量产生任何负面的影响。在重载道路的正常运行中，车轮和路面结构接触面以下100～150mm 的范围内，容易产生较大的受力作用，也是病害集中发生的趋势，因此，在该结构部分的设计中，需要选择强度性能合格的沥青混凝土材料；在车轮荷载作用之下，荷载会在面层下部的各个结构上扩散运行，再反映到面层结构上，容易发生车辙的病害问题，因此，路面下部结构应用高模量抗车辙的材料；车辙荷载的作用之下，容易产生最大弯拉应力的结构就是HMA 基层结构，整个部分的抗弯效果都受到该结构的作用，所以根据要求应用最佳的疲劳荷载性能的材料，保证结构抵抗性能合格，防止从下到上会出现严重的开裂与损坏的问题。

4.5 对比分析

为了能够检验确定重载道路设计方案是否合理，确定各个结构层厚度、强度性能是否满足要求，结合常规道路路面设计的标准要求，对比分析重载道路运行的标准要求，从而可以确定是否可以达到正常的运行标准。通过分析可以了解到重载道路在设计的阶段中受到设计理念的影响，能够全面提高设计方案的质量，使其能够满足相应的设计规范标准。该结构的厚度较大，可以承受较大车辆载荷的持续性作用，并且能够延长道路的使用寿命，在设计年限之内完全可以达到交通通行的标准要求，不会发生损坏的问题。此外，重载道路结构优越，病害问题的发生概率较低，符合道路交通运行标准。总之，重载道路路面结构设计之下，较之常规道路有着非常明显的优势，道路结构性能提升比较明显，尤其是重载车辆较多的道路通行上，适用性比较好，所以可以推广应用，促进我国道路交通总体通行效果。

5 结语

综上所述，在重载道路路面设计的阶段中，要结合道路运行重载车辆数据的标准对设计的方案进行优化。同时，在掌握道路重载路面设计标准的基础上，对车辆的系数以及最大着重方面参数进行确定，然后确定车辆系数与最大轴重方面的参数，以确定最佳的结构设计方案，使用符合要求的工程材料，各项技术参数合格，保证路面性能达标，严重使用寿命，为当前高速公路的运行起到积极的促进作用。