季节性冻土地区重交通沥青路面设计研究.pdf

交通世界TRANSPOWORLD0 引言当前，季节性冻土地区的沥青路面在重交通荷载作用下容易产生温缩开裂病害，影响行车安全性和舒适度，必须重视沥青路面结构的设计。沥青路面在设计时要选择合理的材料、厚度等，以免造成路面功能不足或资金上的浪费。但是，部分国内技术人员在开展沥青路面结构设计时，仅参考区域内类似项目的路面参数，对路面结构组合原理认识不清，也不重视路面结构力学响应的计算，使得路面设计方案适用性偏差。因此，进一步研究季节性冻土地区重交通沥青路面设计方法有十分重要的工程价值。1 季冻区交通轴载参数确定在对季冻区的沥青路面进行设计前，需结合轴载统计资料，将交通量换算成标准轴载作用次数，预测沥青路面运用寿命周期内的交通量增长率，随后计算出“当量设计轴载累计作用次数”，将其作为沥青路面结构验算荷载。1.1 轴载换算方法目前常用的沥青混凝土路面交通轴载换算方法有弯沉等效法和层底拉应力等效法，见式（1）（2）：()N1N2=()P2P1a（1）()N1N2=()P2P1b（2）式（1）（2）中：N1、N2为荷载，kN；P1、P2为轴重，kN；a、b为弯沉等效系数、层底拉应力等效系数。由现行沥青路面设计规范可知2：单轴轴载小于13 t时，a可取4.35；对于重载，需考虑土基非线性变形对沥青路面的影响，a取5.56.5，路面强度越低，等效系数越小；层底拉应力轴载等效系数一般介于9.012.0，应结合路面力学响应计算结果确定。1.2 当量轴载累计作用次数季节性冻土地区沥青路面结构层厚度和模量确定主要取决于当量轴载累计作用次数Ne，计算见式（3）：Ne=(1+)t-1 365N0（3）式（3）中：N0为初始年车道日平均当量轴次，次；t为沥青路面设计年限，年。高等级公路、2级公路、3级公路、4级公路分别取15年、12年、8年、6年；为交通年平均增长率，%。需注意，交通年增长率是指路面在设计年限内的交通量增长率，而不是当量轴次增长率。对于普通地区的沥青路面，两者计算结果相差不大。但是对于季节性冻土地区的重交通沥青路面，重载车辆占比较大，交通量对标准轴载的影响大，不建议使用当量轴次增长率代替交通量增长率3。1.3 轴载换算参数相关研究表明，交通轴载不同，对沥青疲劳寿命的劣化程度不同。即使相同的交通轴载，在不同地区、不同季节，其对沥青路面性能的影响也大不相同。比如季节性冻土地区，路基冻土在春季会融化，导致土体含水量增加，会降低路面结构的承载能力。但是，我国现行沥青路面设计规范没有给出交通轴载的季节修正方法，本文建议参考美国交通运输部门提出的“AASHO设计法”来考虑季节对路面轴载的影响。轴载修正系数见表1：表1 季节性冻土地区沥青路面轴载修正系数季节春季夏季秋季冬季土基状态土融化潮湿干燥干燥冻结修正系数4.05.00.31.50.31.50.21.0收稿日期：2023-02-02作者简介：张良胜（1989），男，汉族，四川成都人，工程师，从事公路设计工作。季节性冻土地区重交通沥青路面设计研究张良胜（华杰工程咨询有限公司，北京 100029）摘要：为提升公路沥青路面设计水平，避免季节性冻土地区的沥青路面在重交通荷载作用下产生温缩开裂病害，影响行车安全性和舒适度。本文分析了季节性冻土地区重交通沥青路面的轴载计算方法、路面结构设计原则、沥青路面层数和层厚确定方法，并推荐了路面结构组合。同时，以某季节性冻土地区的公路为研究对象，分析了车辆轴载对路面弯沉、剪切力及基底拉应力的影响，以评价路面结构设计效果。关键词：季节性冻土；重交通；沥青路面；设计方法；有限元分析中图分类号：U416.1文献标识码：B107总660期2023年第30期（10月 下）2 季冻区重交通沥青路面结构设计方法2.1 沥青路面结构设计原则季节性冻土地区沥青路面结构设计要同时满足承载能力和使用功能，即路面结构要能承受汽车荷载反复作用，并保证行车的舒适、安全、环保。大量工程实践表明，季节性冻土地区沥青路面设计时要坚持两大原则：1）满足各结构层功能沥青面层直接承受车辆荷载以及外界环境变化所产生的应力，强度和稳定性好；基层是沥青路面结构主要承重部分，并将面层传递来的应力直接扩散至土基顶，基层的承载能力、应力扩散角应尽量取大值。根据相关沥青路面病害调查结果，石灰稳定土的强度较低，在车辆反复作用下会大面积松散，不宜作为季节性冻土地区重交通路面的基层，可选用水泥稳定土、二灰稳定土等材料。对于超载现象严重的路段，应优先选素混凝土、连续配筋混凝土等刚性材料作为基层；垫层是设置于路面基层与土基间，宜选用颗粒级配良好的碎石或沙砾材料。垫层可防止毛细水上升和路面冻胀，降低路面结构层湿度。2）适应各结构层应力特性作用在沥青路面上的车辆荷载可分解成垂直力和水平力两部分，且都是沿路面结构层向下逐渐衰减。表明沥青路面各结构层的强度和变形模量在取值时，可从上向下递减，以降低工程造价。同时，上、下路面结构间的变形模量差值不宜太大，否则会产生“应力不协调”现象，使得上层路面结构底部产生过大的弯拉应力。当弯拉应力大于沥青混合料极限抗拉强度，上层路面结构开裂4。结合多年设计经验，笔者认为面层与基层、基层与垫层、垫层与土基的变形模量比值应分别控制在 35，25、24，整个路面结构层的强度和稳定性更好。2.2 沥青路面层数和层厚一般情况下，沥青路面结构层数量越多或厚度越小，越能体现路面强度与变形模量沿深度递减的规律，但从施工工艺、材料级配组合等方面考虑，路面结构层数量也不宜过多。季节性冻土地区重交通沥青路面结构层厚度取值可参考表2：表2 沥青路面厚度参考值路面结构层沥青混凝土热拌沥青碎石水泥稳定类石灰稳定类细粒式中粒式粗粒式适宜厚度/cm3.05.05.07.07.010.016.020.016.020.0设计最小厚度/cm3.05.07.016.016.02.3 沥青路面最小防冻厚度如果季节性冰冻区的冻深较大，土基内容易形成较厚的聚冰带。在车辆反复荷载作用下，沥青路面会产生冻胀、翻浆等病害，此时沥青路面结构层的厚度要不小于现行沥青路面设计规范所规定的防冻层厚度5。综合上文，本文提出了季节性冻土地区重交通沥青路面的结构组合，见图1。图1 沥青路面推荐组合3 季冻区重交通沥青路面设计效果评价本文以某季节性冻土地区的重交通公路为研究对象，利用有限元软件ANSYS分析了路面在交通轴载作用下的应力应变规律，以验算沥青路面结构设计效果。3.1 工程概况该公路建设标准为一级公路，沥青混凝土路面厚60 cm，路面结构层及计算参数如下：10 cm沥青路面，弹性模量为1 500 MPa，泊松比为0.30；18 cm水稳碎石基层，弹性模量为 1 600 MPa，泊松比为 0.30；32 cm水泥稳定土底基层，弹性模量为800 MPa，泊松比取0.25；5m土基，弹性模量为60 MPa，泊松比为0.30。同时，路面所在位置项目所处区域年温差大，日平均最高气温29.8，日平均最低气温-8.9，土基冬季冻结，春季全部融化。3.2 计算模型建立1）温度场在反复冻融作用下，重交通沥青路面收缩产生温度应力，容易导致温缩裂缝。但是路面结构层内部的温度是动态变化的，温度场不易模拟，故对沥青路面温度场做出以下假设：沥青混合料为均质、连续、各向同性弹塑性变形体；不考虑沥青路面层与层间热阻；沥青路面内部的温度只随深度变化，热力学计算参数不变。2）模型尺寸根据“圣维南定理”，交通轴载和温度对沥青路面的影响范围并不是无限大的，计算模型的X、Y方向长度取2 m，Z方向深度取5.6 m（路面0.6 m+土基5.0 m）。3）网格划分路面结构层和土基均采用solid45实体单元模拟，每个实体单元有8个节点，每个节点都可以自由变形。沥青路面模型网格划分选用正六面体，路面结构层内的网格适当加密，尺寸取0.5 m；土基网格加大，尺寸取1.0 m。最108交通世界TRANSPOWORLD终，计算模型共划分出1 268个网格，1 369个节点6。4）施加荷载将沥青路面上作用的交通轴载简化为“双矩形均布荷载”，加载面积按式（4）计算：A=FP（4）式（4）中：F为单轮轴载，kN；P为轮胎胎压，MPa。3.3 沥青路面力学响应结果1）路表最大弯沉和剪应力弯沉是指沥青路面在车辆反复荷载作用下所产生的竖向变形，能直观表达路面承载能力。本文利用ANSYS软件计算了交通轴载为 130、160、190、220、250 kN时，沥青路面最大弯沉和最大剪应力，计算结果见图2：图2 不同轴载下路表弯沉由图2可知：随着交通轴载的增加，季节性冻土地区沥青路面弯沉不断降低，且两者基本呈线性正相关关系。沥青路面轴载为130、160、190、220、250 kN时，计算出的路表最大弯沉为0.4、0.52、0.63、0.75、0.85 mm。当交通轴载从130 kN增加至250 kN，路表弯沉共增加了0.45 mm。轴 载 每 增 加 30 kN，路 表 弯 沉 平 均 增 加0.11 mm。随后，使用一元一次方程拟合了轴载和路表弯沉的关系，拟合方程为y=0.38x-8.6（y是路表弯沉、x是轴载），相关系数接近1。利用拟合公式可以预测不同重载交通下，季节性冻土地区沥青路面的弯沉。季节性冻土地区路面结构最大剪应力出现在沥青层层底，其最大剪应力随交通轴载的变化规律与最大弯沉基本相似，即交通轴载越大，沥青路面最大剪应力越大。当交通轴载从130 kN增加至250 kN，路面最大剪应力共增加了0.18 MPa。轴载每增加30 kN，路表弯沉平均增加0.045 MPa。2）层底拉应力对于半刚性基层而言，其层底拉应力最大值一般出现在荷载作用面的中轴位置。以交通轴载为220 kN为例，利用ANSYS软件计算了离荷载布置中轴5、10、15、20、25 cm时，层底拉应力的变化规律，结果如图3所示：由图3可知：距离荷载分布中轴越远，基层层底拉应力越小。当离荷载分布中轴距离不大于10 cm时，基层层底拉应力减小不明显；当离荷载分布中轴距离大于10 cm时，基层层底拉应力迅速降低。原因在于：距离荷载越近，基层所受到的附加应力越大。随后，使用二次多项式方程拟合了离荷载分布中轴距离和基层层底拉应力，拟合方程为y=-2.5710-4x2+0.0025x+0.234（y是层底拉应力、x是离荷载中轴位置），相关系数接近1。同理，可利用拟合公式确定半刚性基层不同位置处的拉应力。4 结论本文分析了季节性冻土地区重交通沥青路面的轴载参数换算理论、结构组合设计方法、路面设计效果等，得到了以下结论：当量轴载累计作用次数是沥青路面受力和变形验算的依据，应考虑季节修正系数；季节性冻土地区沥青路面结构设计要满足承载能力和使用功能，合理确定结构层数量、厚度及最小防冻厚度；随着轴载的增加不断降低，季节性冻土地区沥青路面弯沉和剪应力线性正增长；距离荷载分布中轴越远，沥青路面基层所受到的附加应力越小，层底拉应力也越小。参考文献：1 黄波.季冻区重交通沥青路面设计研究J.珠江水运，2018（6）：42-43.2 杨亮元.浅析特重交通沥青路面病害处治与补强设计J.江西建材，2018（1）：154-155.3 黄忆霖.重交通条件下高等级公路沥青路面结构设计J.上海工程技术大学学报，2017，31（1）：55-60.4 刘建明，边艳妮，闫亚鹏.基于全寿命成本分析（LCCA）的重交通沥青路面结构研究J.公路交通科技（应用技术版），2014，10（6）：118-123.5 张亮.重载交通沥青路面设计指标研究J.交通标准化，2013（2）：44-47.6 裘萌萌.重载交通沥青路面设计方法探讨J.中国水运（下半月），2008（5）：240-241，243.图3 基层层底拉应力变化规律109