路面验算.doc

第四章 道路原有状况调查
4.1 项目维修改造情况
郑州至许昌县界高速公路于1994年12月建成通车，通车运营6年多后，随着交通量逐年的增加，超载车辆的增多，路面过早的出现了剥落、坑槽、沉陷、断板、裂缝等病害，已经严重影响了正常的使用。为此河南省交通厅计划处于1999年4月，要求河南省交通规划勘察设计院根据豫交高技[1998]29号文《关于呈报郑许高速公路郑州至新郑机场段改善行车性能的请示报告》、豫交高技[1998]64号文《关于呈报郑州至新郑段高速公路改善行车性能的请示报告》、以及一九九八年五月二十八日《郑州至新郑路面改善方案研讨会会议纪要》做出郑州至新郑机场段高速公路路面改善设计文件。河南省交通规划勘察设计院在进行了详细的外业勘察后，结合郑州黄河二桥的工可报告，进行了加铺AC层厚度设计。设计参数为：通车初始年为2000年，设计年限15年。经采用等刚度理论计算需加铺5cm粗粒式沥青砼+4cm中粒式沥青砼。同时又采用日本内田一郎编著的《道路路面设计方法》一书中的“阿灵顿半经验公式”进行了验证。验证结果为“当加铺沥青砼层后，RCC应力可获得通过，新铺5cm粗粒式沥青砼+4cm中粒式沥青砼AC层设计合理”。按照郑许高速公路郑州至新郑机场段路面改善设计文件内容，2000年对郑州至新郑机场段高速公路进行了路面改善工程的施工,其中东半幅加铺了4cm中粒式改性沥青砼AC层。
2000年11月，河南省高速公路发展有限责任公司给河南省交通规划设计院的委托书明确指出：京珠国道主干线郑（州）至许（昌）段高速公路路面损坏严重，已严重影响汽车的高速通行和安全，故拟对该段进行改善，并同时对沿线路基、路面排水及相应的交通工程沿线设施进行改造。为此河南省交通规划勘察设计院在经过详尽的外业调查后，根据郑州黄河二桥的工可报告及郑许高速公路远景交通量的预测。河南省交通规划勘察设计院在经现场勘测和根据地质雷达检测所提供的路面面层破损情况进行研究后认为，路面混凝土板厚度及强度不够是本路段路面损坏的主要原因，为此再次进行了加铺AC层厚度设计。 对郑许高速公路北起薛店机场互通式立交、南至许昌县交界的路段进行了加铺AC层厚度的设计。设计参数为：通车初始年为2001年，设计年限15年。经采用等刚度理论计算需加铺5cm沥青砼（AC-20Ⅰ）下面层+4cm沥青砼（AC-16Ⅰ）上面层；同时又采用日本内田一郎编著的《道路路面设计方法》一书中的“阿灵顿半经验公式”进行了验证。验证结果为“当加铺沥青砼层后，RCC和CCP层应力可获得通过，故新铺5cm沥青砼（AC-20Ⅰ）+4cm沥青砼（AC-16Ⅰ）层设计合理”。2001年按照郑许高速公路郑州至许昌段路面改善设计文件内容，对北起薛店机场互通式立交、南至许昌县交界段高速公路进行了路面改善工程的施工。
4.2 路面结构设计
4.2.1 原路面设计参数
根据郑州至许昌县交界段高速公路竣工图资料，原设计通车初年（1995年）设计交通量为5209次/日，折算标准轴载1672次/日，30年末期单车道标准轴载10022次/日。30年末期单车道标准轴载累计3.92×107次。车型比重为：大车15%（代表车型：黄河JN-150）；中型车45%（代表车型：东风EQ-140）；小型车40%（代表车型不列）。
交通量年平均增长率为：1995年~2000年为7%，2001年~2014年为5%，2015年~2024年为4%。交通量分级为重交通，设计标准轴载为BZZ-100。
4.2.2 本项目路面厚度及力学验算
郑州至许昌县界高速公路路面为AC+RCC（AC+CC）的结构特点，为复合式路面结构。采用目前现行的《公路沥青路面设计规范JTJ014-97》及《公路水泥混凝土路面设计规范JTG D40-2002》，结合胡长顺、王秉纲编著的《复合式路面设计原理与施工技术 》中的“水泥混凝土与沥青混凝土复合式路面结构设计”理论与方法，对该段路面结构进行厚度及力学验算。
4.2.2.1 路段轴载作用分析
目前，郑许高速公路郑州南收费站根据车辆载重量将通行车辆划分为六类进行通行费的征收，车型划分标准见表4-1。依据郑许高速公路郑州南收费站各收费车型计重收费的记录（出站口侧，进站口侧车流量及轴载按东侧计），可知各代表车型的日平均交通量(每车道)，见表4-2。
表4-1 现行收费车型划分标准
车型
一型车
二型车
三型车
四型车
五型车
六型车
载重量T（吨）
T <2
2≤T<5
5≤T<8
8≤T<20
20≤T<40
T >40
表4-2 车型平均日交通量 （单位：辆/日）
车型
一型车
二型车
三型车
四型车
五型车
六型车
合计
日平均交通量
4298
1514
1344
648
7
1
7812
经调阅郑州南收费站各计重收费车型的计重收费记录，各收费车型在满载及各级超载情况下所占比例分布如表4-3：
表4-3收费车型各级超载分布情况
载重率
车型
100%
100~
130%
130~
150%
150~
200%
200~
220%
220~
240%
240~
260%
260~
300%
＞300%
一型车
4298
0
0
0
0
0
0
0
0
二型车
610
890
3
8
1
1
1
0
0
三型车
191
1129
7
13
2
1
1
0
0
四型车
34
607
3
2
1
1
0
0
0
五型车
2
5
0
0
0
0
0
0
0
六型车
1
0
0
0
0
0
0
0
0
依据河南省交通厅行业联合科技攻关项目（编号：9603）“重交通荷载作用下水泥混凝土路面结构破坏机理与对策研究”鉴定文件的结果，结合目前郑许高速公路各计重收费车型的划分，选取各代表车型超载情况下后轴重。各级载重情况下，各代表车型数量及前轴、中轴、后轴重如表4-4。
表4-4 代表车型超载时各轴重　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
载重率
车型
100%
100~
130%
130~
150%
150~
200%
200~
220%
220~
240%
240~
260%
260~
300%
＞300%
三型车（辆）
（ＥＱ１４０）
191
1129
7
13
2
1
1
0
0
前轴重（ＫＮ）
23.7
27.5
30.５
36.42
38.97
41.5
44
49.２
／
后轴重（ＫＮ）
69.2
80.4
87.85
106.５
113.9
121.４
128.9
143.7
／
四型车
（ＪＮ１５０）
34
607
3
2
1
1
0
0
0
前轴重（ＫＮ）
49
57.1
62.５
76.6
81.３
86.７
92.１
102.8
／
后轴重（ＫＮ）
101.6
118.3
129.43
157.３
168.4
179.６
190.7
213
／
五型车（ＪＮ３６０）
2
5
0
0
0
0
0
0
0
前轴重（ＫＮ）
50
58.3
63.9
77.８
83.４
88.9
94.５
105.６
／
后轴重（ＫＮ）
110-110
128.3-
128.3
140.６-140.6
171.1-
171.1
183.3-
183.3
195.5-
195.5
207.８
-207.8
232.2-
232.2
／
六型车（ＪＮ１６２）
1
0
0
0
0
0
0
0
0
前轴重（ＫＮ）
９３.６
／
／
／
／
／
／
／
／
中轴重（ＫＮ）
１８０.９
／
／
／
／
／
／
／
／
后轴重（ＫＮ）
３８-38
／
／
／
／
／
／
／
／
根据以上数据可以得出2003年标准轴载作用次数41228次/日，结合郑州至许昌县界高速公路设计资料——1994年底郑州至许昌县界段高速公路建成通车时，每天车道的标准轴载作用次数为1672次/日。自1994年底通车至2003年末每车道累计标准轴载作用次数为5.9×106次，小于原设计使用年限内的设计标准轴载作用次数3.92×107次。
原设计高速公路设计使用年限为30年，依据交通部交通规划研究院预测的郑州至机场、机场至许昌县界段高速公路交通量结果，交通量增长率分别是：2005年~2010年为8.7%，2010年~2020年为6.4%，2020年~2024年为3.4%。交通部交通规划研究院进行的预测，2005年末40%的交通量将转移至郑新高速公路。根据目前郑州至机场段目前每天每车道标准轴载作用次数以及交通规划研究院的预测结果，分别计算出该段高速公路在未来使用年限内各阶段标准轴载累计作用次数为：2005年至2010年为1.13×107次，2010年至2020年为2.9×107次，2020年至2024年为1.29×107次。根据以上计算，在设计使用年限内每车道累计标准轴载作用次数为6.2×107次，远大于设计使用年限内的设计标准轴载次数。根据以上计算，在设计使用年限内每车道累计标准轴载作用次数为6.2×107次，远大于设计使用年限内的设计标准轴载次数。依据交通部规划研究院预测的该路段交通量增长率，可计算出在2014年初累计标准轴载次数达到设计累计标准轴载作用次数。
根据目前新郑机场至许昌县界段高速公路目前每天每车道标准轴载作用次数，可分别计算出自1995年通车至今、2005年至2010年间、2010至2020年间、2020年至2024年间的标准轴载作用次数分别为：7.03×106次、3.44×107次、2.89×107次及1.84×107次。根据以上计算，在设计使用年限内每车道累计标准轴载作用次数为9.7×107次，远远大于设计使用年限内的设计标准轴载次数。根据交通部规划研究院预测的交通量增长率，可计算出在2007年初实际累计标准轴载作用次数达到设计使用年限内累计标准轴载作用次数。
4.2.2.2 路面结构承载力验算
根据对郑州至许昌县界段高速公路的多处钻芯取样结果，知目前路面结构层代表厚度；根据现行的《公路沥青路面设计规范JTJ014-97》及《公路水泥混凝土路面设计规范JTG D40-2002》可知各结构层回弹模量，路面结构层如下：

采用刚柔复合式路面设计荷载疲劳应力σp=krkfkcσp及温度疲劳应力σt=ktσtm计算公式，按照混凝土板与水泥稳定碎石基层层间完全连续和光滑接触两种极限情况，分别计算出原设计路面厚度及目前路面厚度下混凝土面板板底的疲劳应力和温度应力。
表4-4 层间连续接触混凝土板应力
路面结构形式
疲劳应力σp
温度应力σt
疲劳应力σp+温度应力σt
原设计路面厚度
5.96Mpa
0.94 Mpa
6.90 Mpa
现有路面厚度
4.03Mpa
1.02 Mpa
5.05Mpa

表4-5 层间光滑接触混凝土板应力
路面结构形式
疲劳应力σp
温度应力σt
疲劳应力σp+温度应力σt
原设计路面厚度
6.94Mpa
0.94 Mpa
7.88 Mpa
现有路面厚度
4.98Mpa
1.02 Mpa
6.0Mpa
根据以上混凝土面板与水泥稳定碎石基层完全连续接触和光滑接触两种极限情况下混凝土面板底部最不利弯拉应力计算可知，郑州至新郑机场段高速公路无论是原设计路面结构层抑或是路面行车性能改善后的路面结构层，均不能满足目前行车荷载作用下的力学性能要求。
根据对郑州至许昌县界段高速公路的多处钻芯取样结果，知目前路面结构层代表厚度；根据现行的《公路沥青路面设计规范JTJ014-97》及《公路水泥混凝土路面设计规范JTG D40-2002》可知各结构层回弹模量，路面结构层如下：

采用刚柔复合式路面设计荷载疲劳应力σp=krkfkcσp及温度疲劳应力σt=ktσtm计算公式，按照混凝土板与水泥稳定碎石基层层间完全连续和光滑接触两种极限情况，分别计算出原设计路面厚度及目前路面厚度下混凝土面板板底的疲劳应力和温度应力，如下表：
表4-6 层间连续接触混凝土板应力
路面结构形式
疲劳应力σp
温度应力σt
疲劳应力σp+温度应力σt
原设计路面厚度
6.15Mpa
0.94 Mpa
7.09 Mpa
现有路面厚度
4.08Mpa
1.02 Mpa
5.1 Mpa
表4-7 层间光滑接触混凝土板应力
路面结构形式
疲劳应力σp
温度应力σt
疲劳应力σp+温度应力σt
原设计路面厚度
7.15Mpa
0.94 Mpa
8.09 Mpa
现有路面厚度
5.03Mpa
1.02 Mpa
6.05Mpa

根据以上混凝土面板与水泥稳定碎石基层完全连续接触和光滑接触两种极限情况下混凝土面板底部最不利弯拉应力计算可知，机场至许昌县界段高速公路无论是原设计路面结构层抑或是路面行车性能改善后的路面结构层，均不能满足目前行车荷载作用下的力学性能要求。
六、路面补强设计结果
依据胡长顺、王秉刚编著的《复合式路面设计原理与施工技术》中的“水泥混凝土与沥青混凝土复合式路面结构设计”方法，同时根据上述第五节中的路面厚度与应力验算方法，通过反复试算，郑州至新郑机场段高速公路当路面AC层总厚度达到18cm，即再加铺4cm沥青混凝土面层后，在设计使用年限内混凝土板底弯拉应力为4.98MPa，小于混凝土面板原设计容许弯拉应力5.0MPa，可满足行车需要的路面最小厚度及力学性能要求。同理可知，新郑机场至许昌县界段高速公路在路面AC层总厚度达到20cm，即加铺6cm沥青混凝土后，在设计使用年限内混凝土板底弯拉应力为4.92Mpa，小于混凝土面板原设计容许弯拉应力5.0Mpa，可满足行车需要的路面最小厚度及力学性能要求。
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