二级公路路面结构优化设计分析

柳 毅

（新疆维吾尔自治区交通规划勘察设计研究院，新疆 乌鲁木齐 830000）

引言

随着我国社会经济的快速发展，全国公路通车里程不断增加，水泥路面在较低等级公路、乡村道路中仍占据较大比重，不过也存在设计时考虑不贴合实际、对未来预测不准，施工质量控制差，运营过程中车辆超载严重及后期养护不及时等问题。若前期设计不合理必将导致水泥混凝土在施工、运营过程中在短时间内产生各种病害，故在设计时应严控设计质量，提升公路建设的品质和水平。

近年来随着经济、旅游及其他行业的快速发展，居民对公路的需求和要求日益增加，依托某县内某二级公路的项目建设，对路面结构进行设计与分析。水泥路面具有施工工序、施工速度快、路面强度高、温度稳定性好、无车辙、施工能耗低、总体造价低、水泥与集料易获取等优点，在国内较为广泛的应用[1-2]，考虑总投资、材料来源等因素本项目采用水泥混凝土路面。

1 项目概况及分析

依照二级公路标准进行设计，设计速度为40 km/h，路基宽8.5 m。依据我国现有水泥路面设计规范中相关规定，以水泥混凝土的弯拉强度大于行车与温度综合作用产生的疲劳应力作为设计标准，并将最大轴载与温度的综合作用不产生极限断裂作为路面结构的验算标准[3-4]，即路面结构满足:

式中：σpr—荷载疲劳应力，MPa；σp,max—最大荷载疲劳应力，MPa；σtr—温度疲劳应力值，MPa；σt,max—最大温度疲劳应力值，MPa。

经对项目周边水文、地质等资料的搜集及对现有相关公路的调查，该地区为公路自然区划Ⅳ区，地下水位距路床顶的距离为1.5 m，以低液限黏土为准，周边石料以石灰岩为主。项目最大轴重为180 kN，初期轴载作用次数为135次，在设计基准期20 a内，年平均增长率为5%，可得设计基准期内Ne为89.61万次，属于中等交通。

2 路面参数及路面结构的拟定

2.1 路面参数的选取

项目目标可靠度为85%，依据当地其他项目相关资料，变异水平可取中级，可靠度系数取1.10；路床回弹模量在考虑湿度影响后，回弹模量为56 MPa；混凝土弯拉强度标准值为4.5 MPa，石灰岩的线膨胀系数为 7.0×10-6℃。

2.2 路面结构的拟定

初步拟定的路面结构为：0.2 cm水泥混凝土+（2×0.2 cm）水泥稳定碎石+路基（回弹模量为56 MPa），混凝土的弯拉模量为29 GPa、泊松比为0.15，基层水稳回弹模量为2 000 MPa。

车道平面尺寸为5 m×4.25 m，并采用设传力杆的缩缝和带拉杆的纵缝形式。

2.3 路面结构验算

2.3.1 荷载疲劳应力计算

采用分离式双层板计算模型，通过计算得到地基Et=271.998 MPa；由上、下层板的厚度、泊松比和模量，可得上层板弯曲刚度Dc=19.78 MN·m，下层板弯曲刚度Db=1.74 MN·m，总相对刚度半径rg=0.519 m。求得在标准轴载、最大轴载作用下产生的荷载应力值σps=1.65 MPa、σpm=2.868 MPa。

根据路肩类型、累计作用次数、公路等级，kr、kf、kc分别取0.87、1.29、1.05。将以上数据代入公式：

求得荷载疲劳应力σpr=1.94 MPa和最大荷载疲劳应力σp,max=2.62 MPa。

2.3.2 温度疲劳应力的计算

根据项目所在区域，最大温度梯度取90℃/m，at、bt、ct分别为0.843、1.323和0.058，并基于上、下层板的厚度、模量、弯曲刚度、面板尺寸等参数，求得面层和基层之间竖向刚度kn=5 753.97 MPa、层间接触状况参数rβ=0.129 m、温度翘曲应力参数CL=1.064，进而求得温度应力系数BL=0.777 1。

将以上数据代入公式：

求得最大温度应力值σt,max=1.388 MPa。

根据at、bt、ct求得温度疲劳应力系数kt=0.389,代入公式，求得温度疲劳应力值σtr=0.54 MPa。

2.3.3 极限状态核算

将计算得到的荷载疲劳应力、最大荷载疲劳应力、温度疲劳应力、最大温度梯度疲劳应力等值代入公式（1）、公式（2），所得核算结果：

核算结果满足规范要求[3-4]，并依据要求在面层板增加6 mm磨耗层，且按10 mm取整，水泥混凝土板的厚度为0.21 m。

3 水泥路面优化设计分析

3.1 公路等级的选取

公路等级的不同在设计中对路面施工时的可靠性、路面的弯拉强度等参数有直接影响。我国现有规范中公路分为五个等级，设计时需结合前期可研、初设等调查资料中交通需求情况、服务地区经济发展状况、人口密度等相关因素确定，本项目在综合该待建公路以上各种因素后将其确定为二级公路。

3.2 路面材料选用及施工

3.2.1 基层材料

基层作为路面结构中的主要承重层，基层材料对路面在设计基准期内正常且稳定地使用起着关键的作用，基层材料选择不当，易在较短时间内产生损害，影响路面结构的正常使用。根据其他现有路面调查分析，特别是在较低等级的公路和施工质量较差等情况，抗冲刷能力较差的基层，通车一段时间后，在较多雨水和受其他地下水影响下，经车辆反复碾压极易造成板底脱空进而产生唧泥、板块断裂等病害[5]，严重影响行车感受和安全。

根据我国多年工程实践经验，水泥稳定碎石基层具有强度高、抗冻性好、抗冲刷能力强等优点而在重、中交通等级公路中广泛使用，在特重和极重交通等级情况下，应根据情况合理选用沥青混凝土、碾压混凝土和贫混凝土等作为基层材料，保证公路路面结构的正常使用。

3.2.2 面层材料

我国四季温度差别较大，在水泥混凝土设计时，必须设置横向胀缝、缩缝，并根据面板宽度情况设置纵缝，防止或减缓混凝土面板在温度变化较大情况下产生裂缝，进而产生断板现场。为保证路面结构具有较长的使用寿命，一般在设计、施工过程中在横缝位置处设置满足功能需求的拉杆和在纵缝位置设置传力杆等。

3.2.3 路面结构组合

在设计时，路基填料应根据公路等级选取合适的材料，避免为将路床达到更高强度的要求而舍弃项目周边现有材料使路面结构强度冗余、项目投资不合理；若现有材料难以满足材料强度或其他要求时，应合理掺加外加材料或更替填料，如根据地勘报告，现有土质强度达不到相应规范对路床的强度要求时，可在一定深度范围内掺入3%～6%的水泥或经施工方法、经济因素等对比选用其他处理方法。

应对拟定路面结构进行设计分析，即要避免路面结构验算不满足规范，又要避免路面结构强度冗余过多。拟定路面结构前，应充分调查拟建项目现有情况，合理选择最大轴重、交通量、基层和面层的材料类型，初步拟定不同类型、不同厚度的路面结构，并通过与其他类似项目的对比分析，最终确定更符合项目要求的类型，保证路面安全、舒适、耐久的使用，且避免项目总投资不合理的浪费。

3.2.4 路面设计目标及质量保障措施

为保证公路项目在设计基准期内能满足项目服务区域经济的快速发展、人们对公路的日益增长的需求和出行安全，应在项目实施过程中充分考虑公路的可靠性与安全性分析[6]。而公路等级直接影响水泥混凝土路面安全等级，故路面结构设计的目标应结合公路的（安全）等级进行综合控制和管理，在严格控制以上各个因素的前提下，进行施工技术优化、施工质量高效管理和控制可使项目在设计、施工过程中安全水平得到有效的保证，从而保证水泥混凝土在设计基准期内路面结构不发生结构性损害，减少运营后期养护成本、增加路面结构使用周期。

在路面结构设计、验算过程中，根据确定的可靠性指标、周边类似项目确定合理、精确可靠更为与实际贴合的设计参数，提供工程的整体设计质量。在拟定路面结构不满足规范要求时，可通过调整各个层位材料类型和厚度等方面进行改善，随前期工程总成本较大，但运营过程中对路面的养护费用、养护周期相对较少，从而达到后期养护时间和次数减少的目的。

3.2.5 交通量的确定

设计车道在标准轴载作用下累计作用次数是水泥路面交通荷载等级划分的标准[1,3]，而累计作用次数与现有交通量调查、年平均增长率有直接的关系。年平均增长率与服务区域的设计经济发展、旅游、工业等因素确定，交通量一般通过两种方式确定：（1）对于新建公路，通过对现有其他公路及其他交通运输方式的资料收集，对本项目交通转移流入量进行预测，其确定具有一定的主观性，故在项目建议书、可研阶段应充分调查和研判。（2）对于旧路改造（拓宽、加铺及改线），应对旧路的交通进行调查，确定初始年时（双向）年平均交通量、车辆类型分布情况，包含大型客车、货车等的交通量，不含2轴4轮及其以下的车辆（客车、货车），并对平均日交通量进行轴载换算，从而确定累计作用次数和交通荷载等级。

3.2.6 其他问题及对策

（1）纵向接缝在变宽段时要求设置螺纹钢筋的拉杆，纵缝位置宽度应大于1 m；施工时铺筑路面的宽度大于4.5 m时，必须设置纵向缩缝；在路基可能产生不均匀沉降处、混凝土板为锐角或不规则形状时，应对面板内进行布设钢筋，避免产生沉降差异和板角断裂等情况。（2）混凝土路面结构存在纵缝、横缝等原因，使得路面结构易渗入雨水或其他地表水，为避免其形成高孔隙水压力及对路面结构的其他损害，可设置沥青下封层，并可增大路面横坡、设置碎石路肩排水层等措施。（3）路面设计时，应充分考虑施工条件及其优化措施，合理提高施工时机械化水平、并结合最新科研成果中检测手段（如无损检测），保证施工质量的可靠性和稳定性。

4 结语

通过对某二级公路路面结构设计与分析，拟定出满足规范和现状需求的路面结构，并对路面结构进行优化设计分析。结果表明：（1）在路面结构设计、计算过程中，各参数的来源应严谨、可靠，避免由于参数选取错误导致的结构不满足要求或者冗余过大的情况。（2）为保证路面结构的正常使用，应合理设置排水设施、混凝土内布设钢筋及其他措施等。（3）在确定拟建公路的适用目的条件下，结合周边类似项目经验，优化设计方案，进一步提高设计质量，为路面质量奠定基础。