以某新建繞城高速為例，在進行其未來交通量預測后將其定性為重載交通路段，并對重載道路路面車輛荷載作用機理進行屬性分析，為提升重載道路路面路用性能和使用壽命，從臨界荷載、軸載的換算、彎沉值確定、瀝青路面面層結構及輪載作用等方面進行了其重載道路路面設計探討，望能為同類工程挺借鑒。

關鍵詞：重載道路；路面；臨界荷載；彎沉值；設計

0引言

隨著我國經濟發展速度的加快，道路所承受的交通荷載不斷增大。現有研究成果大多集中在重載道路受力結構方面，對于重載道路交通特性研究較少，所以基于新建道路工程分析重載道路交通特征以及重載道路路面設計問題對于指導道路設計規劃和交通管理具有重要意義。

1擬建重載道路概況

根據預測，擬建環繞某市區的繞城高速交通構成情況復雜，對其交通量分類統計后，將統計結果換算成標準車，結果顯示，道路投運后，重型貨車、集裝箱貨車等交通量會逐年增大，大客車和大貨車占比有降低趨勢；環線路段車輛荷載等級均較大，且大部分車輛為三軸及以上載重量至少30t的貨車，少數嚴重超載貨車的最大載重量甚至達到200t。重載道路荷載規范為10～40t[1]，且對重載交通量有較嚴格限制，載重貨車因行駛速度緩慢，安全隱患突出，因此成為導致道路路面破壞及影響道路安全行駛的主要因素，大部分路段交通量飽和度在0.8以上，道路擁堵，屬三級服務水平。

2重載道路路面車輛荷載作用機理

車輛荷載對道路路面的作用主要通過輪壓體現，一般情況下輪壓和道路路面接觸面積小，而重載道路接觸面積和局部作用荷載顯著增加，這種影響主要包括彎曲效應、剪切效應、疲勞效應和車轍效應。

2.1彎曲效應

行車對路面的作用整體來看屬于一次性彎曲作用，路面在彎曲變形的影響下，如果材料性能不佳或面層厚度不足，便會使荷載作用下的彎拉應力超出結構承載力極限值，造成路面底部開裂；車輛對道路路面的作用既包含靜力部分，又包含因路面平整度不佳、車輛振動等所引起的動力沖擊效應，在重載條件下上述效應尤為明顯。

2.2疲勞效應

疲勞是道路路面結構性能的具體體現，根據設計經驗，大多數道路路面發生裂縫等病害均與其疲勞性能直接相關，車輛反復加載及卸載使道路路面在材料極限情況下提前產生裂縫；道路路面在持續荷載作用下的損傷效應是疲勞效應的基礎，在重載作用下軸載噸位增加，疲勞損傷便以指數形式遞增[2]，疲勞損傷加劇。

2.3剪切推移效應

行車剎車、上下坡、轉彎等操作下其車輪不可避免地會對路面造成剪切推移影響，重載情況下這種剪切推移更加顯著，會直接導致路面結構層破損，引發路面推移、擁包等病害。

2.4車轍效應

瀝青路面結構的瀝青材料具有高溫軟化特性，在高溫、大載重量等情況下發生車轍病害的可能性較大。

3重載道路路面設計

考慮到重載道路路面設計的特殊性和困難性，需在最大服役荷載調研的基礎上明確該重載道路運營過程中使用荷載臨界情況以及軸載換算，根據標準交通量進行路面設計，依據服役荷載最大值進行設計驗算。

3.1臨界荷載

車輛荷載只有達到一定噸位和碾壓次數才能對道路路面產生累積損傷影響，對于噸位不足及碾壓次數較少的車輛可忽略不計，所以臨界荷載值的確定對保證設計效率、提升設計方案針對性十分重要。當前相關規范和工程實踐中均以50%的應力水平為標準進行臨界荷載值的確定，在瀝青路面設計時，不考慮單軸設計軸載小于20kN及雙軸軸載小于40kN的情況。

3.2軸載的換算

軸載強度體現的是車輛荷載對道路路面結構一次性破壞的程度，在軸載反復累計作用下引起道路路面結構損傷即為路面疲勞，車轍也是車輪反復作用的結果。根據設計規范，瀝青混凝土路面以路面彎沉為設計控制指標，以底部拉應力為失效判定標準，所以本重載道路路面設計分別以彎沉等效和拉應力等效進行標準軸載換算。該公路重載路段路面設計荷載標準按照雙輪組單軸載100kN確定，并采用瀝青混凝土路面行駛，車道系數按0.45確定，設計使用壽命15a，按照《公路瀝青路面設計規范》（JTGD50—2017）進行軸載換算[3]，具體公式如式（1）：N''=∑i=1kC'C'2ni(P)iPb（1）式中：N''為標準軸載當量軸次；ni為待換算車輛各級軸載作用次數；C'為軸數系數；C'2為輪組系數，雙輪組取6.4，單輪組和四輪組取0.38；Pi為待換算車輛軸載；P為設計軸載，取100kN；b為換算指數。本重載道路路面設計累計當量軸次比分別以設計彎沉值與瀝青層層底拉應力、半剛性基層層底拉應力、剛性基層層底拉應力三部分內容為軸載換算設計指標，車道日平均當量軸次設計結果分別為3840次/d、4255次/d、6630次/d。在設計年限內，交通量增長率預測值和實際值存在一定出入，為此必須進行累計當量軸次的分段計算，以調整預測交通量增長率。最終確定該路面病害路段屬于重載交通路段。

3.3彎沉值確定

重載瀝青道路路面設計指標主要有車轍、基層層底拉應力、路標彎沉等，但是根據類似工程既有經驗，車轍預估模型在實際應用中面臨較大的局限，故本道路主要基于重載路面受力及損壞特性采用彎沉值設計控制指標，以底基層層底彎拉應力及半剛性基層為最終檢驗指標，計算其最大軸載應力。彎沉值按式（2）[4]確定：ld=600N-0.2eAcAsAb（2）式中：ld為彎沉值（×10-2mm）；Ne為設計使用年限內單車道當量軸次，即以層底拉應力及彎沉值為設計指標時的當量軸次；Ac為道路等級系數；As為道路面層類型系數；Ab為道路路面結構類型系數。將所得出的設計彎沉值進行修正，修正系數按照式（3）取值：F=1.63(l)s/2000δ0.38(E)0P0.36（3）式中：F為設計彎沉值修正系數；ls為道路路面計算彎沉值，取0.01mm；δ為標準車型輪胎當量圓半徑；E0為土基抗壓回彈模量；P為標準車型輪胎接地壓強。3.4路面設計要點進行重載道路路面設計前必須根據其實際荷載范圍選用設計方法，首先考慮道路承擔大量貨物及專項物資運輸的頻次，再根據軸重儀實測結果進行路面設計。在重載道路路面設計的同時還應根據換算軸載確定疲勞應力，進行路面疲勞效應和一次性破壞效應的驗證。現有的公路路面設計標準主要采用臨界疲勞應力和臨界溫度疲勞應力組合的控制標準，并應將其控制在道路路面層材料彎拉強度范圍內。還應進行道路路面服役極限荷載調研，并據此進行路面結構是否會發生一次性斷裂失效的驗證。考慮到瀝青混凝土路面具有較好的平整性、低噪聲、抗高溫和耐老化等性能，本道路路面應采用長壽命瀝青路面設計，自上而下分別為高質量瀝青混凝土面層、高彈性模量抗車轍瀝青混凝土中間層、高柔性抗疲勞瀝青混凝土HMA基層。在重載交通作用下，車輪和路面接觸面以下100～150mm范圍受力最大，也是多種病害發生概率最大的區域，所以該區域承載面層必須采用高質量瀝青混凝土材料；車輪荷載經由面層向下部中間層擴散，并應與上部面層存在有效連接，防止出現車轍病害，所以下部中間層應使用高模量抗車轍瀝青混凝土材料；車輪荷載最后傳遞至路面拉彎應力最大的HMA基層區域，該區域對瀝青混凝土材料抗彎拉性能有較高要求，故采用高柔性抗疲勞瀝青混凝土材料，確保其具備足夠的抵抗性，避免發生由下至上的開裂和破壞。

4結語

該擬建環繞某市區的繞城高速于2018年初開工，2019年末建成投運，運行至今其道路路面結構穩定性良好，實際交通量與道路建設前所預測的交通量基本吻合，路面設計方案科學合理。本文所進行的重載道路路面結構設計的研究結果對類似工程具有參考價值。