徐刚，袁静波，唐乃膨

（1.中交第四航务工程勘察设计院有限公司，广东 广州 510230;

2.同济大学道路与交通工程教育部重点实验室，上海 201804）

港区重型荷载作用下全厚式沥青铺面设计

徐刚1，袁静波1，唐乃膨2

（1.中交第四航务工程勘察设计院有限公司，广东 广州 510230;

2.同济大学道路与交通工程教育部重点实验室，上海 201804）

由于国内重型荷载作用下沥青铺面的设计方法并不完善，通过对美国重型荷载作用下全厚式沥青混凝土铺面结构的研究，介绍一种全厚式沥青混凝土铺面设计方法，为港区科学地进行全厚式沥青混凝土铺面设计提供一定的启发和指导。

港口；全厚式沥青铺面；重型荷载

0 引言

沥青铺面在港区内使用相对较少，从已有使用情况来看，沥青铺面对地基不均匀沉降适应性较好，行驶舒适，开放交通快，养护方便；主要问题是车辙严重及承载能力相对较低。

全厚式沥青铺面[1]是一种直接修筑在路基上的厚层沥青混凝土铺面结构，非常适用于重载车辆。主要优点是总厚度比常规半刚性基层的沥青混凝土路面结构更薄，可以减少疲劳裂缝产生的可能性，并使路面可能发生的破坏限制在路面结构的表面层。当路面表面的破坏达到某一临界水平时，只需更换或加铺一层表面层即可，不需要大的结构性重修或重建。全厚式沥青混凝土铺面的后期维护和使用成本比常规半刚性基层的沥青混凝土路面大幅度降低。由于国内港区重型荷载作用下沥青铺面设计方法不完善，本文介绍一种美国港区全厚式沥青铺面设计方法[2]。

1 设计基础

本设计方法基于弹性层状体系理论，该理论假定荷载作用下铺面有2个关键的设计指标，分别为沥青混凝土层底水平拉应变 εt和路基顶面竖向压应变 εc，见图 1。

图1 全厚式沥青铺面拉压应变位置与方向Fig.1 Stretch-pressstrain position and direction of the fu ll-depth asphalt pavement

1.1 设计指标及方法

路基顶面的竖向压应变是路基永久变形指标，当沥青混凝土模量较低时（对应温度较高），路基顶面竖向压应变将作为控制指标；而当沥青混凝土模量较高时（对应温度较低），沥青层底水平拉应变将作为控制指标，尤其是在重复荷载的条件下[3]。

针对港口的重型荷载情况，荷载重复作用次数相对较少。基于水平拉应变指标设计出的铺面厚度通常小于竖向压应变设计出的铺面厚度。因此，为了简化设计方法，只选取路基顶面竖向压应变作为设计指标。

设计方法基于“多轮组车辆荷载转化为等效单轮荷载”理念。等效单轮荷载用于设计铺面厚度，铺面厚度设计同时还需要考虑轮胎接地压力、荷载大小、轮距、土基强度及铺面材料参数等。

1.2 荷载类型

本设计方法针对3种类型：单轮荷载，双轮荷载，多轮荷载。设计基于圆形荷载作用假设，设计过程中需要考虑当量圆半径（a），当量圆半径可以通过以下公式计算得到。

式中：area 为接地面积；P 为单轮荷载，kN；p 为轮压，kPa；

单轮荷载设计方法相对简单，仅需要考虑轮载大小（P），轮胎接地压力（p）以及轮胎接地当量圆半径（a）。轮胎类型是否能当作单轮问题来处理，取决于设计车辆的轮距，若轮距大于当量圆半径（a）的 8 倍，可按单轮荷载进行设计；若轮距小于当量圆半径的8倍，应按双轮荷载或多轮荷载进行设计。双轮荷载和多轮荷载可换算成等效单轮荷载来计算。

1.3 基本设计分析过程

设计流程如图 2 所示，其中，TA为全厚式沥青铺面层厚度。

2 单轮荷载设计

单轮荷载设计主要根据土基模量 Mr、荷载作用次数、轮胎接地压力、气候条件，直接查表或图确定设计厚度。例如日平均温度 t≤ 13 ℃，荷载作用次数为 10 000 次时，可查阅图 3。同时注意这里查图得到的是 TA/a，铺面设计厚度需要再乘以当量圆半径 a，即 TA=（TA/a）× a。

图2 设计流程图Fig.2 Design flow chart

图3 设计 TA/a值（t≤13 ℃，荷载作用 10 000 次）Fig.3 The designed paving thicknessvalue TA/a(t≤13 ℃, loads10 000 tim es)

3 双轮荷载设计

3.1 设计思路

双轮荷载下的铺面厚度设计的主要思路为：寻找能用于图3的等效单轮荷载，从而确定铺面厚度。

3.2 允许单轮荷载设计曲线

首先确定土基回弹模量 Mr及轮胎接地压力p，利用单轮荷载设计方法确定 TA/a。选取一组单轮荷载 P，其取值从单轮最大荷载到 0.6 倍的车辆总重。依据式（1）确定与每个荷载 P对应的当量圆半径 a，按公式 TA= （TA/a）× a 计算得到 与每个 荷载 P对应的铺面设计厚度，绘制 P与 TA的关系图，即允许单轮荷载曲线 （如图 4）。

图4 允许单轮荷载与等效单轮荷载设计曲线Fig.4 Design curvesof the allowed and equivalent single wheel loads

3.3 等效单轮荷载设计曲线

等效单轮荷载设计曲线通过如下步骤绘制：

1） 确定双轮组的轮距 D；

2） 确定双轮组的轮距系数 （D/a）；

3） 选取一系列 TA/a值，确定荷载系数 L 的范围 （图 5）。一般 TA/a值从 1.0 到 4.0，即可满足设计要求；

图5 双轮荷载系数LFig.5 Doub lewheel load coefficient L

4） 计算所选 TA/a值 下的等效单轮荷载 Pe，Pe=2P/L；

5） 计算所选 TA/a值下的 TA=（TA/a）× a；

6） 绘制步骤 4）、5）中的 Pe和 TA曲线图（图 4）。

3.4 铺面厚度

铺面设计厚度通过允许单轮荷载设计曲线与等效单轮荷载设计曲线的交点即可求得。

4 多轮荷载设计

多轮荷载下的铺面厚度设计与双轮荷载类似，不同之处在于确定多轮组问题的相互影响。为获取 Pe与 TA的关系曲线，需要应用双层弹性系统的路基顶面挠度因子。距荷载中心距离为 r的任意一点的挠度Δ可由下式算得：

式中：p 为轮胎接地压力， kPa；a 为轮胎接地当量圆半径，mm；Mr为土基回弹模量，kPa；F 为路基顶面挠度因子，该因子表征 TA/a与径向偏移比（r/a）之间的函数关系，可直接查表获得。

根据叠加理论，任一多轮荷载在任意一点的总挠度变形等于所有单轮荷载在该点产生的挠度变形的总和。

利用路基顶面挠度因子来计算多轮荷载的等效单轮荷载是基于如下假设：等效单轮荷载产生的最大挠度变形与多轮荷载产生的最大挠度变形相等。

5 结语

通过对美国重型荷载作用下全厚式沥青混凝土铺面结构设计方法的研究，介绍一种全厚式沥青混凝土铺面设计方法，为港区科学地进行全厚式沥青混凝土铺面设计提供一定的启发和指导作用。

[1]MS-11,Full-depth asphaltpavements for air carrierairports[S].

[2]MS-23,Thickness design-asphaltpavements for heavy wheel loads [S].

[3] MS-1,Thickness design-asphalt pavements for highways and streets[S].

Design of full-depth asphalt pavement for heavy wheel loads in port area

XUGang1,YUAN Jing-bo1,TANGNai-peng2
（1.CCCC-FHDIEngineering Co.,Ltd.,Guangzhou,Guangdong 510230,China;2.Key Laboratory of Road&Traffic EngineeringofMinistry of Education,TongjiUniversity,Shanghai201804,China）

As asphalt pavement designmethod for heavy wheel loads is not yet perfect in China,this paper introduces a fulldepth asphaltpavementdesignmethod for heavywheel loadsbased on analysisof the pavement structure developed by America. Thismethod can provide inspiration and guidance for the pavementdesign in portarea.

port;full-depth asphalt pavement;heavy wheel loads

U655.5

A

2095-7874（2014）10-0047-03

10.7640/zggw js201410013

2014-04-08

徐刚 （1983 — ），男，广东广州市人，硕士，高级工程师，土木工程专业。E-mail:461068444@qq.com