鲁 高 群

(中国三峡建设管理有限公司，四川 成都 610041)

0 引言

凉山州雷波S307复建公路是溪洛渡水电站库区的一条山区三级公路，是雷波县通往西昌的主干道，常年经受重型矿车碾压。该段道路自2013年5月通车至今，除少部分路面受地质灾害影响进行了修复外，其余路面运行良好。本文相关设计参数选自第一标段土方路基段，路面结构设计为5 cm热拌沥青混凝土AC-16C单面层+25 cm 5%水泥稳定碎石基层+20 cm 3%水泥稳定碎石底基层(底基层在岩石路基段取消)。根据JTG D50—2017公路沥青路面设计规范(以下简称《规范》)中关于路面结构组合设计的要求，本文基于雷波S307复建公路工程实例，在基层厚度和强度足够的情况下，路面作用荷载相同，层间接触条件均按连续考虑，按照弹性层状理论对沥青路面单面层与双面层结构进行了如下力学分析和探讨。

1 拟定路面结构模型

本文拟定的两种路面结构方案均采用半刚性基层，具有足够的强度和厚度，沥青面层下设置下封层，基层上设置透层。基层表面喷洒透层油渗入基层的深度宜不小于5 mm，再设置稀浆封层防水，提高了基层的整体性和稳定性，同时保证了面层与基层紧密结合，两种路面结构层层间接触条件均按连续考虑。

1)方案A(设计方案)：5 cm热拌沥青混凝土AC-16C单面层+1 cm ES-3贯入式稀浆封层+25 cm 5%水泥稳定碎石基层+20 cm 3%水泥稳定碎石底基层。

2)方案B(比较方案)：3 cm热拌沥青混凝土AC-10C表面层+4 cm热拌沥青混凝土AC-16C下面层+1 cm ES-3贯入式稀浆封层+25 cm 5%水泥稳定碎石基层+20 cm 3%水泥稳定碎石底基层。

下封层设置的目的是为了保护基层不被施工车辆破坏，利于半刚性材料养生，同时也为了防止雨水下渗到基层以下结构层内，以及加强层间结合而设置的结构层。由于下封层厚度较薄，方案A，B在进行结构层力学分析时均不考虑。

2 确定路面设计参数

2.1 交通量分析

根据《溪洛渡水电站S307泸盐路南田至坪头段复建公路工程可行性研究报告》提出的预测交通量如表1所示。

表1 年日平均交通量预测表

根据表1计算可知，前5年平均增长率为5.3%，后3年平均增长率为4.5%，交通量年预测平均增长率γ取5%。根据《规范》要求，雷波S307沥青混凝土路面的设计年限为8年，设计年限内一个车道上的累计标准轴载(100 kN)作用次数为Ne=597.857 3万次，属中型交通量。

2.2 路面材料设计参数确定

根据《规范》要求，结合《金沙江溪洛渡水电站S307线泸盐路南田至坪头段复建公路施工图设计》(审定本)，选取本路段路面材料设计参数如表2所示。

表2 雷波S307复建公路路面材料设计参数

2.3 土基回弹模量选定

由全国公路自然区规划图，路线所经地区属公路自然区划为Ⅴ4区，即川滇黔高原干湿交替区，填土高度一般大于2.0 m，路基填料一般为砂性土及碎石土。本线路基一般处于中湿～干燥状态，根据《规范》要求，设计采用土基回弹模量E0=34 MPa～45 MPa，本文计算取E0=40 MPa。

2.4 路表面设计弯沉Ld计算

方案A与方案B的基层均为半刚性基层，根据《规范》要求，公路等级系数取1.2，面层类型系数取1.0，路面结构类型系数取1.0，两方案路表面设计弯沉相同。路表面设计弯沉Ld=600Ne-0.2AcASAb=31.8(0.01 mm)。

2.5 各层材料容许层底拉应力计算

各层材料容许层底拉应力计算见表3。

σR=σSP/KS。

其中，σR为路面结构层材料的容许拉应力，MPa；σSP为结构层材料的极限抗拉强度，MPa，规范采用15 ℃极限劈裂强度；KS为抗拉强度结构系数。

表3 各层材料容许层底拉应力计算

3 路面结构层施工厚度分析

方案A和方案B沥青混凝土面层均满足《规范》中 “沥青混合料的压实最小厚度与适宜厚度”规定。根据《规范》中规定：水泥稳定类基层压实最小厚度为150 mm，适宜厚度为180 mm～200 mm。

以上分析表明：本文拟定的单面层和双面层厚度均满足规范要求，路面底基层厚度适宜，基层厚度偏大，进一步表明，方案A符合沙庆林院士提出的“强基薄面”建设理论，通过认真处治路基病害，合理选择基层结构，适当增加基层厚度，切实做好基层封水，提高基层的整体强度和稳定性，同时采用技术措施保障面层与基层紧密结合，能减少沥青面层厚度，提高投资效益[1,2]。

4 沥青路面路表弯沉比较

研究表明：沥青路面路表弯沉值与面层和基层厚度、路基模量及层间结合程度有显著关系[3]。本文采用路面结构设计程序HPDS计算出各方案的结构层顶面弯沉值如表4，表5所示。

表4 方案A各结构层顶面弯沉值

表5 方案B各结构层顶面弯沉值

由表4,表5中各结构层顶面弯沉值计算结果可知：

1)方案A路表计算弯沉为27.4(0.01 mm)，方案B路表计算弯沉为25.9(0.01 mm)，均小于路表设计弯沉值31.8(0.01 mm)，满足规范要求。

2)相比方案A而言，方案B路表计算弯沉值更小，路面结构层抵抗垂直变形的能力更强，能够更好的承受车辆荷载重复作用。

5 比较路面结构层弯拉应力

采用路面结构设计程序HPDS计算出各方案的结构层层底最大拉应力如表6，表7(未考虑综合影响系数)所示。

表6 方案A结构层层底最大拉应力σm

表7 方案B结构层层底最大拉应力σm

由表6,表7中计算结果可知：

1)方案A和方案B各层层底最大拉应力σm小于相应各层层底容许拉应力σR，满足规范要求。

2)与方案A相比，方案B表面层层底最大拉应力减小，下面层层底最大拉应力值增大，表明：增加沥青层厚度，沥青表面层弯拉应变减小，能够更好的减少车辆荷载作用下产生的弯拉开裂，提高路面疲劳寿命可靠度[4]。

6 路面结构层抗剪切强度比较

研究表明：当路面结构中层间接触条件为完全连续状态条件下，沥青路面结构不易遭受剪切破坏[5]。对于单面层与双面层抗剪强度的比较，本文采用双圆均布垂直荷载作用下的弹性层状连续体系理论进行多层体系厚度路表弯沉等效换算，查弹性三层体系表面最大剪应力诺模图计算如图1，图2，表8所示。

表8 路表最大剪应力计算

方案参数等效厚度H/cm车辆缓慢制动时路表最大剪应力τm0.2/MPa车辆紧急制动时路表最大剪应力τm0.5/MPaA43.20.1590.549B58.40.1580.548

以上计算结果表明：方案A路表最大剪应力大于方案B路表最大剪应力，进一步表明：在高温稳定性方面，方案A优于方案B，在相同的车轮垂直荷载与水平荷载共同作用下，方案A对壅包、推移、波浪剪裂等破坏的抵抗能力更好一些。

7 结论

根据分析结果可知，在相同的车轮垂直荷载与水平荷载共同作用下，最大剪应力随面层或铺装层厚度、模量的增加而相应地变小，随着半刚性基层厚度与模量的增加而变大[6,7]。方案A对壅包、推移、波浪剪裂等破坏的抵抗能力更好一些，另外，方案A更经济、更节能环保。方案B路面结构层抵抗垂直变形的能力更强，能够更好的承受车辆荷载重复作用，随着沥青层厚度增加，沥青表面层弯拉应变减小，方案B能够更好的减少车辆荷载作用下产生的弯拉开裂。

实践表明：雷波S307三级公路项目按照“强基薄面”建设理论，采用5 cm厚AC-16C沥青混凝土面层+25 cm厚水泥稳定碎石基层+20 cm厚水泥稳定碎石底基层(底基层在岩石路基段取消)的路面结构组合经济合理，在抵抗车辆垂直荷载重复作用及抗拉裂能力等方面较差，但在水平抗剪能力方面更好，符合本项目为库区复建公路主要通行地方中小型车辆的功能定位，在今后中、小交通量公路项目中的应用值得借鉴。