第五章路面设计(汉语译稿)-93

从铁矿到宝日格斯台（Burgastai）交界180公里道路工程详细设计路面设计1第五章路面设计5.1概述路面设计的目标是使得设计的路面结构在其设计使用年限周期内保持其交通运输的耐用程度。在设计使用年限的末期，可以根据最新的设计评估对路面进行修复和重建。咨询方大致上是根据上述要求对项目公路进行路面设计，采用国际上公认的路面设计准则和方法论，蒙古标准，项目的调查研究数据，并且特别注意蒙古的情况和反馈的经验。5.2影响路面设计的因子对路面设计起直接作用的主要因子有：a)在其整个设计使用年限中，路面必须能经受住的行车载荷（轴结构和有效载荷量）。b)工程特性：(i)在建议的线形处存在的土壤，(ii)在确定的取土区选择的土壤，以及(iii)适用的粗骨料和细骨料。c)气候5.2.1交通运输设计使用年限项目公路的柔性路面已经设计了四点五（4.5）年了。设计交通量单个车辆载荷的损坏效果是根据ESA（等效标准轴）表示的。累积的等效标准轴（ESA），所有车辆在道路的设计使用年限内所使用道路的等效标准轴（ESA）的总计，是根据交通载荷的总损坏效果进行测量的，也是在路面设计中所使用的交通载荷参数。根据业主的要求，矿石运输量为6000吨/日，而每辆卡车可以运送60吨矿石，因此，每日所需单程卡车数量为6000/60=100辆（满载），轴荷结构如附录-I所示。空载卡车对路面的冲击可以忽略不计。同样，假定除了运载矿石的卡车之外，每日还有大约50辆具有2轴结构的商用汽车在道路上移动。车辆损坏因子（VDF）在计算车辆损坏因子（VDF）时，假定最大有效载荷为60吨的卡车的轴结构如图1-1所示。因此，卡车连同一辆拖车的车辆损坏因子（VDF）其评估如下：车辆损坏因子（VDF）=(18/14.14)4+(28/14.14)4+(13/8.16)4+(26/14.14)4=35.87具有2轴结构的商用汽车的车辆损坏因子（VDF）假定为4.5。蒙古公路设计标准（第7.10段）中推荐2车道公路所采用的车道分布因子为0.5。因为在这里已经考虑了单向行车的交通量计算，在设计中这里使用的车道损坏因子（LDF）等于1。增长率这条公路的主要设计目的是为了将矿石从矿区运输到中国，所以在其整个设计使用年限中，这条公路的交通量都是基本仙童的，所以，毋须考虑交通量的增长。设计等效标准轴（ESA）因此，项目公路的设计等效标准轴（ESA）建议取值为7.0米宽的2车道路面，具体为：365×4.5×(100×35.87+50×4.5)×1.0=6.26百万等效标准轴（ESA）。5.2.2基土的特性按照普通国际惯例，路基强度的特性应当符合其路基填料强度（CBR）值，路基填料强度（CBR）值在公路长度内是变化的，是向着分布的下端的。根据浸透的路基填料强度（CBR）以及其它工程性质，对于沿着建议线形的土壤和取土区的原料进行详细的调查研究，以决定它们的强度特性。根据“土壤和原料调查研究”章节提供的测试结果，在最大干密度（MDD）为98%的情况下，对于路面设计中所建议的不上冻路基的强度，路基填料强度（CBR）值为6%。5.2.3气候从铁矿到宝日格斯台（Burgastai）交界180公里道路工程详细设计路面设计2项目地区的气候属于东戈壁干旱区。该区域的特征主要由干旱型、温暖型、寒冷型混合荒漠草原气候组成。蒙古分为5个公路气候带（I到V），项目公路属于IIIA气候带。绝对温度变化剧烈，从夏天7月份的+40.0摄氏度变化到冬天（1月份）的零下-48.1摄氏度，而且伴随有大雪。关于从茨尔（Tssel）和阿尔泰（Altai）气象站取得的气候数据的概要，请参见下方表1。表1：各月份的绝对温度月份绝对温度（°C）茨尔（Tssel）气象站阿尔泰（Altai）气象站最低最高平均最低最高平均1月-48.1-2.7-24.6-40.17.5-19.52月-40.111.5-19.2-38.211.6-16.53月-27.119.4-5.3-31.013.5-4.84月-15.928.16.9-28.625.66.45月-5.932.914.4-10.038.515.06月4.636.020.8-1.639.818.9月份绝对温度（°C）茨尔（Tssel）气象站阿尔泰（Altai）气象站最低最高平均最低最高平均7月7.537.521.63.040.020.88月4.038.420.00.234.817.69月-2.631.914.0-16.530.411.610月-28.24.3-20.5-28.13.111月-30.816.4-9.6-33.011.8-7.012月-37.70.3--41.93.0-20.0除了因大雪覆盖、结冰等原因导致的被雪封住的区域的交通移动方面的普通问题以外，因季节变换而使得地基的热状况变换，会严重影响该区域的路面结构的性能。热状况的三种类型，通常盛行于不同季节，可以沿着建议的公路线形确认这一情况。a)在11月、12月、1月、2月和3月期间，整个冬季的热状况都是持续的，其平均温度都在零下。b)而在4月、5月、9月和10月期间，热状况都是变化的。c)而6月到8月期间，整个夏季热状况都是持续的。基于冬季的持续零下温度时，低于路面的一定深度的地基可能会冻结，并且，如果被浸透，则可能会膨胀。路面将会因此而受到膨胀压力。冻结深度是由持续冻结温度和地基热力性质所决定的。并且，如果沿着建议线形的土壤其延伸恰好是砂质粘土/粉砂质粘土/粘质粉土，路面可能会碰到“冰冻起伏”现象。而且，在冬季的极端低温的零下温度的影响下，路面甚至可能会因为产生的过度的拉伸应力而断裂。在热状况起伏的情况下，白天的温度和夜间的温度可能变化剧烈。这种持续若干个月天天f发生的温度变换，会是路面损坏，特别是顶部层面，这是因为一种叫做“热疲劳”的效应。从铁矿到宝日格斯台（Burgastai）交界180公里道路工程详细设计路面设计3从夏季开始起，在热状况持续的情况下，冻结地层将开始融化。因地基的春季解冻导致基层土壤的弱化，加上夏季到来的交通运输量的增加，会对路面造成较大的损坏。为了阻止公路的冻胀，路面应当选用不易上冻的材料，设计厚度应当大于冰冻深度，并且，应当布置适宜的道路排水，这样可以阻止任何附近水源对路面的影响。而且，从5月份——夏季的开始，冻结地层在春天开始解冻。土壤的上层首先开始化冻并产生大量的水。而在这个时候，下层仍然处于冰冻状态，融化的水无法排放。这样，土壤会被浸透并降低其强度。因地基的春季解冻导致基层土壤的弱化，加上夏季到来的交通运输量的增加，会对路面造成较大的损坏。这样，由于路面的支撑地基是这种土壤，很可能会产生裂纹和积水洼。道路伸展大约15%的平均土粒大小超过0.075毫米，它表明这些是易受冻结的土壤材料。因此，要求使用合适的不易上冻的路基材料，以防止公路的冻胀隆起现象。这也同样可以使得路面因地基的夏融引起的损坏降低到最小程度，假如存在这种情况的话。5.2.4路面材料技术规范本地的可用土壤，砾石，粗骨料应当供不易上冻路基、基底和基层的施工使用，要特别注意用在路面顶层的沥青材料的类型。沥青等级的选择应当根据路面温度的高低选择沥青等级。然而，将空气温度转换为路面温度实在是太复杂了。因此，从实际出发，应当根据空气温度选择沥青等级。并且，我们不建议采用某个地点的曾记录的最高气温和最低气温，因为，路面的车辙/裂纹是由于持续的高温/低温天气而不是某一天的最热/最冷天气而导致的。因此，以全年（基于若干年的气象资料）365日的平均最高/最低气温更适宜于某个特殊区域的沥青等级的选择。根据表1中给出的气候数据，最高气温超过平均最高气温21.6°C主要出现在7月，而最低气温低于平均最低气温-24.6°C主要出现在1月。同样可以看到，项目地区的气温始终保持在零下的时间，一年中要持续5个月（从11月到3月）。根据这些温度范围，做出慎重考虑，选择最合适等级的粘稠沥青。1.在气候寒冷的区域，针对上面所述的温度变化，为了防止裂纹，应使用较软等级沥青。2.粘稠沥青的流变性一般被认为是在低温情况下因冰冻裂隙而对柔性路面造成破坏的原因。在温度相当于最低路面表面温度时，当沥青具有弹性固体的性质时，在恒定载荷下一束沥青偏转倾斜的多少即代表该性质。利用蠕变载荷模拟在气温下降时路面上渐增的应力。蠕变劲度及蠕变速度是影响粘稠沥青的流变学性质的2个基本因素。若蠕变劲度过高，粘稠沥青表现的有点脆，这样碎裂的可能性更高。另一方面，如果蠕变速度则是愈快愈好，因为，当温度变化并且温度应力累积时，劲度变化相对较快。较软等级的粘稠沥青相比较与较硬等级的沥青，其蠕变劲度较低而蠕变速度较高。3.显而易见，较软等级的粘稠沥青相比较较硬等级的粘稠沥青而言，更容易遇到路面的车辙问题。但是这个问题在本项目公路中可能不会出现，因为：-最高平均气温只有21.6°C，并且，通常平均最高气温超过20°C的月份，一年中只有3个月（6月、7月和8月）。从铁矿到宝日格斯台（Burgastai）交界180公里道路工程详细设计路面设计4根据上述情况考虑，建议项目公路的沥青工程使用符合美国国家公路与运输协会标准（AASHTO）M20-70(2004)标准的针入度为120–150的粘稠沥青，或者使用符合美国国家公路与运输协会标准（AASHTO）M226-80(2004)标准的粘稠度为AC-5的粘稠沥青。5.3路面设计美国国家公路与运输协会标准（AASHTO）手册，路面结构的设计（1993），已经遵循了柔性路面的设计。基本设计程序从确定基于交通量水平所要求的结构数字（SN）开始。随后试验性路面设计通过利用不同层厚度得到了所需要的结构数字（SN），达到最小层厚度标准，并为底层材料提供了充分的保护。气候条件的影响，例如冻胀，已经通过减少路面的适用性1列入了计算。所需结构数字的确定下列参数都用于确定所需的结构数字。设计交通量——如上估计，6.26msa总体标准偏差，So——该变量定义了2个基本设计输入、交通量以及性能在未来可以改变的范围。这些数值变化越大，So值也就越大。因此，本项目所使用的数值为0.5。可靠性（R）——路面设计性能工艺的可靠性是用工艺设计的路面段可以在设计期间满足交通量和环境条件的可能性。由于不利的气候条件，设计的“可靠性”可以考虑为85%。美国国家公路与运输协会标准（AASHTO）手册中，可靠性是标准正常偏差Zr的一个函数。因此，本项目段已经采用了数值为-1.037，85%的可靠性。适用性指标——路面的适用性，定义为：可以适用于不同种类的运输设施的能力。初始适用性指标（pi）是路面设计和施工质量的一个函数。本项目中柔性路面计划使用标准值4.2，美国国家公路与运输协会标准（AASHTO）手册中同样建议使用该数值。最终适用性指标（pt）是在必须进行修复、重铺路面或者重建之前的最低指标。项目公路段决定使用数值2.5。回弹模量（Mr）——美国国家公路与运输协会标准（AASHTO）设计中，路基土壤性质是根据回弹模量定性的。美国国家公路与运输协会标准（AASHTO）中给出的路基填料强度（CBR）和回弹模量（Mr）之间的关系如下所示：Mr(psi)=1500xCBR，因此，对于6%的路基填料强度（CBR），回弹模量（Mr）将为9000磅/平方英寸（psi）。1美国国家公路与运输协会标准（AASHTO）手册，路面结构的设计（1993），第I-23页。因为冻胀原因导致的适用性损失——冻胀率为2.5毫米/日，相当于易冻结分类标准中的中级标准，冻胀率大约60%（受到冻胀的总面积百分比）以及最大潜在适用性损失为0.75，相当于良好的排水条件以及1.2米的冷冻渗透深度3，因冻胀而导致的适用性损失为0.1774。从铁矿到宝日格斯台（Burgastai）交界180公里道路工程详细设计路面设计5所要求的结构数字——基于上述参数，所需结构数字为4.4。路面构成为路面层设计的层面系数和排水系数请见下列表2。表2：层面系数和排水系数层面材料层面系数排水系数沥青混凝土（AC）表面0.441.00密实沥青混凝土（AC）结合料0.381.00碎骨料地基