公路沥青路面设计计算系统

公路沥青路面设计计算系统
张亮黄晓明
(东南大学交通学院)

    提要本文通过最新的《公路沥青路面设计规范》(JTJ 014－97)与旧柔性路面规范的对比，阐述了新规范的特点，并对其不足之处进行了探讨，采用VB编制了人机交互界面的沥青路面设计程序。
    关键词公路沥青路面设计计算
Calculate System of Asphalt Pavement Design
Zhang Liang
(Transportation college of Southeast University)

    Abstract Based on compare newwith the former，this paper expound the character istic of the new specification and discussed the shortage，to programme the desi gn of asphalt pavement.
    key words Highway Asphalt pavement Design calcalate

1 概述
    通过近十几年的不断实践和总结，无机结合料稳定材料(简称半刚性材料)修筑路面结构的基层和底基层已经得到普遍推广应用，我国90％以上的高等级公路沥青路面基层和底基层采用半刚性材料，半刚性基层沥青路面已成为我国高等级公路沥青路面的主要结构类型。
    在七·五期间，国家组织开展了“高等级公路半刚性基层、重交通道路沥青面层和抗滑表层的研究”的研究课题，对沥青混合料的高温稳定性、低温抗裂性，沥青面层的开裂机理、车辙和疲劳、抗滑表层设计和应用、半刚性基层材料的强度特性和收缩特性，组成设计要求等进行了深入的研究，提出了较为完整的研究报告，为高等级公路半刚性基层沥青路面的设计与施工提供了理论依据和技术保证。
    由于现行的《柔性路面设计规范》颁布于1986年，当时我国高等级公路总里程很少，半刚性基层沥青路面结构使用不很普遍，基层主要是柔性结构或石灰稳定类材料结构，在此基础上经调查和总结得出的柔性路面结构设计方法，在一段时间内满足了路面结构设计的需要。但随着国家对交通运输业的日益重视和人们筑路经验的不断提高，一致认为1986年版的《柔性路面设计规范》已不能满足高等级公路半刚性基层沥青路面的需要。半刚性基层沥青路面在容许弯沉、疲劳特性、材料参数和受力状况等方面与柔性路面有明显的区别。一般设计人员由于对半刚性基层认识不足，使得设计结果具有一定的盲目性，设计结果要么过分保守，要么因路面结构设计不当而产生早期破坏，造成很大的经济损失。因此，如何利用七·五国家攻关项目取得的成果，结合近10年来半刚性基层沥青路面的设计和施工经验，根据实际使用效果，提出适合半刚性基层沥青路面特点的路面结构设计方法，减少设计的盲目性，对路面结构设计方法的更新和路面实际使用效果的改善具有重要意义。

2 新沥青路面设计规范的特点
    新沥青路面设计规范在原柔性路面规范的基础上，对沥青路面厚度计算方法进行了全面修订，删除了查图法和旧路补强的经验公式，在理论计算体系上更加完善合理，且适合于半刚性基层和柔性基层的沥青路面特点；设计参数的测试更加简便，计算结果更加符合实际。同时对分期修建、抗滑标准、沥青层厚度等内容进行了修改，增加了沥青玛蹄脂碎石、沥青混合料的车辙指标和水稳定性指标，水泥混凝土桥面铺装等内容。
    2.1 路面设计弯沉值
    原规范的路面允许弯沉值是1973年左右进行的允许弯沉值调查的基础上提出的，该公式适应了70年代公路等级较低、以柔性基层和石灰土基层为主的实际情况，但存在的主要问题有：①原允许弯沉值的定义为路面在设计使用末期的最不利季节，在标准轴载作用下允许出现的最大弯沉值，它不能直接作为竣工验收指标，否则标准偏低，易出现早期破坏；②设计指标是路面处于使用末期的极限状态在最不利季节的最大弯沉值，而材料设计参数是指龄期为3个月或6个月的无疲劳损伤的完好状态，可见设计指标与材料参数对应的状态不一致；③半刚性基层和柔性基层采用相同的允许弯沉值不合理，且不适应大交通量公路的需要。
    新规范在国家课题“沥青路面设计指标与参数的研究”的基础上，对全国有代表性的路段进行允许弯沉值的调查，经过统计回归分析，并研究了不同基层类型对允许弯沉值的影响，得到对于不同公路等级、不同面层和基层结构类型普遍适用的设计弯沉Id(cm)计算公式：

    式中：Ac —公路等级系数，高速公路、一级公路为1.0，二级公路为1.1，三、四级公路为1.2；
          As—面层类型系数，沥青混凝土面层为1.0；热拌沥青碎石、乳化沥青碎石、上拌下贯或贯入式路面为1.1；沥青表面处治为1.2；中、低级路面为1.3；
          Ab—基层类型系数，半刚性基层取1，柔性基层取1.6。
    从规范公式的推导明显看出，该设计弯沉可以作为竣工验收弯沉，为新建公路的竣工验收提供了依据。

2.2允许拉应力QR及抗拉强度结构系数Ks
    路面结构层的允许拉应力，是指路面结构在行车荷载重复作用下达到疲劳临界状态时允许的最大拉应力。
    原规范的沥青混凝土强度结构系数是参考国外的梁弯曲疲劳试验结果，并结合国内部分调查资料提出的。现在由于路面结构层材料的发展，原有抗拉强度结构系数可能不适合当前工程常用混合料的实际情况。通过对沥青面层、半刚性基层、底基层的抗拉强度结构系数进行的试验，分别得出：

2.3路面材料设计参数
    原规范中规定弯沉设计时采用材料抗压模量，弯拉应力验算时验算层以上各层用弯拉模量，验算层以下用抗压模量，易形成计算体系混乱，计算层的拉应力偏大；另外，弯拉模量、弯拉强度的测试办法笨重，测试结果分散性大，导致设计单位不愿做实验而直接套用规范值的情况。
     在新规范中，弯沉、拉应力指标均推荐用抗压回弹模量计算，抗拉强度不用梁试件而用圆柱体劈裂试验测定抗拉强度，这样既避免两种模量取值的混乱，在测试方法上也得到了简化，并有利于施工检验，可钻孔取样检测。
2.4路面厚度计算
    新规范中删除了查图法计算厚度这部分，在设计弯沉值、验算拉应力过程中，均假定层间接触条件为完全连续，都采用多层弹性体系层间完全连续接触条件的解析解，依据新规范编制了设计计算程序。
2.5弯沉综合修正公式及弯沉综合修正系数
    原规范的弯沉综合修正公式的资料来源于70年代，其修正系数计算公式为：

而近10年高等级路面多采用水泥稳定碎石(砂砾)、二灰稳定碎石(砂砾)以及水泥石灰综合稳定类材料，路面结构层随交通量增加也增厚，这使得原规范弯沉综合修正系数失去了现实意义。新规范对多个路面结构进行理论与实际对比计算，得出：

2.6标准轴载及轴载换算
    新规范舍弃了BZZ－60，而仅以双轮组单轴载100kN为标准轴载，以BZZ－100表示。
    标准轴载的当量轴次N(次／d)分两种情况计算：
    (1)当以设计弯沉值为指标及沥青层层底拉应力验算时，凡轴载大于25kN的各级轴载(包括车辆的前、后轴)均须换算：

    (2)当进行半刚性基层层底拉应力验算时，凡轴载大于50kN的各级轴载(包括车辆的前、后轴 )均须换算：

3 公路沥青路面设计计算系统的编制
    本系统在研制过程中，采用现今流行的面向对象的程序设计思想，引入对象、属性、方法和事件等概念，将其分为几个部分：一为系统控制部分，为MDI主控窗口；二为系统的输入、输出模块；三为沥青路面设计计算专用程序；接收到数据后，在后台运行计算程序；四为系统的辅助功能(如帮助、数据另存、打印等)。
    系统配置要求：80486、8M内存以上，操作系统为Windows 3.1或Windows95.
本系统除第三部分外，其余均采用Visual Basic 4.0 for Windows 3.x编程。利用VB控件制作好窗口后，在相应事件处写入事件发生代码，用这种编程方式称为事件驱动程序。
    (1)在主控程序中，开辟了公共数据区域用于存放模块间传递的数据，将其余模块作为菜单悬挂其上。
    (2)在输入模块中，当确定结构层数和设计层位后，将弹出一个各层相应参数输入窗口，进行前后翻滚输入各层数据，最后按按钮“确定”结束，其余情形类似。
    (3)windows是具有一定多任务操作能力的系统，在VB中，通过Shell函数方便地调用一个可执行程序。本模块主要通过Shell函数来调用一个pif文件，再通过pif去调用一个bat批处理命令程序，在该批处理文件内才包含真正的对沥青路面设计计算专用程序。具体如何编制pi f和.bat文件，参考相应计算机图书。
    (4)在系统辅助功能中，利用windows的优势建立联机帮助、文档后台打印和提供系统资源信息等，使得系统功能更加完善。
4 对新规范进一步的探讨
4.1设计弯沉值
    在新规范中，将原有的允许弯沉值改为设计弯沉值，这是一个很大的改进，它澄清了设计状态与使用末期极限状态的概念以及它们之间的相互关系。当路面厚度计算以设计弯沉值为控制指标时，则验收弯沉值应等于设计弯沉值；当厚度计算以层底拉应力为控制指标时，应根据拉应力计算所得的结构厚度，重新计算路表弯沉值，该值即为竣工验收弯沉值。但是，新规范并没有针对沥青路面在使用年限内的评价和养护提出弯沉评定指标，因沥青路面在使用过程中，路表弯沉逐渐增大，路面使用过程中的强度评价不能采用设计弯沉，这给道路面结构强度评价带来困难。
4.2模量取值带来的影响
     在新规范中，材料回弹模量用圆桩体试件，按无侧限压缩试验测得抗压回弹模量，材料抗拉强度用劈裂试验测得抗拉强度。材料模量值是表征材料刚度特性的指标，对于某条沥青路面，弯沉值越大，则表明刚度越小，弯沉值与刚度成反比；在弯拉应力验算时，刚度越小，弯拉应力越小，刚度与拉应力成正比。材料回弹模量取值方法不符合验算保证率的要求，则造成计算拉应力偏小，从而减少了路面弯拉验算的安全度。
5结论
    (1)本文针对即将实行的《公路沥青路面设计规范》与旧规范相比较，具体分析了它的改进之处，同时也提出了不同看法。
    (2)编制的计算机应用程序选择了当今广泛流行的操作平台Windows 3.x及windows95，并且充分利用其优越性能，将计算专用程序置于后台执行。
    (3)该应用系统具有操作简单、使用方便、易学好用的特点；并且系统运行稳定，计算速度快，具有很好的实用价值。

参考文献

    1 方福森.路面工程.北京：人民交通出版社，1990
    2 沙庆林.高等级道路半刚性路面.北京：中国建筑工业出版社，1993
    3 公路沥青路面设计规范(JTJ014－97).北京：人民交通出版社，1997
    4 林绣贤.柔性路面结构设计方法.北京：人民交通出版社，1988
    5 公路路面基层施工扶规范(JTJ034－93).北京：人民交通出版社，1993
    6 公路沥青路面施工技术规范(JTJ032－94).北京：人民交通出版社，1994

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