冻土区公路设计理论论文

2022-04-15

专家简介：陈建兵，中交第一公路勘察设计研究院有限公司教授级高级工程师、交通运输部多年冻土地区公路建设与养护技术交通行业重点实验室执行主任、寒区环境与工程研发中心主任、高寒高海拔地区道路工程安全与健康国家重点实验室副主任。1978年12月生，安徽怀宁人，中国科学院寒区旱区环境与工程研究所岩土工程专业博士。下面小编整理了一些《冻土区公路设计理论论文(精选3篇)》，希望对大家有所帮助。

冻土区公路设计理论论文篇1：

大兴安岭岛状多年冻土地区路基病害与防治

摘要：为对我国东北多年冻土地区路基病害进行防治，介绍了我国东北冻土地区的主要路基病害，并取大兴安岭岛状多年冻土进行总含水率、液塑限和融沉系数等相关试验判断可能发生的路基病害，并针对病害提出了相关的防治措施，可为大兴安岭地区修建道路提供参考依据。

关键词：大兴安岭；路基；病害；防治

0引言

冻土是具有负温或零温并含有冰的土类或岩石的总称[1]。我国多年冻土主要分布在大兴安岭、天山、阿尔泰山以及青藏地区。大兴安岭多年冻土是在自然条件下长期形成的冰川沉积残留物，多年冻土在冻融过程中会发生物理力学性质的改变，因此在多年冻土地区修筑道路时应该对该地区的冻土物理力学特性有所了解并确定融沉等级，以此为依据提供相应的路基病害防治措施。

本文选取漠北沿线不的典型冻土断面，测定其总含水率、液塑限之和融沉系数，确定融沉等级，分析其可能产生路基病害，并结合工程实际和大兴安岭冻土防治经验，提出合理防治措施。

1.常见冻土路基病害

多年冻土段路基病害现象主要体现为冻胀、融沉、冰丘、裂缝等。其中多年冻土段路基上部为季冻区，夏季融化，冬季冻结，受水分和温度的影响较大因此常见的病害是冻胀以及裂缝，而路基下部结构为常年冻土区，常见的病害为融沉以及冰丘。

1.1冻胀

土中水冻结时相变成冰，体积增大9%，当土中水体积膨胀足以引起土颗粒之间相对位移时就形成土的体积膨胀，称为土的冻胀[2]。冬季，当地基土体因冻胀而产生的冻胀力大于上部土体自重时，多年冻土路基在地基冻胀力的作用下而隆起。冻胀的形成于土体的冻胀性质，土体的含水量以及地下水补给、温度的下降速率等具有较大的关系。

1.2融沉

由于道路的施工以及运营人为地改变了原有的自然环境，并且破坏了原有冻土的热平衡状态，路基会发生融沉现象。对于地下冰层较厚的路基段，融沉主要表现为急剧融沉型。对于饱冰多年冻土区，路基的融沉则表现为缓慢融沉型。

1.3裂縫

冻土路基裂缝的产生主要是因为冬季气温的剧烈变化导致土体的不均匀收缩引起的，同时由于路基土体部分的不均匀冻胀而形成路基的扭转也会引起裂缝，裂缝的产生会影响路基的整体刚度和稳定性，甚至在行车的振动下回引起路基边坡的滑坡坍塌等。

1.4冰丘

冰丘主要是在开挖路堑时由于人为的因素，造成地下水露头，涌水后形成[3]。主要表现：夏季，路堑边坡不断有地下水涌出，此路段路基长时间处于过湿状态，使路基强度降低。冬季，大量自由水在负温作用下迁移集聚，使路堑边坡和道路覆盖大量的冰，冰的面积可覆盖整个路面，影响道路的正常使用，也会造成机车脱轨等危险。

2多年冻土性质指标

2.1总含水率

冻土总含水率是指冻土中冻结冰和未冻结水的总质量与土颗粒质量之比。根据JTG E40—2007《公路土工试验规程》规范规定，采用冻土密度联合测定法试验，测得冻土的总含水率，并依据JTG/ D31-04-2012《多年冻土地区公路设计与施工技术细则》划分冻土类型。试验结果见表1。

表1各断面冻土总含水率

2.2土体液塑限

依据JTG E40—2007《公路土工试验规程》规范规定，采用液限和塑限联合测定方法对冻土中土颗粒进行土类的划分，分别测定土的液限和塑限，计算出塑性指数，通过塑性图查得土类名称。试验结果见表2。

表2土体液塑限

2.3融沉系数

融沉系数是冻土融化过程中在自重作用下的相对下沉量[2]。融沉系数是评价冻土融化后沉降大小的重要指标之一。实验依据JTG E40—2007《公路土工试验规程》规范规定，采用融化压缩仪测定冻土的融沉系数，试验结果见表3。

表3冻土融沉系数

通过以上对冻土的总含水率、液塑限和融沉系数试验，并参考JTG/T 31-04-2012《多年冻土地区公路设计与施工技术细则》中表4.6.2-3，得出表4各断面冻土的融沉等级和融沉类别。

表4各断面冻土的融沉等级和融沉类别。

3 多年冻土区路基主要病害分析

根据试验所得到的该路段的路基冻土的物理力学的性质指标可以分析得到该路段路基土体可能出现冻胀、融沉等路基病害。

根据表1、表2可知，如K160+200、K170+500和K200+100断面，由于冻土总含水率较大，冻土类型分别为富冰冻土、饱冰冻土和含土冰层，并且地基土多为黏性土。黏性土的冻胀敏感性较强。可以判断3个断面地下水源充足，在外界大气温度负温时，将产生毛细水的迁移集聚，极易产生冻胀现象，影响道路的稳定性和平整度。

根据表4可知K143+300和K151+800断面冻土融沉等级分别为不融沉和弱融沉，地下多年冻土含冰量少于其他3个断面，因此多年冻土路基沉降主要发生在以K160+200、K170+500和K200+100为代表的冻土类型地区。路基沉陷将是大兴安岭岛状冻土地区主要道路病害之一，主要导致在道路修建过程中，路基下沉、增大土石方量和工程成本；道路运营通车后，由于道路建设改变了原有冻土的热平衡状态，同时大兴安岭地下冻土呈退化趋势，路基将逐年沉降，使路基产生变形，其强度降低。

4路基病害防治

根据冻土路基易发生冻胀、融沉、冰丘、裂缝等病害，制定相对应的防治措施可以有效减缓病害发生，提高道路的使用年限。

（1）换土。换填土是一种常用的防治冻土路基的措施。通过挖出大兴安岭病害地段的不良土体，换填成与此性质相近的无病害土体，但是由于此种方法的工程量较大，成本较高，在工程实践中运用较少。

（2）排水。设置合理的排水系统可以有效的防治冻胀，冰丘等病害，排水系统控制引导地表径流，排除路基两侧积水，尽可能减少路基土体在冻融过程中出现的各种物理力学性能的改变。在设置排水系统的时候应该要注意了解大兴安岭地区的地质条件，在道路修筑前，冻土地区地勘工作要严格仔细，增加勘测断面，进而详细了解冻土分布；严格按相关规范进行室内试验，为以后道路的设计和施工提供准确可靠的理论依据，对排水系统合理设置，否则会引起原有自然条件的破坏，引发融沉等新的病害。

（3）保温。保温的目的是通过增加保温层，降低季冻层路基土的冻结深度，进而防治冻胀等病害。通过增强对路基边坡的冻土的保护层，可以减少温度对于多年冻土的影响，同时也可以防治路基坡脚积水渗入路基引起的病害。

5结论

通过对大兴安岭某冻土路段的冻土性质进行相关试验，了解其融沉等级，进而判断该路段可能发生的冻土路基病害，并以此为依据提出了相关的病害防治措施。所得结论可以为大兴安岭地区道路的施工以及养护提供参考依据。

作者：张雷

冻土区公路设计理论论文篇2：

冰与火之歌

专家简介：

陈建兵，中交第一公路勘察设计研究院有限公司教授级高级工程师、交通运输部多年冻土地区公路建设与养护技术交通行业重点实验室执行主任、寒区环境与工程研发中心主任、高寒高海拔地区道路工程安全与健康国家重点实验室副主任。1978年12月生，安徽怀宁人，中国科学院寒区旱区环境与工程研究所岩土工程专业博士。

至今作为主要负责人完成研究项目20余项，获省部级以上科技奖励12项，其中国家科技进步奖一等奖1项，省部级科学技术奖特等奖3项，一、二等奖5项。取得专利19项（国际专利1项、国家发明专利9项、实用新型专利9项），软件著作权2项。合编著作2部，发表论文40余篇（SCI、EI收录12篇）。

入选“2014年度国家高层次人才特殊支持计划（万人计划）-青年拔尖人才”“2015年度百千万人才工程国家级人选”；获得“国家有突出贡献中青年专家”“交通运输部青年科技英才”“中国公路青年科技奖”“陕西省青年科技新星”“陕西省科技创新领军人才”“陕西省科技系统青年岗位能手”“中国交建优秀技术专家”等荣誉称号，团队荣获“2013年度感动交通十大年度人物”“2016年度全国工人先锋号”等荣誉称号。

在海拔4300米的共玉公路施工现场

冻土是一种对温度极为敏感的土体介质，含有丰富的地下冰。陈建兵是一个与多年冻土打交道的人，高海拔的青藏高原是他十余年来经常性的活动范围。在那条天路之上，他以深沉的坚韧和如火的热情谱写着一曲“冰与火之歌”。

以人文情怀待“冻土”

2003年6月，陈建兵走进中交第一公路勘察设计研究院（以下简称“一公院”）副院长汪双杰办公室。那是他来一公院报到的第一天。从这一天起，他结下了与多年冻土的不解之缘。

在陈建兵的履历上，他1996年考入长安大学（原西安地质学院）测量工程系。本科时就已经在老师的指导下，涉足青藏高原地壳形变课题。不过，出身于测绘专业的他，所做的大多都是在为一些重要的物理解释提供基础数据。2000年进入西安科技大学地质工程系攻读硕士学位后，才开始深入到机理研究。

无巧不成书。汪双杰是全国勘察设计大师，我国公路冻土工程首席专家，2001年，他成为“多年冻土地区公路修筑成套技术研究”项目的负责人。该项目是当时交通部有史以来投入研究经费最多、研究人员最多的项目，也是整个行业内最大的科研项目。陈建兵到一公院时，该项目正如火如荼，于是就听到了这样一个问题：“你的硕士论文是做青藏高原地壳形变的，我们现在做的一个项目正好也是在青藏高原地区，你有没有兴趣加入？”“可以啊。”没有犹豫，陈建兵直接回答道。

直到今天，当时的场景还历历在目，那是陈建兵人生中的一个转折，汪双杰也是陈建兵冻土工程研究的引路人。加入该项目后，初出茅庐的陈建兵不仅撰写了项目研究总报告的基础理论研究、病害机理研究、路基设计与施工技术研究三部分章节，还负责起分项目“多年冻土地区路基稳定性技术”研究，系统分析了青藏高原冻土地温长期的变化规律，总结了全球气候变化与工程效应对不同温度冻土影响的差异性，提出了“制冷阻热、减少辐射、增强对流、主动保护、综合治理、积极预防”的路基设计新原则，并围绕多年冻土区黑色路面效应与路基宽度、高度、边坡坡度、保温护道等引发的尺度效应展开了一系列研究。后来，该项目成果成功指导了青藏公路的改建完善工程，提升了我国在多年冻土区公路修筑技术水平，并获得2007年度中国公路学会科学技术奖特等奖和2008年度国家科技进步奖一等奖，陈建兵贡献良多。

初入冻土研究，就站在这样一个具有国际领先水平的高起点项目上，陈建兵反而深思熟虑起来。“我感觉之前的知识不足以支撑现在的方向”，为此，2006年9月，他考取了位于兰州的中国科学院寒区旱区环境与工程研究所的岩土工程博士，开始了在冻土工程方向上正式而系统的科研训练。从此，他一直坚守在我国公路冻土工程科研第一线，足迹遍及青海、西藏、新疆、东北等我国全部多年冻土区，平均每年在海拔4500米以上、空气含氧量不足内地50%的青藏高原工作3个月之久，对冻土“感情颇深”。

“我将冻土当作一个生命体，是因为它具有独特的个性，面对人类工程活动的侵扰，它则以冻胀和融沉进行着无声的反抗。”陈建兵介绍，多年冻土层在无外部扰动的情况下，长期处于冻结状态，是一个稳定的土层；之上是季节活动层，是多年冻土层与外界进行物质交换的“呼吸系统”。以青藏高原沿线多年冻土为例，其典型特征就是冻土温度相对较高，80%以上都在0～3℃之间。“冻土层一般是稳定的，但是在表面温度升高时，它也会很敏感，发生融化使地基变软，进而造成病害。公路黑色沥青路面的强吸热正好是它的敏感源。所以，我们在修路的时候必须要尊重它的生存方式，不能简单粗暴地‘堵死’它的呼吸系统，而是要敞开一条通道，让它能自由呼吸。”

在陈建兵眼中，多年冻土层还是一个天然资源库。“比如青藏高原多年冻土层，最薄的地方十几米，最厚两百多米。这些冻土层中都含有大量的冰，是一个庞大的固体水库。”根据这些冻土的分布面积和厚度，估算其中的含水量，结果令人瞠目结舌，竟然能够保障西安市近30年的用水。

“多年冻土层中还可能含有可燃冰。”陈建兵又抛出一个信息，可燃冰是甲烷在低温高压下固化凝结而成的。与石油、天然气燃烧后会产生有害气体不同，可燃冰燃烧后形成的只有水分，被称为21世纪最好的清洁能源。

不止如此，多年冻土层中可能蕴含的大量不为人知的微生物，也极为珍贵。曾有俄罗斯科学家从西伯利亚冻土层中提取出一种细菌，实验发现，该细菌可以对抗外界带来的损伤。通俗地说，将其植入人体后，可能会令人变得更长寿。在朋友圈发现这一条报道后，陈建兵幽默地在下面评论：“没想到我们研究冻土的距离永生这么近”。虽是戏言，却也无法遮住多年冻土层的价值。

“这么厚的冻土层，我们挖是挖不掉的，只有跟它和平共处。”陈建兵的态度很明显：是生命体，所以尊重它；是资源库，所以保护它。“所有针对冻土的工程措施和研究，都应该有这样的情怀和理念，才能健康持续地发展下去。”他说。

书写引领者的荣光

严格说起来，建国之后，我国才开始展开冻土基础研究，在全国范围内研究冻土的分布、特征、发育特点等。“类似于普查性质，真正到冻土工程研究，是在1954年。”陈建兵说。

当时，西北军慕生忠将军为了响应“西藏和平解放”的号召，打通从内地进入西藏的通道，开始建设青藏公路。然而，道路修通后才发现路面“不经用”，出现了大面积的冻胀、翻浆等冻土地区特有的病害，甚至于无法通行。这是我国第一次遇到冻土工程案例。1973年，周恩来总理要求将青藏公路“黑色化”，交通部成立了青藏公路科研组。1978年，以交通部组建的科研、设计团队修通了一条穿越多年冻土地区，长达550公里的全天候通车的二级公路。这是一次世界性壮举，第一次突破了国际工程界在多年冻土区不能修筑沥青路面的禁区。

40多年间，他们从青藏公路科研组逐步演变成寒区环境与工程研发中心，但依然常年坚守在海拔4500米以上的青藏高原地区，建成了青藏公路地温观测断面87个，观测孔240个，地温监测点5700多个，路基变形监测点530个，掌握了连续30多年超过100万组的第一手观测数据……他们的努力，使青藏公路成为世界上开展公路冻土工程研究最大的试验场，也是最基础的数据源。“我们院积累的观测数据序列，最长的有25年，奠定了后来系统开展相关研究的基础。而很多国外研究机构和学者，也会将青藏公路作为考察和试验的首选。”陈建兵说。

实际上，不止青藏公路，他们还建设了共和至结古公路综合试验观测场，漠河至北极村多年冻土路基观测场等多年冻土公路工程观测场，研究区域涵盖了我国高原多年冻土地区与高纬度多年冻土地区。最难能可贵的是，他们自行设计和建成了国内规模最大的步入式多功能冻土路基模型试验箱，获取了可靠丰富的试验数据，为解决公路冻土工程中的复杂问题提供了宝贵的数据支持。

加入这样一个团队，陈建兵与有荣焉。10余年来，他作为执行负责人完成的研究项目近20项，撰写研究报告累计达百万字，其中主要项目“多年冻土地区路基稳定性技术研究”“青藏公路高温高含冰量多年冻土区地基稳定性研究”等均被同行专家鉴定为国际领先水平，为一公院的荣光添上了自己的一笔。

在公路冻土工程应用基础理论研究方面，他参与了冻土路基尺度效应理论的创立，提出冻土路基尺度效应的概念、研究范畴及研究内容，并论证了其存在性与规律性。“我在博士期间的论文也是关于此。”陈建兵说。此外，他还合理构建了能够考虑水、热、变形三场耦合作用的路基变形与稳定性分析的理论模型、应用模型且验证了模型的可靠性，据此建立了冻土路基仿真平台，同时提出了冻土路基稳定性评价方法与评价指标；分析了冻土路基长期变形规律并构建其模型，提出了冻土路基“模块化”设计方法。该系列成果被同行专家认为“具有重要的理论与实际意义”，以及“显著创新性”。

见识过寒区冻土层的敏感与脆弱后，陈建兵研究分析了青藏公路高路基病害的形成及其机理，提出了高路基病害的形成和发展与冻土路基下上限形态分布的相互作用规律。该研究成果被他带到了首届亚洲国际冻土大会上，作为大会报告一出来，就得到了与会各国冻土专家的普遍认同。对陈建兵来说，要在多年冻土地区筑路，核心就是要确定路基设计原则。前文所述“制冷阻热、减少辐射、增强对流、主动保护、综合治理、积极预防”的路基设计原则就是他继承创新的结果。而后，他又通过主持青藏公路高温高含冰量多年冻土区地基稳定性”研究，进一步提出了一般填土路基、热棒、碎块石路基、碎石边坡、隔热板等众多特殊路基的适用条件、长期效应、关键设计参数等技术指标。该项目成果曾成功指导青藏公路在青藏铁路建设期间的整治改建与保通工程，产生了显著的社会经济效益，被鉴定为“总体达到国际先进水平”“部分达到国际领先水平”。这些成果被编入著作《多年冻土地区公路修筑技术》《多年冻土地区公路路基稳定性技术问题与对策》及首部交通行业标准规范“多年冻土地区公路设计与施工技术细则”中，并推广应用至西部寒区、青藏高原及东北地区的6千公里公路上。

“我们还基于现有的数据成果，运用GIS与数据库管理技术，集成了一个青藏高原冻土地区公路修筑技术基础平台。”这也是陈建兵在应用基础、工程技术之外的另一个重要成果。该平台体系不仅直接服务于现有青藏公路的科学化管理与养护决策，还可为青藏高速的应用基础研究积累经验和数据，总体达到国际领先水平，先后被授予获中国公路学会科学技术奖特等奖和陕西省科学技术奖二等奖。

把握“一带一路”下的机遇

2015年9月，一公院筹备的高寒高海拔地区道路工程安全与健康国家重点实验室，经科技部批准开始投建。2016年3月11日，该实验室未来5年建设论证会举行，其正式进入全面建设阶段。这是中国交建首个获批的国家级重点实验室，也是中国唯一一家以企业为依托研究高原冻土的国家级重点实验室。

作为高寒高海拔地区道路工程安全与健康国家重点实验室副主任，陈建兵在接受电话采访时坦承实验室未来的发展之路正如中国交建副总裁孙子宇先生总结的。“一个紧密结合，两个围绕，三个定位，四个平台，五个方向。”他给笔者理了一下思路。

“一个紧密结合”——即紧密结合国家“一带一路”发展战略，为我国丝绸之路经济带中道路工程技术发展和输出发展做核心技术支撑。

“两个围绕”——即立足实验室的特点和根本，继续重点围绕高寒高海拔地区的特点和道路工程建设与养护技术的根本开展应用基础研究。

“三个定位”——则是从国家战略、行业发展以及企业发展上分别定位。在国家战略上，有责任和义务将冻土研究过程中形成的装备、技术、材料等辐射到丝绸之路经济带上的高寒地区的国家；从行业层面上，能够主导行业的发展方向，引领行业技术进步。对企业层面定位，陈建兵做了具体诠释，他认为，企业是科技创新的主体，而该重点实验室则是一公院这个创新主体里的创新主体。“企业直接面向市场，而实验室要形成独有的知识产权体系和技术体系，这些体系最终形成我们企业的品牌。而市场又反过来为科研成果提供经费保障和动力，以便于我们更深入地开展研究。”他说，“我们作为企业创新主体的作用就是和市场主体形成一个良性互动，最终实现良性循环和自我发展。”

“四个平台”——第一要建设成为硬件环境能达到国际领先水平的国际一流的应用基础研究平台；第二要建设一个能代表国家水平的核心技术创新平台；第三要建设一个具有国际视野的高端人才培养平台；第四要建设一个具有国际话语权的国际交流合作平台。

“五个方向”——代表着该实验室将在路基，路面，桥隧，安全检测和健康诊断，道路安全运营5个方向重点开展研究。

“我们在实验室前期建设上已经投资1.2亿元，准备再投资4千多万，在5年后达到1.6亿的建设规模，使实验室在硬件水平上达到国际一流。”陈建兵的话中流露出中交集团和一公院对该重点实验室的信心。下一步，他们将在“一带一路”战略下，针对丝绸之路跨越的中蒙俄通道、中哈通道、中巴通道和中塔吉乌通道重点开展工作。这将对提升寒区公路品质、促进“陆上丝绸之路经济带”区域经济社会发展具有重要现实意义。“这4条通道规划道路里程两万多公里，再加上伴行道路，如中哈输油管线的养护巡检路线等，会超过3万公里。因此，未来寒区冻土公路工程，还有巨大的、广阔的应用前景。”

科研是勇者的事业

40多年风雨，一公院走到今天，已经经历了三代人的科研积累。他们自主创建了公路冻土工程理论和沥青路面及路基稳定关键技术、公路设计与施工关键技术、公路建设养护体系等技术体系，获得国家科技进步奖3次（一等奖2次、二等奖1次），中国公路学会科学技术奖特等奖3次，省部级科技进步奖20多项。青藏公路沥青路面建成至今，已降低运营成本44.7亿元，节约旅客时间效益达3.5亿元，减少交通事故效益达2.6亿元，社会经济效益显著。

这是一个极具前瞻性的团队。40多项研究成果达到国际领先和先进水平，确立了我国冻土工程研究的国际领先地位，也代表了我国冻土工程研究的最高水平。他们主持编写了我国交通行业首部多年冻土地区公路设计与施工技术规范，以及首部冻土路基处置技术（热棒）的国家标准，出版著作5部，直接指导了青海、西藏、东北各省区超过7万公里的寒区道路建设与养护，并将继续指导下去。

作为我国冻土工程研究第三代领军人，陈建兵见证了这些荣耀，也亲历过荣光背后五味陈杂的人生。

“刚到青藏高原的时候，我们和民工一起住帐篷，同吃同喝。高山反应也很强烈。”陈建兵说。那时候的他们，一忙起来，也许几个月都顾不上剃胡子，在高原紫外线的“眷顾”下，脸被晒得黢黑。到了晚上，沿线没有电，连手机信号都没有，唯一能做的“趣事”竟然是在帐篷外数星星。

“现在已经好多了”，用他的话说，辛苦和寂寞这种事儿，你自己得先不当回事儿。“做我们这行，最要紧的是要有踏实的作风。也许一个设计人员几个月的工作周期，做一个设计下来就是几千万，我们不能跟人家比。一个几百万经费支持的项目三四年能做出来，我已经很满足了。科研不是挣钱的事业，我们不能盯着‘高大上’，要有能接受逆境和失败的勇气。”

因为这份勇气，陈建兵和他的团队常常是带病也“不下火线”，蹲守在工地上解决现场问题，成为工期和质量保障的一支尖兵。熟悉一公院的人知道，他们的企业文化是“特别能吃苦，特别能奉献，特别能战斗，特别能创新”，正是对这些青藏公路一线科技工作者精神面貌的总结。

如今的陈建兵，依然忙碌，采访过程中也接到电话说要加班。“实验室材料要上报，现在正在做青藏高速公路前期研究，很多大型工程也需要我们支撑……不管怎么样，我作为一个科研人员，核心工作还是要放在科研上。”他说。

冻土区公路设计理论论文篇3：

HPDS在沥青路面设计中的运用

【摘要】我国沥青路面设计方法采用双圆垂直均布荷载作用下的多层弹性体系理论，以路表面回弹弯沉值和沥青混凝土层弯拉应力、半刚性和刚性材料基层弯拉应力为设计指标进行路面结构厚度设计。本文通过使用HPDS软件对某公路进行沥青路面设计，并进行数值分析和评价方案是否可行。

【关键词】沥青路面、HPDS、数值分析、弯沉值、容许弯拉应力

0 前言

HPDS路面设计软件是东南大学交通学院王凯教授与毛世怀副教授合作编制的。HPDS 程序已在全国 200 多个单位推广应用，得到一致好评。现将该系统简介如下，HPDS共包括如下九个程序：1、沥青路面设计弯沉值和容许弯拉应力计算程序HLS；2、改建路段原路面当量回弹模量计算程序HOC（适用于沥青路面）；3、沥青路面设计程序HMPD；4、沥青路面及土基竣工验收弯沉值和层底拉应力计算程序HMPC；5、改建路段原路面当量回弹模量计算程序HOC1（适用于水泥混凝土路面设计）；6、新建单层水泥混凝土路面设计程序HCPD1；7、新建复合式水泥混凝土路面设计程序HCPD2；8、旧混凝土路面上加铺层设计程序HCPD3；9、水泥混凝土路面基（垫）层及土基竣工验收弯沉值计算程序HCPC。

1 设计资料

1.1 设计任务

某公路设计基准年为2014年，设计使用年限为15年，拟采用HPDS进行沥青路面结构设计，并进行数值分析和评价方案是否可行。

1.2 气象资料

该公路处于Ⅱ5区，属于温暖带大陆性季风气候，气候温和，四季分明。年气温平均在14℃～14.5℃，一月份气温最低，月平均气温为-10℃～1℃，七月份气温32℃左右，历史最高气温为40.5℃，历史最低气温为-17℃，年平均降雨量为525.4毫米～658.4毫米，雨水多集中在6～9月份，约占全年降雨量50%以上。平均初霜日在11月上旬，终霜日在次年3月中下旬，年均无霜日为220天～266天。地面最大冻土深度位20厘米，夏季多东南风，冬季多西北风，年平均风速在3.0米/秒左右。

1.3 地质资料与筑路资料

路线位于山岭重丘区，调查及勘探中发现，该地区属第四系上更新统（Q3al+pl），岩性为黄土状粘土，主要分布于低山丘陵区，坡地前和山前冲积、倾斜平原表层，具有大空隙，垂直裂隙发育，厚度变化大，承载能力低，该层具轻微湿陷性。应注意发生不均匀沉陷的可能。其它未发现有影响工程稳定的不良工程地质现象。当地沿线碎石产量丰富，石料质量良好，可考虑用水泥稳定碎石作基层，路段所处的土基强弱悬殊，其计算回弹模量E0有两个代表值分别为30和60MPa。沿线有多个石灰厂，产量大质量好。另外，附近发电厂粉煤灰储量极为丰富，可用于本项目建设，本项目所在地域较缺乏砂砾。

2 确定公路等级

2.1 车辆折算系数

查阅《公路工程技术标准》JTG B01-2003，确定各汽车车型换算成小汽车车型的折算系数如表2-3。

2.3 计算交通量

近期折合成小客车交通量按下式计算：

（辆/日）

远景设计年平均日交通量按下式计算：

（辆/日）

设计车速为100Km/h，将各种汽车折合成小汽车的年平均日交通量为42084辆/日，由《公路工程技术标准》JTG B01-2003的规定，该高速公路全线按四车道设计。路基宽度26.0m，双向行车双车道2×2×3.75m，中央分隔带宽2.0m，左侧路缘带0.75m，右侧硬路肩总宽3.0米，土路肩宽0.75米。计算行车速度100Km/h，全線全封闭全立交。

3 新建沥青路面设计

3.1 确定标准轴载累计交通量

根据工程可行性研究报告可知路段所在地区近期交通组成与交通量，如表1-1所示，交通量年增长率如表1-2所示。公路设计等级为高速公路，设计基准年为2014年，设计使用年限为15年。双向四车道，车道系数取为0.45（0.4-0.5），沥青混凝土面层系数为1.0，半刚性基层系数为1.0，新建路面为五层，面层三层（中粒式沥青混凝土、粗粒式沥青混凝土、粗粒式沥青碎石）、基层一层、垫层一层。

根据设计资料计算累计轴次，结果如表3-1所示。

其中设计年限为15年，车道系数为0.45。

一个车道上大客车及中型以上的各种货车日平均交通量Nh= 2632 ，属于重交通等级。

当以设计弯沉值和沥青层层底拉应力为指标时：

路面营运第一年双向日平均当量轴次：4732

设计年限内一个车道上的累计当量轴次：

属于重交通等级。

当以半刚性材料结构层层底拉应力为设计指标时：

路面营运第一年双向日平均当量轴次：3800

设计年限内一个车道上的累计当量轴次：

属于重交通等级。

因此，路面设计交通等级为重交通等级。