公路路面設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)研究

王磊

摘 要：在公路建設(shè)規(guī)模逐步擴(kuò)大的今天，交通量日益增多，且伴隨著大量超載超限問題，嚴(yán)重影響了路面質(zhì)量，為提高路面質(zhì)量，必須做好設(shè)計(jì)工作，因我國(guó)地域面積廣闊，地質(zhì)條件復(fù)雜，特別是陡坡路段車轍問題最為突出。本文以某公路新建瀝青路面為依托，從陡坡路段對(duì)路面設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究。

關(guān)鍵詞：公路工程；路面設(shè)計(jì)；陡坡路段

中圖分類號(hào)：U416.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2018）05-0117-02

作為公路建設(shè)的主要內(nèi)容，目前國(guó)內(nèi)針對(duì)陡坡路段的界定標(biāo)準(zhǔn)還不統(tǒng)一。針對(duì)陡坡路段，曹陽等人通過ANSYS有限元法由力學(xué)角度出發(fā)，對(duì)其受力情況進(jìn)行了分析，得出結(jié)論為隨著坡度的增加陡坡路段的路表彎沉值也會(huì)隨之增加，層底拉應(yīng)力、剪應(yīng)力同樣也會(huì)增加。而在陡坡路段應(yīng)用高模量瀝青混合料的研究中，陳哲、朱士東、張家峰等人發(fā)現(xiàn)可顯著改善其應(yīng)力應(yīng)變。與普通瀝青路面相比，高模量瀝青路面的壓應(yīng)變、剪應(yīng)變可有效降低，比例為30%左右，進(jìn)而能夠達(dá)到陡坡路段路面抗車轍能力提升的目的，同時(shí)使用高模量瀝青混合料，能夠?yàn)橹剌d、超載作用下瀝青路面設(shè)計(jì)提供可靠依據(jù)。

1 瀝青路面病害原因

車轍是陡坡路段最常見的病害形式，其原因主要包括兩方面，第一，陡坡上行過程中相比普通路段，車輛速度較小，通常情況下重載車輛每小時(shí)為20km，速度存有差異，對(duì)路面而言，車輛的作用時(shí)間也存有差距。建設(shè)車輛行駛速度為每小時(shí)100km時(shí)，則其有0.02s的路面作用時(shí)間，如行駛速度為每小時(shí)20km時(shí)，則其作用時(shí)間將大大增加，可增加5倍左右，變?yōu)?.1s。第二，陡坡路段，荷載于路面的作用力也不盡相同，坡度增加，應(yīng)力也會(huì)隨之增加，因此車轍極易產(chǎn)生于陡坡路段。同時(shí)作為瀝青路面損壞的主要形式之一，車轍通常出現(xiàn)在實(shí)行渠化交通的高等級(jí)公路上。在車輪荷載的長(zhǎng)期影響下，路面各個(gè)結(jié)構(gòu)層將被再次壓實(shí)、沉降，尤其是氣溫較高的情況下，瀝青面層壓密及側(cè)向流動(dòng)隆起，導(dǎo)致順著行車輪跡路面將逐步出現(xiàn)縱向帶狀凹槽變形問題，一般以W型呈現(xiàn)在車道橫斷面方向。如車轍深度滿足一定值后，車轍槽內(nèi)將會(huì)出現(xiàn)積水現(xiàn)象，進(jìn)而對(duì)車速、行車舒適性及安全性造成嚴(yán)重危害。而路面破壞的主要原因包括以下幾點(diǎn)：

（1）瀝青路面結(jié)構(gòu)受力。坡度是陡坡路段必備條件，因坡度將產(chǎn)生一個(gè)沿坡面方向的分解力，該分解來源于豎向力，在平坡上，該力作用更大，可嚴(yán)重破壞路面。（2）行車速度。上坡時(shí)，相比平路段，汽車速度明顯降低，特別是重載超載汽車速度更低，這種情況下，將大大延長(zhǎng)路面作用時(shí)間，大量增加彎沉值，導(dǎo)致路面更早步入疲勞期。（3）受力頻率。因坡度問題，車輛下坡過程中將增加踩剎車的頻率，進(jìn)而加大路面摩擦力，反復(fù)作用下，將導(dǎo)致裂縫、推移現(xiàn)象頻發(fā)。（4）外部環(huán)境影響。于瀝青混合料而言，溫度具有較大影響。如溫度過低，極易出現(xiàn)脆性縮裂，進(jìn)而加快路面損壞速度；如溫度過高，則極易出現(xiàn)擁抱、推移問題。

2 普通瀝青路面力學(xué)響應(yīng)模型分析

2.1 結(jié)構(gòu)層組合及材料參數(shù)

以典型路面結(jié)構(gòu)形式為例，其路面結(jié)構(gòu)主要參數(shù)如表1所示。

2.2 坡度、荷載及輪跡面積確定

為保證計(jì)算簡(jiǎn)便，結(jié)果與實(shí)際情況基本一致，可選取233x173mm為作用面積。100KN為標(biāo)準(zhǔn)軸載，選取0、1、3、7%為陡坡坡度。

2.3 建立模型

（1）基本假設(shè)。瀝青路面線彈性材料以面層、基層及填層材料為準(zhǔn)，應(yīng)按照廣義胡克定律確定應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系。彈塑性體則為路基土，按照Drucker-Prager屈服原理，以相關(guān)聯(lián)流動(dòng)法則為準(zhǔn)則。假設(shè)所有結(jié)構(gòu)層厚度一定，但水平方向不限定。假設(shè)垂直均布荷載作用于路面上層表面，在無限遠(yuǎn)位置、無限深位置應(yīng)力與位移都不存在，為“0”。各層間接觸面為層間完全連續(xù)，其上位移完全連續(xù)。按照上述假設(shè)進(jìn)行有限元模型的確立。（2）建立模型。建模時(shí)應(yīng)以ANSYS有限元計(jì)算程序?yàn)橐罁?jù)，并做好計(jì)算。合理確定模型尺寸，路面橫向、深度及行車方向分別為x軸、y軸及z軸，都以6m為準(zhǔn)。

2.4 模型計(jì)算及分析

按照我國(guó)新建公路瀝青路面相關(guān)規(guī)定，將設(shè)計(jì)指標(biāo)定為彎沉、彎拉應(yīng)力對(duì)其進(jìn)行分析。

（1）路表彎沉。不斷增加坡度的情況下，其路表彎沉值也會(huì)隨之增大，表現(xiàn)為線形變化。其主要原因在于，因坡度問題，順著坡面將有一個(gè)豎向分力產(chǎn)生，同時(shí)還有一個(gè)與坡面垂直的分力產(chǎn)生。除此之外，坡度增加，與坡面平行的分力也會(huì)增加，進(jìn)而出現(xiàn)剪應(yīng)力增大現(xiàn)象。但彎沉增加卻并不顯著，縱坡增加1%左右，而彎沉值增加量在在1%以內(nèi)。（2）剪應(yīng)力。不斷增加坡度的情況下，其剪應(yīng)力也會(huì)隨之增加，其主要原因在于縱坡增加，將進(jìn)一步加大路面承受的水平力，同樣兩者表現(xiàn)為線形變化。每增大縱坡1%，則剪應(yīng)力增加幅度較大，增加30%以上。（3）正應(yīng)力。不斷增加坡度的情況下，其層底拉應(yīng)力也會(huì)隨之增加，每增加縱坡1%，將增加2%的拉應(yīng)力。由此可見，在豎向力、水平力相互影響下，可增加垂直與路面的力，兩者之間表現(xiàn)為線形變化。

2.5 力學(xué)響應(yīng)特點(diǎn)

第一，于瀝青路面位移、結(jié)構(gòu)應(yīng)力而言，縱坡影響較大。而面層剪應(yīng)力對(duì)彎沉、層底拉應(yīng)力影響更甚。

第二，陡坡路段瀝青路面彎沉響應(yīng)具有相似性，不斷增加縱坡，彎沉也將逐步增加，每增加1%坡度，彎沉增加幅度也基本為1%，甚至更小。

第三，陡坡路段瀝青路面剪應(yīng)力響應(yīng)差異較為顯著，縱坡較大，剪應(yīng)力將逐步增加，每增加1%坡度，剪應(yīng)力增加幅度較大，增加比例超過30%。

第四，陡坡路段瀝青路面層底拉應(yīng)力響應(yīng)差異不大，不斷增加坡度，層底拉力也會(huì)所有增加，但每增加1%坡度，其增加比例僅為2%。

3 瀝青路面設(shè)計(jì)關(guān)鍵點(diǎn)

按照力學(xué)模型可見，相比平坡段，陡坡段最大的區(qū)別在于面層剪力作用。當(dāng)增加1%坡度時(shí)，剪應(yīng)力增加幅度較大，增加比例可達(dá)到30%左右。因此必須高要求路面面層抗剪強(qiáng)度。除此之外，與平坡段相比，車轍量也明顯增多。其主要原因在于上坡速度與作用時(shí)間的關(guān)系。為此在，設(shè)計(jì)時(shí)必須充分考慮以上問題。針對(duì)陡坡段瀝青路面路用性能方面大量專家學(xué)者做出了積極地研究，特別是在面層材料方面提出了多方意見，本文以表2作為瀝青路面結(jié)構(gòu)層進(jìn)行設(shè)計(jì)研究。

基于力學(xué)角度，將高應(yīng)力區(qū)設(shè)定為瀝青上、中面層，可承受較大行車荷載的壓應(yīng)力、剪應(yīng)力。該面層可選取高模量改性瀝青混凝土，進(jìn)而達(dá)到面層剪應(yīng)力、壓應(yīng)變減小的作用，且能夠增強(qiáng)抗車轍能力，滿足路面路用性能改善的目的。通過對(duì)比高模量改性瀝青、普通瀝青材料的性能可見，相比普通瀝青材料，高模量瀝青段車轍槽深較低，具有良好抗車轍性能。

4 結(jié)語

綜上所述，隨著使用時(shí)間的不斷增加，路面病害問題愈加嚴(yán)重，尤其是瀝青路面裂縫、車轍問題尤為突出。為此，必須根據(jù)具體情況，采取科學(xué)有效的設(shè)計(jì)方法，有效提升路面質(zhì)量。為達(dá)到陡坡路段路面抗車轍能力提升的目的，可使用高模量瀝青混合料，以此為瀝青路面設(shè)計(jì)提供可靠依據(jù)。

參考文獻(xiàn)

[1]李政，黃小鵬，李明亮，彩雷洲，曹東偉，楊爾軍.排水瀝青路面在浙江省金麗溫高速公路的工程適應(yīng)性研究[J].公路交通科技（應(yīng)用技術(shù)版），2017，（09）.