長大上坡線形條件下高速公路路面結構設計探討

蔣國杰

（上海市政交通設計研究院有限公司，上海市 200030）

0 引言

在我國道路工程研究中，長大上坡道路的設計研究一直是困擾道路設計研究人員的難題之一。

有大量研究表明，長大上坡路段路面結構損壞主要發生在長上坡的后半程，主要以道路路面高溫失穩產生車轍的形式體現。究其原因，主要是由于車輛長時間上坡開始行駛減速，再加上溫度、摩擦系數變化和其他因素的影響。

根據國內外達成的共識，行車道車轍變形量超過20 mm，就可判定車行道已產生車轍破壞。國內公路設計規范更是根據不同等級道路劃分了車轍坡壞的界定標準，其中高速公路及一級公路為15 mm，其他道路為20 mm。以此標準，我國有大量高速公路在通車后幾個月內就會出現嚴重的車轍病害問題，車轍量已超過規范規定的數值要求。因此，如何采用行之有效的設計指標及設計方法控制車轍的產生，是道路設計工作者的當務之急。

因此，有必要對長大上坡條件下的道路設計進行深入分析，為長大上坡公路路面結構設計提供新的思路。

1 研究方法及參數

1.1 研究工具及方法

本研究采用基于層狀彈性體現理論的瀝青路面結構分析軟件APAD（基于《公路瀝青路面設計規范》（JTG D50—2017））作為本次研究的主要力學工具，并采用正交分析方法對路面結構在不同力學敏感性因素下的力學性能進行比較。

正交分析采用正交性原則從全部研究對象中篩選出具有獨特性的典型對象進行分析研究。這些對象具備均勻分散、齊整可比的特點。正交分析方法是分式析因設計的主要方法，其具體分析原理及參數含義可見《數學手冊》[1]。

采用當量軸載換算公式均出自《公路瀝青路面設計規范》（JTG D50—2017）[2]。采用江西某公路交通量數據，按設計年限15 a，計算得到對應于瀝青混合料層永久變形Ra的當量設計軸載累計作用次數為21 443 046次。從永久變形分析角度，當量軸載次數較大。

1.2 研究因素

1.2.1 研究指標

根據《公路瀝青路面設計規范》（JTG D50—2017），路面結構設計中，采用了瀝青混合料層容許永久變形量Ra對整體瀝青路面結構的抗車轍能力進行控制，而道路永久變形量Ra本身不僅和面層材料有關，還與道路結構的層數、層厚等結構因素有關。

因此，本研究將永久變形量Ra作為長大上坡設計的主要研究指標。

1.2.2 主要影響因素

路面結構設計主要的影響因素為不同材料的厚度及模量。

厚度因素方面，為精簡正交分析參數，并考慮到路面結構下剪應力最大區域一般出現在路面結構中下面層，故路面結構上面層取固定值4 cm，并采用改性瀝青混合料，下面層取固定值8 cm，采用普通瀝青混合料，中面層作為厚度變化因素。

模量因素方面，根據現有的研究成果，在未采用特殊的高模量瀝青的情況下，瀝青混合料常溫模量、材料級配及種類的影響不明顯，故不考慮面層材料模量變化，僅考慮路面基層、墊層及路基模量變化。

除上述因素外，路面結構的車轍動穩定度DS對永久變形量Ra的影響也很顯著。

綜合考慮以上因素，本文正交分析的影響因素采用瀝青中面層厚度、基層模量、墊層模量、路基模量及瀝青上中面層動穩定度DS作為本次正交分析的因素。

1.2.3 因素影響水平分析

各個因素變量的影響水平見表1、表2。

表1 厚度因素水平 cm

表2 模量及動穩定度因素水平

1.2.4 路面結構基本參數

為研究路面結構不同因素對永久變形量Ra的影響，給出本研究路面的典型結構，具體參數見表3。

表3 路面結構基本參數

2 路面力學敏感性正交分析

2.1 正交分析表建立

長大上坡路面力學敏感性正交試驗分析選取了瀝青中面層厚度，水泥穩定碎石基層、墊層厚度，基層模量，路基模量及動穩定度DS共6個研究因素，每種因素共取5種水平，因此需建立標準的6因素5水平正交分析表。基于路面永久變形量Ra值的各設計指標敏感性正交分析見表4、表5。

表4 基于路面永久變形量Ra值敏感性正交分析表

2.2 正交分析表計算結果分析

對表4、表5數據進行分析比較可以得到如下結論：

（1）從影響方向角度考慮，在總當量軸載作用次數一定的條件下，路面結構總的永久變形量與瀝青中面層厚度、動穩定度DS之間成反比關系。

（2）從數值波動角度考慮，基層厚度、墊層厚度、基層模量及路基模量對路面結構總的永久變形量的影響極小，波動范圍均小于5%，故可以認為這4個因素對路面結構總的永久變形量Ra影響不大。

（3）根據本文選擇的水平范圍，瀝青中面層厚度及瀝青上中面層動穩定度DS對瀝青路面結構永久變形模量的影響較為明顯。

綜上分析，得到的結論如下：

（1）在進行長大上坡條件下的道路設計過程中，基層厚度、墊層厚度、基層模量及路基模量等參數對于車轍破壞不起主導作用。

（2）長大上坡條件下的道路車轍破壞主要控制因素為瀝青中面層厚度及動穩定度DS。

3 基于長大上坡設計主要控制因素的分析

本節對于瀝青路面中面層厚度及動穩定度DS兩個主控設計指標進行研究，在表3的參數基礎上，固定基層厚度為40 cm，基層模量為23 000 MPa，路基回彈模量為50 MPa（滿足重交通要求），中面層材料動穩定度DS分別取1 000、2 000及3 000三種不同條件，計算得到的Ra值隨中面層厚度的變化規律見表6。

表6 混合料的Ra值隨厚度變化表

由表6數據分析可知：

（1）基于道路等級為高速公路，根據現行規范Ra必須不大于15 mm，因此，對于上述路面結構，選用的中面層應采用改性瀝青，且中面層厚度最優解為10 cm。但是，考慮到8～12 cm的瀝青厚度對Ra影響極小，綜合經濟分析，本次分析的路面結構中面層采用8 cm最為經濟合理，6 cm及以上能滿足設計要求。

（2）中面層采用改性瀝青能夠很好地提升道路的抗車轍能力，若采用SBS改性瀝青，其永久變形量比不采用用改性瀝青減小30%。

（3）根據計算瀝青路面中面層最優厚度，最優路面結構見表7。

表7 瀝青面層最優厚度（50 MPa路基）

根據經濟情況，可選用的路面結構見表8，也可滿足設計需求。

表8 可選用的路面結構（50 MPa路基）