山區(qū)高速公路路面設(shè)計技術(shù)

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摘要：隨著高速公路建設(shè)里程的不斷增加，越來越多的高速公路向地形地勢復(fù)雜的山區(qū)邁進(jìn)。在行車荷載和自然因素的長期作用下，路面病害問題愈加嚴(yán)重，如車轍、裂縫和擁包等，這些病害的大量出現(xiàn)，將會影響行車舒適性和安全，甚至?xí)s短路面使用壽命。為此，該文在全面了解山區(qū)高速公路特點的基礎(chǔ)上，依托某山區(qū)高速公路項目，通過實地調(diào)查，對路面設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)要點進(jìn)行了分析與探討。

關(guān)鍵詞：山區(qū)高速公路；路面設(shè)計；工程概況

1山區(qū)高速公路特點

作為一個多山的國家，我國山區(qū)面積較大，山地、丘陵和地形較為崎嶇的高原都被稱為山區(qū)。在我國總國土面積中，山地所在比重達(dá)到33%，其中丘陵占10%，崎嶇高原占10%以上，整體來看，在國土面積中山區(qū)面積超過50%。俗話說“要想富，先修路”，相比平原地區(qū)，多數(shù)山區(qū)經(jīng)濟(jì)較為落后，為了提高山區(qū)經(jīng)濟(jì)水平，完善交通網(wǎng)是一個重要的舉措。在山區(qū)高速公路設(shè)計中，必須對山區(qū)高速公路的特點有所了解，具體內(nèi)容如下。1）地形地勢復(fù)雜。山區(qū)高速公路地形地勢復(fù)雜，將大大增加工程建設(shè)難度。2）陡坡路段多。山區(qū)具有地勢高差大、范圍廣等特點，陡坡路段多，上下坡車輛制動頻繁，加上重載交通的影響，將加速路面損壞程度。3）橋隧比例高。相比一般公路工程，山區(qū)高速公路橋隧所占比例高，需通過橋梁跨線、隧道穿越等方式，來達(dá)到便捷交通的目的。4）海拔高。山區(qū)的顯著特點為海拔高，高差顯著，海拔越高，氣溫越低，將會對路面的影響越大。

2山區(qū)高速公路路面設(shè)計要點分析

山區(qū)高速公路中陡坡路段較為常見，目前在陡坡路段界定中，普遍認(rèn)為長度>3km，平均縱坡>5.5%即可認(rèn)定為陡坡。據(jù)相關(guān)研究表明，陡坡路段是車轍病害集中發(fā)生區(qū)域，究其原因在于2點。1）陡坡路段，相比一般平坦路段，行車速度有所減速，這種情況下，重載車輛的車速通常控制在20km/h左右，速度減慢，則車輛作用于路面的時間也會隨之增加，因此，可認(rèn)為速度不同，將存在顯著區(qū)別，如果車輛以100km/h行駛通過，那么，對路面的作用時間極短，可能僅為0.02s；如果車輛以20km/h行駛通過，對路面的作用時間將大幅增加，可能為0.1s[1]。2）路段坡度不同，則荷載不同，對路面的作用力同樣有所差異。例如，隨著坡度的不斷增加，應(yīng)力也會隨之加大，進(jìn)而加大了產(chǎn)生車轍的危害。

3陡坡路段普通瀝青路面力學(xué)響應(yīng)模型分析

根據(jù)有限元原理，該文將簡單地對陡坡路段瀝青路面的力學(xué)特性進(jìn)行闡述。

3.1結(jié)構(gòu)層組合及材料參數(shù)情況

根據(jù)實際情況，可采用表1的路面結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行分析。

3.2坡度、荷載和輪跡面積確定

為了方便計算，獲取準(zhǔn)確的結(jié)果，在分析時可采用矩形荷載，作用面積為233mm×173mm，按照規(guī)范要求，荷載采用標(biāo)準(zhǔn)軸載100kN，陡坡坡度為0、1%、3%、7%等。

3.3模型建立

通過ANSYS有限元計算程序建模并計算，需合理確定計算模型尺寸，保證計算精度。各方向均采用6m，三維模型圖如圖1所示。其中，橫向坐標(biāo)軸為X軸，即路面橫向；豎向坐標(biāo)為Y軸，即深度方向；縱向坐標(biāo)為Z軸，即行車方向。

3.4模型計算及其分析

目前，彎沉、彎拉應(yīng)力等均為瀝青路面最主要的設(shè)計指標(biāo)。根據(jù)現(xiàn)行規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，在不同部位合理設(shè)置各個測點，如輪跡中心處、瀝青層底部、面層中部可分別設(shè)置彎沉測點、彎拉應(yīng)力測點、剪應(yīng)力測點，保證測點位置準(zhǔn)確?；跇?biāo)準(zhǔn)荷載影響，針對路面不同縱坡坡度進(jìn)行計算分析，結(jié)果見表2。

3.4.1路表彎沉分析坡度越大，路表彎沉值越大，兩者呈線性變化趨勢。究其原因在于坡度的存在將會致使豎向力有一個沿坡面產(chǎn)生的分力，和一個與坡面垂直的分力。若坡度持續(xù)增加，與坡面平行的分力也會隨之增加，同時，剪應(yīng)力也將隨之增大。在這個過程中，雖彎沉有所增加，但增加幅度不大。縱坡增加1%，彎沉值增加幅度卻在1%以內(nèi)。

3.4.2剪應(yīng)力分析坡度越大，剪應(yīng)力越大?？v坡增加，將大大增加路面所受的水平力，兩者可呈線性變化趨勢?？v坡坡度增加1%，剪應(yīng)力平均增幅較大，可超過30%。

3.4.3正應(yīng)力分析坡度越大，層底拉應(yīng)力越大，縱坡坡度增加1%，拉應(yīng)力增加幅度為其2倍，基本上為2%左右。由此說明，在豎向力和水平力等作用下，垂直于路面的力將有所增加，層底拉應(yīng)力和縱坡可呈線性變化趨勢。

4陡坡路段瀝青路面設(shè)計關(guān)鍵點

按照力學(xué)模型分析，通過對比分析陡坡路段和平坡路段，面層剪切作用是兩者之間的最大區(qū)別。在每增加1%坡度，剪應(yīng)力將大幅增加，可達(dá)到30%左右，因此對路面面層具有較高抗剪強(qiáng)度要求[2]。此外，與平坡路段相比，陡坡路段車轍問題嚴(yán)重。因此，在陡坡路段瀝青路面設(shè)計中，關(guān)鍵對以下4點進(jìn)行充分考慮。1）提升瀝青面層抗剪能力。2）提升瀝青路面抗車轍能力。3）提升瀝青材料高溫穩(wěn)定性。4）重載影響的考慮與分析。

5工程概況

某山區(qū)高速公路工程建成通車后，交通量大，且存在嚴(yán)重的重載交通現(xiàn)象，長此以往，結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變較大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于普通路面，目前已影響路面結(jié)構(gòu)質(zhì)量。該路段路面結(jié)構(gòu)層見表3。在該工程路面結(jié)構(gòu)設(shè)計中，要對陡坡和重載等因素進(jìn)行充分考慮。經(jīng)力學(xué)分析，高應(yīng)力區(qū)位于瀝青的上、中面層，此部分所承受的行車荷載較大。高模量改性瀝青混凝土為上、中面層，采用此類混凝土材料，可增強(qiáng)路面的抗車轍性能，延長路面使用年限。為了更好地驗證設(shè)計的合理性，該文進(jìn)行了一組高模量改性瀝青材料和普通瀝青材料路面性能對比試驗，檢測結(jié)果表明，相比普通瀝青材料路段，高模量試驗段面層芯樣的轍槽深度較小。以最大轍槽深度（16000次）為例分析，相比試驗段，普通瀝青路面段轍槽深度為其1.34倍，由此表明，高模量改性瀝青混合料的抗車轍能力較強(qiáng)。此外，通過剪應(yīng)力對比分析，隨著深度增加，上面層最大剪應(yīng)力隨之增大，但是，中、下面層則隨之減小。在與路表相距40mm處為最大剪應(yīng)力變峰值位置。由此可見，兩層高模量瀝青混合料可以大大降低路面剪應(yīng)變，相比普通路面結(jié)構(gòu)，高模量改性瀝青混合料路面的上面層剪應(yīng)變?yōu)槠?0.6%，中面層剪應(yīng)變?yōu)槠?2.4%，下面層剪應(yīng)變?yōu)槠?5.7%[3]。由此可知，通過此類路面結(jié)構(gòu)的運(yùn)用，將大幅降低路面瀝青層的剪應(yīng)變，降低約30%。綜上所述，長陡坡路面設(shè)計采用高模量瀝青混合料，可有效提升路面抗車轍能力，減少路面轍槽深度，大大提升了路面結(jié)構(gòu)承載力。

6結(jié)語

綜上所述，改革開放40年來，我國基礎(chǔ)建設(shè)投入越來越多，高速公路也得到了極大的發(fā)展。隨著高速公路建設(shè)里程的不斷增加，越來越多的高速公路修建在復(fù)雜地形的山區(qū)地帶。受地形、自然環(huán)境等限制，高速公路設(shè)計、施工將受到一定阻力，為此，必須重視山區(qū)高速公路路面設(shè)計，掌握設(shè)計要點，提高設(shè)計合理性。

參考文獻(xiàn)

[1]李娟，李曉鳳.山區(qū)高速公路路面設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)研究[J].工業(yè)C，2015（5）：114.

[2]駱春雨.山區(qū)高速公路隧道病害及處治關(guān)鍵技術(shù)分析[J].城市道橋與防洪，2018（2）：146-148.

[3]廖海龍.山區(qū)高速公路瀝青路面大修關(guān)鍵技術(shù)研究[J].中國高新科技，2018（16）：96-98.

作者：丁巖 單位：信陽公路勘察設(shè)計院