公路路面设计关键技术研究

王磊

摘 要：在公路建设规模逐步扩大的今天，交通量日益增多，且伴随着大量超载超限问题，严重影响了路面质量，为提高路面质量，必须做好设计工作，因我国地域面积广阔，地质条件复杂，特别是陡坡路段车辙问题最为突出。本文以某公路新建沥青路面为依托，从陡坡路段对路面设计关键技术进行研究。

关键词：公路工程；路面设计；陡坡路段

中图分类号：U416.2 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2018）05-0117-02

作为公路建设的主要内容，目前国内针对陡坡路段的界定标准还不统一。针对陡坡路段，曹阳等人通过ANSYS有限元法由力学角度出发，对其受力情况进行了分析，得出结论为随着坡度的增加陡坡路段的路表弯沉值也会随之增加，层底拉应力、剪应力同样也会增加。而在陡坡路段应用高模量沥青混合料的研究中，陈哲、朱士东、张家峰等人发现可显著改善其应力应变。与普通沥青路面相比，高模量沥青路面的压应变、剪应变可有效降低，比例为30%左右，进而能够达到陡坡路段路面抗车辙能力提升的目的，同时使用高模量沥青混合料，能够为重载、超载作用下沥青路面设计提供可靠依据。

1 沥青路面病害原因

车辙是陡坡路段最常见的病害形式，其原因主要包括两方面，第一，陡坡上行过程中相比普通路段，车辆速度较小，通常情况下重载车辆每小时为20km，速度存有差异，对路面而言，车辆的作用时间也存有差距。建设车辆行驶速度为每小时100km时，则其有0.02s的路面作用时间，如行驶速度为每小时20km时，则其作用时间将大大增加，可增加5倍左右，变为0.1s。第二，陡坡路段，荷载于路面的作用力也不尽相同，坡度增加，应力也会随之增加，因此车辙极易产生于陡坡路段。同时作为沥青路面损坏的主要形式之一，车辙通常出现在实行渠化交通的高等级公路上。在车轮荷载的长期影响下，路面各个结构层将被再次压实、沉降，尤其是气温较高的情况下，沥青面层压密及侧向流动隆起，导致顺着行车轮迹路面将逐步出现纵向带状凹槽变形问题，一般以W型呈现在车道横断面方向。如车辙深度满足一定值后，车辙槽内将会出现积水现象，进而对车速、行车舒适性及安全性造成严重危害。而路面破坏的主要原因包括以下几点：

（1）沥青路面结构受力。坡度是陡坡路段必备条件，因坡度将产生一个沿坡面方向的分解力，该分解来源于竖向力，在平坡上，该力作用更大，可严重破坏路面。（2）行车速度。上坡时，相比平路段，汽车速度明显降低，特別是重载超载汽车速度更低，这种情况下，将大大延长路面作用时间，大量增加弯沉值，导致路面更早步入疲劳期。（3）受力频率。因坡度问题，车辆下坡过程中将增加踩刹车的频率，进而加大路面摩擦力，反复作用下，将导致裂缝、推移现象频发。（4）外部环境影响。于沥青混合料而言，温度具有较大影响。如温度过低，极易出现脆性缩裂，进而加快路面损坏速度；如温度过高，则极易出现拥抱、推移问题。

2 普通沥青路面力学响应模型分析

2.1 结构层组合及材料参数

以典型路面结构形式为例，其路面结构主要参数如表1所示。

2.2 坡度、荷载及轮迹面积确定

为保证计算简便，结果与实际情况基本一致，可选取233x173mm为作用面积。100KN为标准轴载，选取0、1、3、7%为陡坡坡度。

2.3 建立模型

（1）基本假设。沥青路面线弹性材料以面层、基层及填层材料为准，应按照广义胡克定律确定应力应变关系。弹塑性体则为路基土，按照Drucker-Prager屈服原理，以相关联流动法则为准则。假设所有结构层厚度一定，但水平方向不限定。假设垂直均布荷载作用于路面上层表面，在无限远位置、无限深位置应力与位移都不存在，为“0”。各层间接触面为层间完全连续，其上位移完全连续。按照上述假设进行有限元模型的确立。（2）建立模型。建模时应以ANSYS有限元计算程序为依据，并做好计算。合理确定模型尺寸，路面横向、深度及行车方向分别为x轴、y轴及z轴，都以6m为准。

2.4 模型计算及分析

按照我国新建公路沥青路面相关规定，将设计指标定为弯沉、弯拉应力对其进行分析。

（1）路表弯沉。不断增加坡度的情况下，其路表弯沉值也会随之增大，表现为线形变化。其主要原因在于，因坡度问题，顺着坡面将有一个竖向分力产生，同时还有一个与坡面垂直的分力产生。除此之外，坡度增加，与坡面平行的分力也会增加，进而出现剪应力增大现象。但弯沉增加却并不显著，纵坡增加1%左右，而弯沉值增加量在在1%以内。（2）剪应力。不断增加坡度的情况下，其剪应力也会随之增加，其主要原因在于纵坡增加，将进一步加大路面承受的水平力，同样两者表现为线形变化。每增大纵坡1%，则剪应力增加幅度较大，增加30%以上。（3）正应力。不断增加坡度的情况下，其层底拉应力也会随之增加，每增加纵坡1%，将增加2%的拉应力。由此可见，在竖向力、水平力相互影响下，可增加垂直与路面的力，两者之间表现为线形变化。

2.5 力学响应特点

第一，于沥青路面位移、结构应力而言，纵坡影响较大。而面层剪应力对弯沉、层底拉应力影响更甚。

第二，陡坡路段沥青路面弯沉响应具有相似性，不断增加纵坡，弯沉也将逐步增加，每增加1%坡度，弯沉增加幅度也基本为1%，甚至更小。

第三，陡坡路段沥青路面剪应力响应差异较为显著，纵坡较大，剪应力将逐步增加，每增加1%坡度，剪应力增加幅度较大，增加比例超过30%。

第四，陡坡路段沥青路面层底拉应力响应差异不大，不断增加坡度，层底拉力也会所有增加，但每增加1%坡度，其增加比例仅为2%。

3 沥青路面设计关键点

按照力学模型可见，相比平坡段，陡坡段最大的区别在于面层剪力作用。当增加1%坡度时，剪应力增加幅度较大，增加比例可达到30%左右。因此必须高要求路面面层抗剪强度。除此之外，与平坡段相比，车辙量也明显增多。其主要原因在于上坡速度与作用时间的关系。为此在，设计时必须充分考虑以上问题。针对陡坡段沥青路面路用性能方面大量专家学者做出了积极地研究，特别是在面层材料方面提出了多方意见，本文以表2作为沥青路面结构层进行设计研究。

基于力学角度，将高应力区设定为沥青上、中面层，可承受较大行车荷载的压应力、剪应力。该面层可选取高模量改性沥青混凝土，进而达到面层剪应力、压应变减小的作用，且能够增强抗车辙能力，满足路面路用性能改善的目的。通过对比高模量改性沥青、普通沥青材料的性能可见，相比普通沥青材料，高模量沥青段车辙槽深较低，具有良好抗车辙性能。

4 结语

综上所述，随着使用时间的不断增加，路面病害问题愈加严重，尤其是沥青路面裂缝、车辙问题尤为突出。为此，必须根据具体情况，采取科学有效的设计方法，有效提升路面质量。为达到陡坡路段路面抗车辙能力提升的目的，可使用高模量沥青混合料，以此为沥青路面设计提供可靠依据。

参考文献

[1]李政，黄小鹏，李明亮，彩雷洲，曹东伟，杨尔军.排水沥青路面在浙江省金丽温高速公路的工程适应性研究[J].公路交通科技（应用技术版），2017，（09）.