山区高速公路路面设计关键技术研究

丁岩

摘  要：随着高速公路建设里程的不断增加，越来越多的高速公路向地形地势复杂的山区迈进。在行车荷载和自然因素的长期作用下，路面病害问题愈加严重，如车辙、裂缝和拥包等，这些病害的大量出现，将会影响行车舒适性和安全，甚至会缩短路面使用寿命。为此，该文在全面了解山区高速公路特点的基础上，依托某山区高速公路项目，通过实地调查，对路面设计关键技术要点进行了分析与探讨。

关键词：山区高速公路;路面设计;工程概况

中图分类号： U412          文献标志码：A

1 山区高速公路特点

作为一个多山的国家，我国山区面积较大，山地、丘陵和地形较为崎岖的高原都被称为山区。在我国总国土面积中，山地所在比重达到33%，其中丘陵占10%，崎岖高原占10%以上，整体来看，在国土面积中山区面积超过50%。俗话说“要想富，先修路”，相比平原地区，多数山区经济较为落后，为了提高山区经济水平，完善交通网是一个重要的举措。在山区高速公路设计中，必须对山区高速公路的特点有所了解，具体内容如下。1）地形地势复杂。山区高速公路地形地势复杂，将大大增加工程建设难度。2）陡坡路段多。山区具有地势高差大、范围广等特点，陡坡路段多，上下坡车辆制动频繁，加上重载交通的影响，将加速路面损坏程度。3）桥隧比例高。相比一般公路工程，山区高速公路桥隧所占比例高，需通过桥梁跨线、隧道穿越等方式，来达到便捷交通的目的。4）海拔高。山区的显著特点为海拔高，高差显著，海拔越高，气温越低，将会对路面的影响越大。

2 山区高速公路路面设计要点分析

山区高速公路中陡坡路段较为常见，目前在陡坡路段界定中，普遍认为长度>3km，平均纵坡>5.5%即可认定为陡坡。据相关研究表明，陡坡路段是车辙病害集中发生区域，究其原因在于2点。1）陡坡路段，相比一般平坦路段，行车速度有所减速，这种情况下，重载车辆的车速通常控制在20 km/h左右，速度减慢，则车辆作用于路面的时间也会随之增加，因此，可认为速度不同，将存在显著区别，如果车辆以100 km/h行驶通过，那么，对路面的作用时间极短，可能仅为0.02 s;如果车辆以20 km/h行驶通过，对路面的作用时间将大幅增加，可能为0.1 s[1]。2）路段坡度不同，则荷载不同，对路面的作用力同样有所差异。例如，随着坡度的不断增加，应力也会随之加大，进而加大了产生车辙的危害。

3 陡坡路段普通沥青路面力学响应模型分析

根据有限元原理，该文将简单地对陡坡路段沥青路面的力学特性进行阐述。

3.1 结构层组合及材料参数情况

根据实际情况，可采用表1的路面结构参数进行分析。

3.2 坡度、荷载和轮迹面积确定

为了方便计算，获取准确的结果，在分析时可采用矩形荷载，作用面积为233mm×173mm，按照规范要求，荷载采用标准轴载100 kN，陡坡坡度为0、1%、3%、7%等。

3.3 模型建立

通过ANSYS有限元计算程序建模并计算，需合理确定计算模型尺寸，保证计算精度。各方向均采用6 m，三维模型图如图1所示。其中，横向坐标轴为X轴，即路面横向;竖向坐标为Y轴，即深度方向;纵向坐标为Z轴，即行车方向。

3.4 模型计算及其分析

目前，弯沉、弯拉应力等均为沥青路面最主要的设计指标。根据现行规范标准，在不同部位合理设置各个测点，如轮迹中心处、沥青层底部、面层中部可分别设置弯沉测点、弯拉应力测点、剪应力测点，保证测点位置准确。基于标准荷载影响，针对路面不同纵坡坡度进行计算分析，结果见表2。

3.4.1 路表弯沉分析

坡度越大，路表弯沉值越大，两者呈线性变化趋势。究其原因在于坡度的存在将会致使竖向力有一个沿坡面产生的分力，和一个与坡面垂直的分力。若坡度持续增加，与坡面平行的分力也会随之增加，同时，剪应力也将随之增大。在这个过程中，虽弯沉有所增加，但增加幅度不大。纵坡增加1%，弯沉值增加幅度却在1%以內。

3.4.2 剪应力分析

坡度越大，剪应力越大。纵坡增加，将大大增加路面所受的水平力，两者可呈线性变化趋势。纵坡坡度增加1%，剪应力平均增幅较大，可超过30%。

3.4.3 正应力分析

坡度越大，层底拉应力越大，纵坡坡度增加1%，拉应力增加幅度为其2倍，基本上为2%左右。由此说明，在竖向力和水平力等作用下，垂直于路面的力将有所增加，层底拉应力和纵坡可呈线性变化趋势。

4 陡坡路段沥青路面设计关键点

按照力学模型分析，通过对比分析陡坡路段和平坡路段，面层剪切作用是两者之间的最大区别。在每增加1%坡度，剪应力将大幅增加，可达到30%左右，因此对路面面层具有较高抗剪强度要求[2]。此外，与平坡路段相比，陡坡路段车辙问题严重。因此，在陡坡路段沥青路面设计中，关键对以下4点进行充分考虑。1）提升沥青面层抗剪能力。2）提升沥青路面抗车辙能力。3）提升沥青材料高温稳定性。4）重载影响的考虑与分析。

5 工程概况

某山区高速公路工程建成通车后，交通量大，且存在严重的重载交通现象，长此以往，结构应力应变较大，远远高于普通路面，目前已影响路面结构质量。该路段路面结构层见表3。

在该工程路面结构设计中，要对陡坡和重载等因素进行充分考虑。经力学分析，高应力区位于沥青的上、中面层，此部分所承受的行车荷载较大。高模量改性沥青混凝土为上、中面层，采用此类混凝土材料，可增强路面的抗车辙性能，延长路面使用年限。

为了更好地验证设计的合理性，该文进行了一组高模量改性沥青材料和普通沥青材料路面性能对比试验，检测结果表明，相比普通沥青材料路段，高模量试验段面层芯样的辙槽深度较小。以最大辙槽深度（16 000次）为例分析，相比试验段，普通沥青路面段辙槽深度为其1.34倍，由此表明，高模量改性沥青混合料的抗车辙能力较强。

此外，通过剪应力对比分析，随着深度增加，上面层最大剪应力随之增大，但是，中、下面层则随之减小。在与路表相距40 mm处为最大剪应力变峰值位置。由此可见，两层高模量沥青混合料可以大大降低路面剪应变，相比普通路面结构，高模量改性沥青混合料路面的上面层剪应变为其70.6%，中面层剪应变为其72.4%，下面层剪应变为其95.7%[3]。由此可知，通过此类路面结构的运用，将大幅降低路面沥青层的剪应变，降低约30%。

综上所述，长陡坡路面设计采用高模量沥青混合料，可有效提升路面抗车辙能力，减少路面辙槽深度，大大提升了路面结构承载力。

6 结语

综上所述，改革开放40年来，我国基础建设投入越来越多，高速公路也得到了极大的发展。随着高速公路建设里程的不断增加，越来越多的高速公路修建在复杂地形的山区地带。受地形、自然环境等限制，高速公路设计、施工将受到一定阻力，为此，必须重视山区高速公路路面设计，掌握设计要点，提高设计合理性。

参考文献

[1]李娟，李晓凤.山区高速公路路面设计关键技术研究[J]. 工业C，2015（5）：114.

[2]骆春雨. 山区高速公路隧道病害及处治关键技术分析[J].城市道桥与防洪，2018（2）：146-148.

[3]廖海龙.山区高速公路沥青路面大修关键技术研究[J]. 中国高新科技，2018（16）：96-98.