山區(qū)高速公路路面設計技術

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摘要：隨著高速公路建設里程的不斷增加，越來越多的高速公路向地形地勢復雜的山區(qū)邁進。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，甚至會縮短路面使用壽命。為此，該文在全面了解山區(qū)高速公路特點的基礎上，依托某山區(qū)高速公路項目，通過實地調查，對路面設計關鍵技術要點進行了分析與探討。

關鍵詞：山區(qū)高速公路；路面設計；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)經濟較為落后，為了提高山區(qū)經濟水平，完善交通網(wǎng)是一個重要的舉措。在山區(qū)高速公路設計中，必須對山區(qū)高速公路的特點有所了解，具體內容如下。1）地形地勢復雜。山區(qū)高速公路地形地勢復雜，將大大增加工程建設難度。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，普遍認為長度>3km，平均縱坡>5.5%即可認定為陡坡。據(jù)相關研究表明，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?？刂圃?0km/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，應力也會隨之加大，進而加大了產生車轍的危害。

3陡坡路段普通瀝青路面力學響應模型分析

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特性進行闡述。

3.1結構層組合及材料參數(shù)情況

根據(jù)實際情況，可采用表1的路面結構參數(shù)進行分析。

3.2坡度、荷載和輪跡面積確定

為了方便計算，獲取準確的結果，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，荷載采用標準軸載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，橫向坐標軸為X軸，即路面橫向；豎向坐標為Y軸，即深度方向；縱向坐標為Z軸，即行車方向。

3.4模型計算及其分析

目前，彎沉、彎拉應力等均為瀝青路面最主要的設計指標。根據(jù)現(xiàn)行規(guī)范標準，在不同部位合理設置各個測點，如輪跡中心處、瀝青層底部、面層中部可分別設置彎沉測點、彎拉應力測點、剪應力測點，保證測點位置準確?；跇藴屎奢d影響，針對路面不同縱坡坡度進行計算分析，結果見表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?？v坡增加1%，彎沉值增加幅度卻在1%以內。

3.4.2剪應力分析坡度越大，剪應力越大?？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%，剪應力平均增幅較大，可超過30%。

3.4.3正應力分析坡度越大，層底拉應力越大，縱坡坡度增加1%，拉應力增加幅度為其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，層底拉應力和縱坡可呈線性變化趨勢。

4陡坡路段瀝青路面設計關鍵點

按照力學模型分析，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，剪應力將大幅增加，可達到30%左右，因此對路面面層具有較高抗剪強度要求[2]。此外，與平坡路段相比，陡坡路段車轍問題嚴重。因此，在陡坡路段瀝青路面設計中，關鍵對以下4點進行充分考慮。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，且存在嚴重的重載交通現(xiàn)象，長此以往，結構應力應變較大，遠遠高于普通路面，目前已影響路面結構質量。該路段路面結構層見表3。在該工程路面結構設計中，要對陡坡和重載等因素進行充分考慮。經力學分析，高應力區(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，可增強路面的抗車轍性能，延長路面使用年限。為了更好地驗證設計的合理性，該文進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。此外，通過剪應力對比分析，隨著深度增加，上面層最大剪應力隨之增大，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變，相比普通路面結構，高模量改性瀝青混合料路面的上面層剪應變?yōu)槠?0.6%，中面層剪應變?yōu)槠?2.4%，下面層剪應變?yōu)槠?5.7%[3]。由此可知，通過此類路面結構的運用，將大幅降低路面瀝青層的剪應變，降低約30%。綜上所述，長陡坡路面設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，大大提升了路面結構承載力。

6結語

綜上所述，改革開放40年來，我國基礎建設投入越來越多，高速公路也得到了極大的發(fā)展。隨著高速公路建設里程的不斷增加，越來越多的高速公路修建在復雜地形的山區(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)高速公路路面設計，掌握設計要點，提高設計合理性。

參考文獻

[1]李娟，李曉鳳.山區(qū)高速公路路面設計關鍵技術研究[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鍵技術分析[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鍵技術研究[J].中國高新科技，2018（16）：96-98.

作者：丁巖 單位：信陽公路勘察設計院