山区高速公路路面结构优化分析

马立纲

（河北省高速公路承赤筹建处，河北 承德 067000）

0 引言

路基是路面结构的基础，良好的路基是保证公路工程运行安全与舒适的前提[1－2]。路基的承载能力一般用土基回弹模量表示，土基回弹模量的大小会影响到整个半刚性基层沥青路面的受力与变形特性[3]。承赤高速公路承德段大部分路段位于山岭区，大部分路段的土基回弹模量值远大于平原路段，达到70～80MPa，而平原段公路路基的土基回弹模量值只有40MPa左右。因此，对于土基模量值较高的山区路段，高速公路的路面结构应该加以优化，以便在满足行车需求的情况下降低工程造价。本文基于有限元法，首先分析了公路土基模量值较高的情况下半刚性基层沥青路面的受力与变形特性，进而基于受力相等的原则，给出土基模量值较高的山区路段的沥青路面优化结构。

1 计算模型与参数

本文应用ANSYS有限元软件建立有限元模型，计算不同土基回弹模量情况下的路面结构受力与变形特性，根据路面结构的特点与建模规律，假设路面结构底面的z方向、左右两面的x方向及行车方向（y方向）的位移均为0。路面结构的模型采用长×宽×深＝10m×10m×10m，网格划分尺寸为20cm。根据该段高速公路的原设计，路面结构及计算参数详见表1，有限元模型见图1。

表1 路面结构参数

图1 有限元模型及网格划分

2 土基回弹模量值对沥青路面受力与变形特性的影响

2.1 对路表弯沉的影响

路表弯沉值表征着路面结构整体抵御荷载的能力，参照我国《公路沥青路面设计规范》（JTG D50—2006）[4]，根据本文基于ANSYS软件建立的有限元模型，分别计算得出不同土基回弹模量时，标准轴载BZZ—100作用下的路表弯沉值，如图2所示。

从图2的路表弯沉值计算结果可以看出，土基回弹模量对半刚性基层沥青路面的路表弯沉具有显著的影响，路表弯沉随着土基回弹模量的增大而减小，当土基模量从40MPa增加到80MPa时，路表弯沉值从17.16（0.01mm）减小到了9.04（0.01mm），降低了47.3%，平均降幅为1.18（0.01mm）／MPa。可见，提高土基模量值能够显著提高高速公路的整体强度及抗变形能力。

图2 路表弯沉随土基回弹模量的变化曲线

2.2 对沥青面层受力的影响

在标准轴载（BZZ—100）作用下，分别计算公路路基不同土基回弹模量时半刚性基层沥青路面的面层层底拉应力，计算结果如图3所示。从计算结果可以看出，在标准轴载作用下，在计算的土基回弹模量范围内，半刚性基层沥青路面的面层层底所受应力均小于0，即：均受压应力作用，压应力随土基回弹模量的增大而减小。当土基模量从40MPa增加到80MPa时，半刚性基层沥青路面的面层压应力降低了14.5%。

图3 面层层底拉应力随土基回弹模量的变化曲线

2.3 对半刚性基层受力的影响

对于半刚性基层沥青路面而言，裂缝是其病害的主要形式，而裂缝包括基层裂缝、底基层裂缝和荷载裂缝。其中荷载裂缝产生的原因是在车辆荷载的作用下，高速公路路面结构中基层或底基层所受到的拉应力大于材料的抗拉强度。为了保证路面结构的稳定与安全，在设计中需要选用合理的基层、底基层材料，并且满足适当的厚度要求，使得基层或底基层所受到的拉应力小于其抗拉强度。根据本文建立的有限元模型，分别计算不同土基回弹模量下半刚性基层和底基层的层底拉应力，计算结果如图4所示。

图4 基层、底基层层底拉应力随土基回弹模量的变化曲线

从图4可以看出，在标准轴载作用下，半刚性基层层底所受拉应力随土基回弹模量的增大而显著减小，当土基模量从40MPa增加到80MPa时，半刚性基层层底拉应力降低了16.9%；在同等条件下，当土基模量从40MPa增加到80MPa时，半刚性基层沥青路面的底基层层底拉应力降低了21.6%。

3 山区高速公路的路面结构优化

鉴于土基回弹模量对高速公路路表弯沉，半刚性基层、底基层受力以及变形特性等的显著影响，结合山区高速公路土基回弹模量值较高这一实际情况，应当对不同地形、地质条件下的高速公路路面结构或者同一高速公路不同路段的路面结构加以优化。

依据路表弯沉及半刚性基层、底基层层底拉应力等效的原则，根据本文的计算结果，对承赤高速公路原有半刚性基层沥青路面结构进行优化。优化后的路面结构设计参数见表2。

表2 山区路面结构优化结果

从表2可知，优化后的路面结构考虑了山区高速公路的实际地基情况，以较高的土基回弹模量值取代原设计值，可以适当减小基层或底基层的厚度，从而节约建筑材料，大大降低工程造价，显著提高山区高速公路建设的经济效益与社会效益。

4 结论

4.1 提高土基回弹模量值可以显著降低同轴载作用下的路表弯沉值，提高路面结构抵抗变形的能力。当土基模量从40MPa增加到80MPa时，路表弯沉值从17.16（0.01mm）减小到了9.04（0.01mm），降低了47.3%，平均降幅为1.18（0.01mm）／MPa。

4.2 提高土基回弹模量值可以显著降低沥青面层的压应力，当土基模量从40MPa增加到80MPa时，半刚性基层沥青路面的面层压应力降低了14.5%。

4.3 提高土基回弹模量可以显著降低半刚性基层与底基层的层底拉应力：当土基模量从40MPa增加到80MPa时，半刚性基层层底拉应力降低了16.9%；在同等条件下，当土基模量从40MPa增加到80MPa时，半刚性基层沥青路面的底基层层底拉应力降低了21.6%。

4.4 对于土基回弹模量值较高的山区高速公路，在相同的重载条件下，可以降低基层及底基层材料的厚度10～20cm，从而降低工程造价。

[1]交通部公路研究所.重载沥青路面设计规范研究报告[R].北京：交通部公路研究所，2003

[2]沈金安.国外沥青路面设计方法汇总[M].北京：人民交通出版社,2004.

[3]JTG D50—2006，公路沥青路面设计规范[S].