长大上坡线形条件下高速公路路面结构设计探讨

蒋国杰

（上海市政交通设计研究院有限公司，上海市 200030）

0 引言

在我国道路工程研究中，长大上坡道路的设计研究一直是困扰道路设计研究人员的难题之一。

有大量研究表明，长大上坡路段路面结构损坏主要发生在长上坡的后半程，主要以道路路面高温失稳产生车辙的形式体现。究其原因，主要是由于车辆长时间上坡开始行驶减速，再加上温度、摩擦系数变化和其他因素的影响。

根据国内外达成的共识，行车道车辙变形量超过20 mm，就可判定车行道已产生车辙破坏。国内公路设计规范更是根据不同等级道路划分了车辙坡坏的界定标准，其中高速公路及一级公路为15 mm，其他道路为20 mm。以此标准，我国有大量高速公路在通车后几个月内就会出现严重的车辙病害问题，车辙量已超过规范规定的数值要求。因此，如何采用行之有效的设计指标及设计方法控制车辙的产生，是道路设计工作者的当务之急。

因此，有必要对长大上坡条件下的道路设计进行深入分析，为长大上坡公路路面结构设计提供新的思路。

1 研究方法及参数

1.1 研究工具及方法

本研究采用基于层状弹性体现理论的沥青路面结构分析软件APAD（基于《公路沥青路面设计规范》（JTG D50—2017））作为本次研究的主要力学工具，并采用正交分析方法对路面结构在不同力学敏感性因素下的力学性能进行比较。

正交分析采用正交性原则从全部研究对象中筛选出具有独特性的典型对象进行分析研究。这些对象具备均匀分散、齐整可比的特点。正交分析方法是分式析因设计的主要方法，其具体分析原理及参数含义可见《数学手册》[1]。

采用当量轴载换算公式均出自《公路沥青路面设计规范》（JTG D50—2017）[2]。采用江西某公路交通量数据，按设计年限15 a，计算得到对应于沥青混合料层永久变形Ra的当量设计轴载累计作用次数为21 443 046次。从永久变形分析角度，当量轴载次数较大。

1.2 研究因素

1.2.1 研究指标

根据《公路沥青路面设计规范》（JTG D50—2017），路面结构设计中，采用了沥青混合料层容许永久变形量Ra对整体沥青路面结构的抗车辙能力进行控制，而道路永久变形量Ra本身不仅和面层材料有关，还与道路结构的层数、层厚等结构因素有关。

因此，本研究将永久变形量Ra作为长大上坡设计的主要研究指标。

1.2.2 主要影响因素

路面结构设计主要的影响因素为不同材料的厚度及模量。

厚度因素方面，为精简正交分析参数，并考虑到路面结构下剪应力最大区域一般出现在路面结构中下面层，故路面结构上面层取固定值4 cm，并采用改性沥青混合料，下面层取固定值8 cm，采用普通沥青混合料，中面层作为厚度变化因素。

模量因素方面，根据现有的研究成果，在未采用特殊的高模量沥青的情况下，沥青混合料常温模量、材料级配及种类的影响不明显，故不考虑面层材料模量变化，仅考虑路面基层、垫层及路基模量变化。

除上述因素外，路面结构的车辙动稳定度DS对永久变形量Ra的影响也很显著。

综合考虑以上因素，本文正交分析的影响因素采用沥青中面层厚度、基层模量、垫层模量、路基模量及沥青上中面层动稳定度DS作为本次正交分析的因素。

1.2.3 因素影响水平分析

各个因素变量的影响水平见表1、表2。

表1 厚度因素水平 cm

表2 模量及动稳定度因素水平

1.2.4 路面结构基本参数

为研究路面结构不同因素对永久变形量Ra的影响，给出本研究路面的典型结构，具体参数见表3。

表3 路面结构基本参数

2 路面力学敏感性正交分析

2.1 正交分析表建立

长大上坡路面力学敏感性正交试验分析选取了沥青中面层厚度，水泥稳定碎石基层、垫层厚度，基层模量，路基模量及动稳定度DS共6个研究因素，每种因素共取5种水平，因此需建立标准的6因素5水平正交分析表。基于路面永久变形量Ra值的各设计指标敏感性正交分析见表4、表5。

表4 基于路面永久变形量Ra值敏感性正交分析表

2.2 正交分析表计算结果分析

对表4、表5数据进行分析比较可以得到如下结论：

（1）从影响方向角度考虑，在总当量轴载作用次数一定的条件下，路面结构总的永久变形量与沥青中面层厚度、动稳定度DS之间成反比关系。

（2）从数值波动角度考虑，基层厚度、垫层厚度、基层模量及路基模量对路面结构总的永久变形量的影响极小，波动范围均小于5%，故可以认为这4个因素对路面结构总的永久变形量Ra影响不大。

（3）根据本文选择的水平范围，沥青中面层厚度及沥青上中面层动稳定度DS对沥青路面结构永久变形模量的影响较为明显。

综上分析，得到的结论如下：

（1）在进行长大上坡条件下的道路设计过程中，基层厚度、垫层厚度、基层模量及路基模量等参数对于车辙破坏不起主导作用。

（2）长大上坡条件下的道路车辙破坏主要控制因素为沥青中面层厚度及动稳定度DS。

3 基于长大上坡设计主要控制因素的分析

本节对于沥青路面中面层厚度及动稳定度DS两个主控设计指标进行研究，在表3的参数基础上，固定基层厚度为40 cm，基层模量为23 000 MPa，路基回弹模量为50 MPa（满足重交通要求），中面层材料动稳定度DS分别取1 000、2 000及3 000三种不同条件，计算得到的Ra值随中面层厚度的变化规律见表6。

表6 混合料的Ra值随厚度变化表

由表6数据分析可知：

（1）基于道路等级为高速公路，根据现行规范Ra必须不大于15 mm，因此，对于上述路面结构，选用的中面层应采用改性沥青，且中面层厚度最优解为10 cm。但是，考虑到8～12 cm的沥青厚度对Ra影响极小，综合经济分析，本次分析的路面结构中面层采用8 cm最为经济合理，6 cm及以上能满足设计要求。

（2）中面层采用改性沥青能够很好地提升道路的抗车辙能力，若采用SBS改性沥青，其永久变形量比不采用用改性沥青减小30%。

（3）根据计算沥青路面中面层最优厚度，最优路面结构见表7。

表7 沥青面层最优厚度（50 MPa路基）

根据经济情况，可选用的路面结构见表8，也可满足设计需求。

表8 可选用的路面结构（50 MPa路基）