山區(qū)高速公路路面結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析

馬立綱

（河北省高速公路承赤籌建處，河北 承德 067000）

0 引言

路基是路面結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)，良好的路基是保證公路工程運(yùn)行安全與舒適的前提[1－2]。路基的承載能力一般用土基回彈模量表示，土基回彈模量的大小會影響到整個(gè)半剛性基層瀝青路面的受力與變形特性[3]。承赤高速公路承德段大部分路段位于山嶺區(qū)，大部分路段的土基回彈模量值遠(yuǎn)大于平原路段，達(dá)到70～80MPa，而平原段公路路基的土基回彈模量值只有40MPa左右。因此，對于土基模量值較高的山區(qū)路段，高速公路的路面結(jié)構(gòu)應(yīng)該加以優(yōu)化，以便在滿足行車需求的情況下降低工程造價(jià)。本文基于有限元法，首先分析了公路土基模量值較高的情況下半剛性基層瀝青路面的受力與變形特性，進(jìn)而基于受力相等的原則，給出土基模量值較高的山區(qū)路段的瀝青路面優(yōu)化結(jié)構(gòu)。

1 計(jì)算模型與參數(shù)

本文應(yīng)用ANSYS有限元軟件建立有限元模型，計(jì)算不同土基回彈模量情況下的路面結(jié)構(gòu)受力與變形特性，根據(jù)路面結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)與建模規(guī)律，假設(shè)路面結(jié)構(gòu)底面的z方向、左右兩面的x方向及行車方向（y方向）的位移均為0。路面結(jié)構(gòu)的模型采用長×寬×深＝10m×10m×10m，網(wǎng)格劃分尺寸為20cm。根據(jù)該段高速公路的原設(shè)計(jì)，路面結(jié)構(gòu)及計(jì)算參數(shù)詳見表1，有限元模型見圖1。

表1 路面結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖1 有限元模型及網(wǎng)格劃分

2 土基回彈模量值對瀝青路面受力與變形特性的影響

2.1 對路表彎沉的影響

路表彎沉值表征著路面結(jié)構(gòu)整體抵御荷載的能力，參照我國《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D50—2006）[4]，根據(jù)本文基于ANSYS軟件建立的有限元模型，分別計(jì)算得出不同土基回彈模量時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)軸載BZZ—100作用下的路表彎沉值，如圖2所示。

從圖2的路表彎沉值計(jì)算結(jié)果可以看出，土基回彈模量對半剛性基層瀝青路面的路表彎沉具有顯著的影響，路表彎沉隨著土基回彈模量的增大而減小，當(dāng)土基模量從40MPa增加到80MPa時(shí)，路表彎沉值從17.16（0.01mm）減小到了9.04（0.01mm），降低了47.3%，平均降幅為1.18（0.01mm）／MPa。可見，提高土基模量值能夠顯著提高高速公路的整體強(qiáng)度及抗變形能力。

圖2 路表彎沉隨土基回彈模量的變化曲線

2.2 對瀝青面層受力的影響

在標(biāo)準(zhǔn)軸載（BZZ—100）作用下，分別計(jì)算公路路基不同土基回彈模量時(shí)半剛性基層瀝青路面的面層層底拉應(yīng)力，計(jì)算結(jié)果如圖3所示。從計(jì)算結(jié)果可以看出，在標(biāo)準(zhǔn)軸載作用下，在計(jì)算的土基回彈模量范圍內(nèi)，半剛性基層瀝青路面的面層層底所受應(yīng)力均小于0，即：均受壓應(yīng)力作用，壓應(yīng)力隨土基回彈模量的增大而減小。當(dāng)土基模量從40MPa增加到80MPa時(shí)，半剛性基層瀝青路面的面層壓應(yīng)力降低了14.5%。

圖3 面層層底拉應(yīng)力隨土基回彈模量的變化曲線

2.3 對半剛性基層受力的影響

對于半剛性基層瀝青路面而言，裂縫是其病害的主要形式，而裂縫包括基層裂縫、底基層裂縫和荷載裂縫。其中荷載裂縫產(chǎn)生的原因是在車輛荷載的作用下，高速公路路面結(jié)構(gòu)中基層或底基層所受到的拉應(yīng)力大于材料的抗拉強(qiáng)度。為了保證路面結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定與安全，在設(shè)計(jì)中需要選用合理的基層、底基層材料，并且滿足適當(dāng)?shù)暮穸纫螅沟没鶎踊虻谆鶎铀艿降睦瓚?yīng)力小于其抗拉強(qiáng)度。根據(jù)本文建立的有限元模型，分別計(jì)算不同土基回彈模量下半剛性基層和底基層的層底拉應(yīng)力，計(jì)算結(jié)果如圖4所示。

圖4 基層、底基層層底拉應(yīng)力隨土基回彈模量的變化曲線

從圖4可以看出，在標(biāo)準(zhǔn)軸載作用下，半剛性基層層底所受拉應(yīng)力隨土基回彈模量的增大而顯著減小，當(dāng)土基模量從40MPa增加到80MPa時(shí)，半剛性基層層底拉應(yīng)力降低了16.9%；在同等條件下，當(dāng)土基模量從40MPa增加到80MPa時(shí)，半剛性基層瀝青路面的底基層層底拉應(yīng)力降低了21.6%。

3 山區(qū)高速公路的路面結(jié)構(gòu)優(yōu)化

鑒于土基回彈模量對高速公路路表彎沉，半剛性基層、底基層受力以及變形特性等的顯著影響，結(jié)合山區(qū)高速公路土基回彈模量值較高這一實(shí)際情況，應(yīng)當(dāng)對不同地形、地質(zhì)條件下的高速公路路面結(jié)構(gòu)或者同一高速公路不同路段的路面結(jié)構(gòu)加以優(yōu)化。

依據(jù)路表彎沉及半剛性基層、底基層層底拉應(yīng)力等效的原則，根據(jù)本文的計(jì)算結(jié)果，對承赤高速公路原有半剛性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。優(yōu)化后的路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)見表2。

表2 山區(qū)路面結(jié)構(gòu)優(yōu)化結(jié)果

從表2可知，優(yōu)化后的路面結(jié)構(gòu)考慮了山區(qū)高速公路的實(shí)際地基情況，以較高的土基回彈模量值取代原設(shè)計(jì)值，可以適當(dāng)減小基層或底基層的厚度，從而節(jié)約建筑材料，大大降低工程造價(jià)，顯著提高山區(qū)高速公路建設(shè)的經(jīng)濟(jì)效益與社會效益。

4 結(jié)論

4.1 提高土基回彈模量值可以顯著降低同軸載作用下的路表彎沉值，提高路面結(jié)構(gòu)抵抗變形的能力。當(dāng)土基模量從40MPa增加到80MPa時(shí)，路表彎沉值從17.16（0.01mm）減小到了9.04（0.01mm），降低了47.3%，平均降幅為1.18（0.01mm）／MPa。

4.2 提高土基回彈模量值可以顯著降低瀝青面層的壓應(yīng)力，當(dāng)土基模量從40MPa增加到80MPa時(shí)，半剛性基層瀝青路面的面層壓應(yīng)力降低了14.5%。

4.3 提高土基回彈模量可以顯著降低半剛性基層與底基層的層底拉應(yīng)力：當(dāng)土基模量從40MPa增加到80MPa時(shí)，半剛性基層層底拉應(yīng)力降低了16.9%；在同等條件下，當(dāng)土基模量從40MPa增加到80MPa時(shí)，半剛性基層瀝青路面的底基層層底拉應(yīng)力降低了21.6%。

4.4 對于土基回彈模量值較高的山區(qū)高速公路，在相同的重載條件下，可以降低基層及底基層材料的厚度10～20cm，從而降低工程造價(jià)。

[1]交通部公路研究所.重載瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范研究報(bào)告[R].北京：交通部公路研究所，2003

[2]沈金安.國外瀝青路面設(shè)計(jì)方法匯總[M].北京：人民交通出版社,2004.

[3]JTG D50—2006，公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范[S].