蔣國(guó)杰

（上海市政交通設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海市 200030）

0 引言

在我國(guó)道路工程研究中，長(zhǎng)大上坡道路的設(shè)計(jì)研究一直是困擾道路設(shè)計(jì)研究人員的難題之一。

有大量研究表明，長(zhǎng)大上坡路段路面結(jié)構(gòu)損壞主要發(fā)生在長(zhǎng)上坡的后半程，主要以道路路面高溫失穩(wěn)產(chǎn)生車轍的形式體現(xiàn)。究其原因，主要是由于車輛長(zhǎng)時(shí)間上坡開(kāi)始行駛減速，再加上溫度、摩擦系數(shù)變化和其他因素的影響。

根據(jù)國(guó)內(nèi)外達(dá)成的共識(shí)，行車道車轍變形量超過(guò)20 mm，就可判定車行道已產(chǎn)生車轍破壞。國(guó)內(nèi)公路設(shè)計(jì)規(guī)范更是根據(jù)不同等級(jí)道路劃分了車轍坡壞的界定標(biāo)準(zhǔn)，其中高速公路及一級(jí)公路為15 mm，其他道路為20 mm。以此標(biāo)準(zhǔn)，我國(guó)有大量高速公路在通車后幾個(gè)月內(nèi)就會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的車轍病害問(wèn)題，車轍量已超過(guò)規(guī)范規(guī)定的數(shù)值要求。因此，如何采用行之有效的設(shè)計(jì)指標(biāo)及設(shè)計(jì)方法控制車轍的產(chǎn)生，是道路設(shè)計(jì)工作者的當(dāng)務(wù)之急。

因此，有必要對(duì)長(zhǎng)大上坡條件下的道路設(shè)計(jì)進(jìn)行深入分析，為長(zhǎng)大上坡公路路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供新的思路。

1 研究方法及參數(shù)

1.1 研究工具及方法

本研究采用基于層狀彈性體現(xiàn)理論的瀝青路面結(jié)構(gòu)分析軟件APAD（基于《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D50—2017））作為本次研究的主要力學(xué)工具，并采用正交分析方法對(duì)路面結(jié)構(gòu)在不同力學(xué)敏感性因素下的力學(xué)性能進(jìn)行比較。

正交分析采用正交性原則從全部研究對(duì)象中篩選出具有獨(dú)特性的典型對(duì)象進(jìn)行分析研究。這些對(duì)象具備均勻分散、齊整可比的特點(diǎn)。正交分析方法是分式析因設(shè)計(jì)的主要方法，其具體分析原理及參數(shù)含義可見(jiàn)《數(shù)學(xué)手冊(cè)》[1]。

采用當(dāng)量軸載換算公式均出自《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D50—2017）[2]。采用江西某公路交通量數(shù)據(jù)，按設(shè)計(jì)年限15 a，計(jì)算得到對(duì)應(yīng)于瀝青混合料層永久變形Ra的當(dāng)量設(shè)計(jì)軸載累計(jì)作用次數(shù)為21 443 046次。從永久變形分析角度，當(dāng)量軸載次數(shù)較大。

1.2 研究因素

1.2.1 研究指標(biāo)

根據(jù)《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D50—2017），路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，采用了瀝青混合料層容許永久變形量Ra對(duì)整體瀝青路面結(jié)構(gòu)的抗車轍能力進(jìn)行控制，而道路永久變形量Ra本身不僅和面層材料有關(guān)，還與道路結(jié)構(gòu)的層數(shù)、層厚等結(jié)構(gòu)因素有關(guān)。

因此，本研究將永久變形量Ra作為長(zhǎng)大上坡設(shè)計(jì)的主要研究指標(biāo)。

1.2.2 主要影響因素

路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要的影響因素為不同材料的厚度及模量。

厚度因素方面，為精簡(jiǎn)正交分析參數(shù)，并考慮到路面結(jié)構(gòu)下剪應(yīng)力最大區(qū)域一般出現(xiàn)在路面結(jié)構(gòu)中下面層，故路面結(jié)構(gòu)上面層取固定值4 cm，并采用改性瀝青混合料，下面層取固定值8 cm，采用普通瀝青混合料，中面層作為厚度變化因素。

模量因素方面，根據(jù)現(xiàn)有的研究成果，在未采用特殊的高模量瀝青的情況下，瀝青混合料常溫模量、材料級(jí)配及種類的影響不明顯，故不考慮面層材料模量變化，僅考慮路面基層、墊層及路基模量變化。

除上述因素外，路面結(jié)構(gòu)的車轍動(dòng)穩(wěn)定度DS對(duì)永久變形量Ra的影響也很顯著。

綜合考慮以上因素，本文正交分析的影響因素采用瀝青中面層厚度、基層模量、墊層模量、路基模量及瀝青上中面層動(dòng)穩(wěn)定度DS作為本次正交分析的因素。

1.2.3 因素影響水平分析

各個(gè)因素變量的影響水平見(jiàn)表1、表2。

表1 厚度因素水平 cm

表2 模量及動(dòng)穩(wěn)定度因素水平

1.2.4 路面結(jié)構(gòu)基本參數(shù)

為研究路面結(jié)構(gòu)不同因素對(duì)永久變形量Ra的影響，給出本研究路面的典型結(jié)構(gòu)，具體參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 路面結(jié)構(gòu)基本參數(shù)

2 路面力學(xué)敏感性正交分析

2.1 正交分析表建立

長(zhǎng)大上坡路面力學(xué)敏感性正交試驗(yàn)分析選取了瀝青中面層厚度，水泥穩(wěn)定碎石基層、墊層厚度，基層模量，路基模量及動(dòng)穩(wěn)定度DS共6個(gè)研究因素，每種因素共取5種水平，因此需建立標(biāo)準(zhǔn)的6因素5水平正交分析表?；诼访嬗谰米冃瘟縍a值的各設(shè)計(jì)指標(biāo)敏感性正交分析見(jiàn)表4、表5。

表4 基于路面永久變形量Ra值敏感性正交分析表

2.2 正交分析表計(jì)算結(jié)果分析

對(duì)表4、表5數(shù)據(jù)進(jìn)行分析比較可以得到如下結(jié)論：

（1）從影響方向角度考慮，在總當(dāng)量軸載作用次數(shù)一定的條件下，路面結(jié)構(gòu)總的永久變形量與瀝青中面層厚度、動(dòng)穩(wěn)定度DS之間成反比關(guān)系。

（2）從數(shù)值波動(dòng)角度考慮，基層厚度、墊層厚度、基層模量及路基模量對(duì)路面結(jié)構(gòu)總的永久變形量的影響極小，波動(dòng)范圍均小于5%，故可以認(rèn)為這4個(gè)因素對(duì)路面結(jié)構(gòu)總的永久變形量Ra影響不大。

（3）根據(jù)本文選擇的水平范圍，瀝青中面層厚度及瀝青上中面層動(dòng)穩(wěn)定度DS對(duì)瀝青路面結(jié)構(gòu)永久變形模量的影響較為明顯。

綜上分析，得到的結(jié)論如下：

（1）在進(jìn)行長(zhǎng)大上坡條件下的道路設(shè)計(jì)過(guò)程中，基層厚度、墊層厚度、基層模量及路基模量等參數(shù)對(duì)于車轍破壞不起主導(dǎo)作用。

（2）長(zhǎng)大上坡條件下的道路車轍破壞主要控制因素為瀝青中面層厚度及動(dòng)穩(wěn)定度DS。

3 基于長(zhǎng)大上坡設(shè)計(jì)主要控制因素的分析

本節(jié)對(duì)于瀝青路面中面層厚度及動(dòng)穩(wěn)定度DS兩個(gè)主控設(shè)計(jì)指標(biāo)進(jìn)行研究，在表3的參數(shù)基礎(chǔ)上，固定基層厚度為40 cm，基層模量為23 000 MPa，路基回彈模量為50 MPa（滿足重交通要求），中面層材料動(dòng)穩(wěn)定度DS分別取1 000、2 000及3 000三種不同條件，計(jì)算得到的Ra值隨中面層厚度的變化規(guī)律見(jiàn)表6。

表6 混合料的Ra值隨厚度變化表

由表6數(shù)據(jù)分析可知：

（1）基于道路等級(jí)為高速公路，根據(jù)現(xiàn)行規(guī)范Ra必須不大于15 mm，因此，對(duì)于上述路面結(jié)構(gòu)，選用的中面層應(yīng)采用改性瀝青，且中面層厚度最優(yōu)解為10 cm。但是，考慮到8～12 cm的瀝青厚度對(duì)Ra影響極小，綜合經(jīng)濟(jì)分析，本次分析的路面結(jié)構(gòu)中面層采用8 cm最為經(jīng)濟(jì)合理，6 cm及以上能滿足設(shè)計(jì)要求。

（2）中面層采用改性瀝青能夠很好地提升道路的抗車轍能力，若采用SBS改性瀝青，其永久變形量比不采用用改性瀝青減小30%。

（3）根據(jù)計(jì)算瀝青路面中面層最優(yōu)厚度，最優(yōu)路面結(jié)構(gòu)見(jiàn)表7。

表7 瀝青面層最優(yōu)厚度（50 MPa路基）

根據(jù)經(jīng)濟(jì)情況，可選用的路面結(jié)構(gòu)見(jiàn)表8，也可滿足設(shè)計(jì)需求。

表8 可選用的路面結(jié)構(gòu)（50 MPa路基）