基于路面車轍性能的長大縱坡劃分方法研究

李勇剛

(陜西省交通建設(shè)集團公司，陜西西安710000)

基于路面車轍性能的長大縱坡劃分方法研究

李勇剛

(陜西省交通建設(shè)集團公司，陜西西安710000)

首先就長大縱坡路段瀝青路面損壞進行調(diào)查，然后進行車速變化和水平荷載下長大縱坡路段的路面性能分析，最后就長大縱坡劃分標準進行了研究。綜上研究，提出根據(jù)行車車速作為長大縱坡的劃分指標，優(yōu)化連續(xù)縱坡行車車速預(yù)估模型，并提出長大縱坡路段的劃分標準。

長大縱坡;車轍性能;瀝青路面;劃分方法及標準;瀝青混合料

1 長大縱坡路段損壞特點

圖1為我國一典型山區(qū)高速公路的上坡、下坡瀝青路面的損壞比例情況，可以看出上坡路段的損壞面積明顯大于下坡路段，特別是車轍和推擁病害情況，上坡路段的車轍和推擁達總病害面積的75%以上，按單位里程車轍面積計算，2%～5%縱坡路段分別是0%～2%和－5%～0%路段的4.8倍和4.7倍。

圖1 某一山區(qū)高速公路瀝青路面上坡、下坡路段各種病害比例

圖2 為我國一典型山區(qū)高速公路車轍深度隨縱坡而變化情況，可見隨著縱坡增加，瀝青路面車轍在－5%～2%內(nèi)基本接近，但一旦縱坡大于2%，車轍深度明顯增加，較－5%～2%的路段相應(yīng)值超出近1倍，且車轍波動顯著增加。

圖2 某一山區(qū)高速公路瀝青路面縱坡－車轍關(guān)系

2 瀝青路面長大縱坡路段損壞分析

長大縱坡路段是瀝青路面產(chǎn)生車轍的頻發(fā)部位，主要是由于交通荷載在這些路段的通行狀況與正常路段不同，速度逐漸降低、水平作用荷載增大，由此帶來路面材料性能變化和路面力學(xué)行為的差異，表現(xiàn)為荷載作用時間變長、瀝青混合料模量降低、結(jié)構(gòu)剪應(yīng)變的增加等，這些都不利于瀝青路面抵抗車轍變形和推擁等破壞。圖3為典型貨車在較大縱坡路段車速降低和水平荷載變化情況。

圖3 在上坡路段貨車的速度衰減與水平荷載增加情況

(1)縱坡路段車速變化對瀝青路面性能影響分析

車速對瀝青路面的結(jié)構(gòu)性能影響很大，主要是由于車速的變化會影響行車荷載作用時間，進而影響瀝青混合料性能。

可按式(1)計算得到不同車速下的等效荷載頻率

式中:hac為瀝青層厚度，mm;V為車速，km/h;f為等效荷載頻率，Hz。

按照典型半剛性結(jié)構(gòu)(15 cm瀝青層+20 cm半剛性基層+30 cm半剛性底基層)，計算某一高溫日在8∶00(日最低溫度)和14∶00(日最高溫度)時刻的溫度場下瀝青層的剪切應(yīng)變。其中瀝青層模量按照深度方向劃分為1 cm、1 cm、2 cm、2.5 cm、2.5 cm和3 cm，按AASHTO 2002動態(tài)模量預(yù)估模型，根據(jù)不同深度處的溫度和荷載頻率計算相應(yīng)動態(tài)模量;而半剛性基層和底基層分別取動態(tài)模量6 300 MPa和3 600 MPa;荷載圖式為標準100 kN雙圓荷載。

圖4 40km/h和20 km/h車速相對80 km/h時沿深度方向最大剪應(yīng)變變化情況

不同車速條件下瀝青層沿深度方向的剪應(yīng)變變化率結(jié)果見圖4。可以看出，相對于80km/h，40km/h、20km/h下結(jié)構(gòu)的最大剪應(yīng)變平均增加18.6%～23.2%、41.6%～51.8%，因此路面結(jié)構(gòu)產(chǎn)生流動剪切變形風險顯著增加，即結(jié)構(gòu)抗車轍性能下降。同時可以看出，路面體溫度越高，由于車速的降低導(dǎo)致結(jié)構(gòu)剪應(yīng)變增加越大。

(2)縱坡路段水平荷載變化對瀝青路面性能影響分析

縱坡路段水平應(yīng)力對瀝青路面性能影響可以通過路面結(jié)構(gòu)剪應(yīng)變進行分析。按照前面的典型半剛性結(jié)構(gòu)和溫度場條件，在標準100 kN雙圓荷載圖式上增加水平方向的荷載，按式(2)計算不同縱坡情況下的水平荷載

式中:P2為水平荷載，kN;f為摩擦系數(shù)，取0.2;P為軸重，100 kN;θ為縱坡坡度。

計算得到我國典型結(jié)構(gòu)在3%、5%縱坡條件下相對0%縱坡下沿深度方向最大剪應(yīng)變變化情況，結(jié)果見圖5。相對于0%縱坡，3%和5%縱坡下的結(jié)構(gòu)最大剪應(yīng)變僅增加了2.5%和4.5%。因此縱坡段水平荷載對于結(jié)構(gòu)內(nèi)部的車轍變形影響不太顯著。但是縱坡路段水平荷載對0～3.5 cm表面層剪應(yīng)變影響非常大，特別是路表面剪應(yīng)變增加顯著，3%、5%縱坡相對0%縱坡，剪應(yīng)變相應(yīng)增加8.4%～11.5%和15%～19%，因此縱坡路段水平荷載增加是導(dǎo)致這一路段產(chǎn)生推擠、擁包等淺層變形損壞的主要原因。

圖5 3%、5%縱坡在不同時刻相對0%縱坡下沿深度方向最大剪應(yīng)變變化情況

3 高速公路長大縱坡路段劃分方法和指標

長大縱坡路段是瀝青路面產(chǎn)生車轍的頻發(fā)部位，主要是速度降低、水平作用荷載增大兩方面，由前面的分析可見，兩個主要因素中速度降低影響結(jié)構(gòu)車轍深度，而水平荷載主要是影響表面層的推擁變形，而長大縱坡路段車轍破壞是主要的，因此長大縱坡路段車速對瀝青路面性能影響是最主要的因素。因此，長大縱坡對路面性能的影響，可轉(zhuǎn)化為行車車速對路面性能的影響。

縱坡上車速的變化具有連續(xù)性，在同一縱坡上，不同位置其車速是不一樣的，相應(yīng)的車轍等損壞也不一樣。圖6為高速車輛駛?cè)胍贿B續(xù)縱坡不同位置時的車速、車轍變形示意圖，車輛上坡受到重力沿縱坡方向的阻力而車速逐漸降低，在A路段，車速降低較小，整體車速仍然較高，因此A路段路面的車轍損壞很小;車輛繼續(xù)上坡，隨著爬坡距離增加車速迅速下降，到達B路段車速較低，因而B路段會產(chǎn)生一定車轍;車輛繼續(xù)爬坡，由C路段達到D路段直到連續(xù)縱坡的頂點，車速從C路段到D路段逐漸降低直到達到最低值，而相應(yīng)路面車轍逐漸增大。當車輛達到頂點繼續(xù)前進，進入一個下坡路段，此時車速開始增加，但是車速增加需要一個過程，E路段雖為下坡路段，但由于此路段車速較低，因此E路段仍然會產(chǎn)生較大的車轍變形。

長大縱坡上的車轍損壞不僅僅與作用路段的縱坡坡度有關(guān)，還與爬坡長度有關(guān)，縱坡越大、坡長越大，車轍損壞可能越大;同時還與前后多個縱坡的銜接有關(guān)。因此長大縱坡的劃分必須考慮連續(xù)縱坡的情況，通過車速連續(xù)性來描述長大縱坡路段的連續(xù)縱坡對瀝青路面的車轍影響，因此可采用車速指標來進行長大縱坡路段的劃分。

圖6 連續(xù)上坡路段貨車車速、車轍變形示意圖

4 長大縱坡路段的劃分標準

美國SHRP技術(shù)標準中根據(jù)不同路段車速進行膠結(jié)料選擇，包括標準速度(＞70 km/h，對應(yīng)正常路段)、慢速(20～70 km/h，對應(yīng)長大縱坡路段)和怠速(≤20 km/h，對應(yīng)交叉路口)三個速度標準;而AASHTO 2002路面設(shè)計指南中針對不同路段提出了4個車速標準，州際公路、州主要公路、城市道路和交叉路口對應(yīng)的車速分別為96 km/h、72 km/h、24 km/h和0.8 km/h，在結(jié)構(gòu)設(shè)計時根據(jù)此速度標準確定混合料的設(shè)計參數(shù)。此標準對于我們確定長大縱坡的劃分標準，有一定的借鑒意義。但是，一方面車速標準必須與車速的確定方法一致，另一方面SHRP中20～70 km/h范圍太寬，而且國外與我國的實際荷載情況差異較大，由于我國公路瀝青路面的重載、超載情況比較突出，因此還不能完全照搬國外的標準。

建立基于車轍性能的長大縱坡的車速劃分標準還需從車速對瀝青路面結(jié)構(gòu)性能影響進行分析、綜合考慮。圖7為某一高速上坡路段20 m一處重型貨車車速與車轍情況，根據(jù)車轍的水平，路面車轍可以分為三個區(qū)，＞70 km/h、40～70 km/h和40 km/h以下。車速＞70 km/h車轍較為集中;40～70 km/h分散增大，車轍量也增加;而車速降低到40 km/h以下，波動范圍更大，車轍明顯增加。從圖8單位里程車轍損壞面積看，車速低于40 km/h的路段車轍損壞率是40～70 km/h和＞70 km/h的6.7倍和7.9倍;單位里程推擁損壞面積看，相應(yīng)比例甚至達到11倍和19.6倍。因此可以通過調(diào)查分析確定不同條件下高速公路的車轍深度等損壞具有顯著變化的臨界車速作為長大縱坡路段的劃分標準，即連續(xù)車速低于某一車速標準值的連續(xù)路段確定為長大縱坡路段。

圖7 某一高速公路車速與車轍深度情況

圖8 某一高速公路不同車速與車轍、推擁損壞率情況

應(yīng)該說長大縱坡路段的車轍等病害不僅僅與車速有關(guān)，還與交通量、氣候條件等因素有關(guān)。因此在確定長大縱坡的劃分標準值時，需要同時考慮這些因素。通過大量數(shù)據(jù)分析，最終提出了確定長大縱坡車速劃分標準。

長大縱坡車速劃分標準值按照式(3)計算確定

式中:V為長大縱坡路段的劃分車速標準值，km/h; N為15年的交通荷載標準軸次，百萬次，范圍為6～30百萬次;Teff為年日平均溫度的等效溫度，°F，按下式(4)計算

式中:Ti為一年內(nèi)第i天的日平均氣溫，°F;n為一年內(nèi)的總天數(shù)，為365。

5 結(jié)語

長大縱坡路段是瀝青路面車轍的頻發(fā)部位，主要是速度降低、水平作用荷載增大兩方面，其中車速是長大縱坡路段瀝青路面性能的最主要影響因素。通過研究提出了基于瀝青路面車轍性能的行車車速的長大縱坡路段劃分方法和標準。

［1］中華人民共和國交通運輸部.公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范(JTG F40－2004)［S］.北京:人民交通出版社，2000.

［2］李福普，嚴二虎，等.瀝青穩(wěn)定碎石與級配碎石結(jié)構(gòu)設(shè)計與施工技術(shù)應(yīng)用指南［M］.北京:人民交通出版社，2009.

［3］沈金安，李福普，等.高速公路瀝青路面早期損壞分析與防治對策［M］.北京:人民交通出版社，2004.

A dissertaion on the delimitation method for long sustained slope based on permanent deformation of pavements

LI Yong－gang
(Shanxi Transportation Construction Group Corporation，Xi＇an，Shanxi 710000，China)

Then the change of truck speed and load is described and its impaction on rutting failure is analyzed.Finally，the study on delimitation criterion for long sustained slope sections based on permanent deformation of asphalt pavements is carried out.From the results obtained，continuous speed of heavy truck is point out to used as the delimitation criterion，a new model of continuous speed of heavy truck is developed and optimized according to permanent deformation and speed value of delimitation criterion which based on the new model is determined.

long sustained slope;permanent deformation;asphalt pavements;delimitation method and criterion;asphalt mixtures

U412

C

1008－3383(2017)04－0001－03

2016－07－05

李勇剛(1982－)，男，陜西大荔人，工程師，研究方向:道路工程。