基于車轍量預估的路面設計方案比選

朱金鵬

（山西省交通科學研究院，山西 太原 030006）

瀝青路面是我國高速公路路面結構的主要類型，具有行車舒適性好，施工養(yǎng)護方便等特點。車轍是影響瀝青路面使用性能的主要病害類型，特別是在重載地區(qū)路面，車轍深度深、范圍廣，一旦車轍內積水，將會嚴重影響到車輛的行駛安全。因此，對路面車轍量進行科學合理的預估，根據車轍預估量，調整路面結構，形成基于車轍預估量的路面設計方法，具有重要的意義。

瀝青路面車轍預估模型可以采用兩種方法建立。一種是材料性能試驗與路面結構力學分析結合的方法，按分層應變總和法預估瀝青混合料層的永久變形。另一種是經驗法，直接利用多年積累的觀測資料，由統(tǒng)計分析建立車轍量與有關影響變量之間的回歸關系式。利用所建立的預估模型可以分析得到瀝青混合料層的永久變形量。但如果預估量超出路面使用性能所能容許的數(shù)值時，路面結構設計所能改進的只是變更瀝青混合料層厚度，而這種變更對于減少永久變形量的效果有限，這時，主要依靠改變?yōu)r青混合料的組成來滿足使用性能的要求。因此，對于控制永久變形而言，理想的方案是一方面可以判別瀝青混合料的抗永久變形能力，以便組成抗永久變形性能好的瀝青混合料，另一方面能預估出瀝青混合料層的永久變形量，以判別是否滿足路面使用性能的要求[1]。

1 車轍預估模型的建立

白琦峰等人通過選用AC-16和AC-20兩種普通瀝青混合料與AC-13和AC-20兩種改性瀝青混合料以及3種瀝青混合料層厚度（5 cm、10 cm和18 cm），組成不同材料和層厚的22種路面結構組合，分別按美國力學經驗法路面設計指南的永久應變預估模型和分層應變總和法，計算不同當量溫度（15℃、20℃、25℃、30℃和35℃）和不同作用軸次（200萬、500萬、1000萬和1200萬）情況下各結構組合（共600個工況）的永久變形量（車轍量）。同時，對4種瀝青混合料進行輪轍儀實驗，得到相應的輪轍量[2]。研究表明，采用相同瀝青混合料配合比進行輪轍試驗所測得的車轍量與實際瀝青路面車轍量之間存在著良好的相關關系。基于輪轍試驗結果的車轍量預估模型如式（1）、式（2）所示。

式中：Ra為瀝青混合料層永久變形量，mm；Rai為第i分層永久變形量，mm；n為分層數(shù)；Tpef為瀝青混合料層永久變形等效溫度，℃；pi為瀝青混合料層第i分層頂面豎向壓應力，MPa；Ne3為設計使用年限內，設計車道上當量設計軸載累計作用次數(shù)；hi為第i分層厚度，mm；h0為車轍試驗試件的厚度，mm；R0i為第i分層瀝青混合料在試驗溫度為60℃，壓強為0.7 MPa，加載次數(shù)為2520次時，車轍試驗永久變形量，mm；kRi為綜合修正系數(shù)。

zi為瀝青混合料層第i分層深度，mm；ha為瀝青混合料層厚度，mm.

Tpef為瀝青混合料層等效溫度，℃；ha為瀝青混合料層厚度，mm；Tε為基準等效溫度。

2 路面結構及參數(shù)

本文以陽蟒（陽城-蟒河）高速公路瀝青路面設計為例，通過車轍預估模型，對擬定的路面結構進行比選。陽蟒高速承擔著晉煤外運的任務，設計軸載6.76×107次，屬極重交通，對于路面的抗車轍性能具有較高的要求。本項目擬定了半剛性基層瀝青路面和柔性基層瀝青路面兩種路面結構，針對這兩種路面結構進行車轍量預估，以此分析對比柔性基層與半剛性基層的抗車轍性能，并推薦適宜陽蟒高速的路面結構，初擬路面結構如表1所示。

表1 陽蟒高速初擬路面結構

路面計算參數(shù)采用山西省以往高速公路材料試驗結果和現(xiàn)行規(guī)范中的參考值進行綜合分析后確定，見表2。

表2 路面結構計算參數(shù)

3 路面結構力學響應分析

輪載作用于路面結構上，向路面結構施加豎直方向上的壓應力，壓應力過大將導致路面結構出現(xiàn)較大的變形而產生車轍，對于多層結構而言，由于無法做到完全連續(xù)以及模量的突變，會在各分層頂面出現(xiàn)較大的豎向壓應力，因此計算路面結構各分層頂面的豎向壓應力并以此作為路面車轍量預估的參數(shù)是比較合理的。

本文采用雙圓均布荷載作用下的彈性層狀體系理論，利用BISAR程序分別計算在標準軸載BZZ-100的荷載條件下，A、B、C三點的最大力學響應量。相比其他方法，BISAR程序計算簡單高效，分析結果接近實際，特別是對于多層彈性體系具有明顯的適應性。力學響應計算點位如圖1所示。

圖1 力學響應計算點位置示意圖

柔性基層瀝青路面計算結果如表3所示。

表3 柔性基層瀝青路面計算結果

半剛性基層瀝青路面計算結果如表4所示。

表4 半剛性基層瀝青路面計算結果

從計算結果可以看出，無論柔性基層還是半剛性基層，豎向應力的最大點都位于雙圓均布荷載的荷載中心下部，因此本文選取A點的豎向壓應力作為預估路面車轍量的力學響應。不同層位處柔性基層的最大豎向壓應力要略大于半剛性基層，但差異不明顯。這可能是由于AC-25瀝青混合料的模量較小，分散應力的作用較ATB-30瀝青碎石更加明顯，導致中下面層的層頂豎向壓應力較柔性基層略小。

4 輪轍試驗及結果

按照各瀝青層的目標配合比，以輪碾法成型瀝青混合料試件，進行車轍試驗。標準車轍試驗溫度為60℃，壓強為0.7 MPa，試件厚度為50 mm，記錄加載次數(shù)為2520次時，車轍試驗的永久變形量，試驗結果如表5所示。

表5 不同混合料類型車轍試驗永久變形量 mm

5 車轍量預估結果

根據預估模型，將輪轍試驗結果與路面力學響應分析結果代入式（2）中可以得到表6所示的預估。

表6 不同路面類型的車轍量預估

從計算結果可以看出，柔性基層路面的車轍量小于半剛性基層路面。這是由于ATB-30瀝青碎石相較AC-25瀝青混合料的高模量、高層厚，在層頂豎向壓應力相差不大的情況下，其抗車轍性能優(yōu)于AC-25瀝青混合料。不僅如此，作為柔性基層，ATB-30瀝青碎石上基層還承擔起了抗疲勞開裂與防止半剛性基層反射裂縫的任務，適應地基變形能力也強于半剛性基層，能夠有效地減少路面車轍量，防止反射裂縫，提高路面疲勞壽命。因此本項目最終選擇柔性基層瀝青路面作為路面設計推薦方案。

6 結論

本文以陽蟒高速公路瀝青路面設計為例，分析了車轍預估的必要性與建立方式，提供了可供借鑒的車轍量預估方法，預估了柔性基層和半剛性基層兩種瀝青路面結構的車轍量。預估結果表明，柔性基層瀝青路面的車轍量明顯小于半剛性基層瀝青路面，加之柔性基層瀝青路面能防止反射裂縫的特點，因而具有廣闊的應用空間。