交叉口新型抗車轍路面結構研究

趙冬漢，陳 濤

(蘇交科集團股份有限公司，南京 211112)

高溫條件下，瀝青路面在車輛荷載的反復作用下易產(chǎn)生車轍[1]。從目前干線公路和城市道路的養(yǎng)護經(jīng)驗來看，車轍仍然是最常見的瀝青路面病害之一，尤其是交叉口，車輛頻繁剎車易產(chǎn)生車轍，且比一般路段車轍病害更嚴重，影響行車舒適性和安全性，降低服務年限，交叉口車轍已成為干線公路和城市道路養(yǎng)護維修的通病[2]。

目前干線公路以雙層純?yōu)r青路面結構為主，抗車轍對策主要為添加抗車轍劑和低標號硬質瀝青等，車轍病害會在2～3年后再次發(fā)生[3]。對交叉口特殊工況針對性不足，難以有效解決交叉口特殊工況下的車轍問題。國內(nèi)外學者對交叉口車轍進行了大量研究，張尤其[4]從路面結構和材料設計入手研究交叉口，提出了在交叉口采用雙層SMA設計的建議。朱志強[5]在瀝青混合料中添加高黏、高彈改性劑，顯著提升了瀝青的動力黏度，瀝青混合料動穩(wěn)定度達到10 000次/mm以上。魏璐[6]采用半柔性路面+高模量AC20結構設計，在交叉口應用效果優(yōu)異。

為有效解決干線公路和城市道路交叉口車轍問題，本文通過研究車轍變形層位和抗車轍提升理念，對交叉口抗車轍路面結構進行優(yōu)化設計，并通過室內(nèi)試驗和實際工程檢驗，探究該結構的抗車轍性能和實際應用效果，以期為交叉口新建及養(yǎng)護提供技術思路和方案參考。

1 交叉口抗車轍路面結構優(yōu)化

1.1 交叉口車轍變形層位特點

本文在S323、S237和S222等江蘇段交叉口深車轍位置處輪跡帶進行取芯調查，并計算上下面層車轍深度變形占比。

不同層位車轍深度變形占比表示不同層位的變形對整體車轍深度的影響，可反映發(fā)生車轍變形的主要層位，變形占比Ci計算公式為

(1)

式中，Ci為車轍深度變形占比，%；Δi為第i層的變形量，cm；Δ為層厚，cm。

芯樣變形層位如表1所示。對于雙層瀝青路面結構體系，交叉口下面層的車轍深度變形占比相對較大，為61.4%，說明車轍變形主要位于下面層。上面層采用改性SMA-13，相比其他類型瀝青混合料，車轍變形相對較小，但占比也達到了35.7%，說明對于交叉口，傳統(tǒng)純?yōu)r青路面結構體系的上下面層均會產(chǎn)生較大的車轍變形。雙層瀝青路面主要在下面層產(chǎn)生變形，需重點補強，上面層也應適當補強，以提升交叉口整體的抗車轍性能。

表1 芯樣變形層位

1.2 抗車轍性能提升理念

結合國內(nèi)外關于瀝青路面車轍成因、影響因素和抗車轍性能提升相關研究成果[7-8]，提出以下交叉口瀝青路面抗車轍性能提升理念。

1.2.1 材質優(yōu)選理念

抗車轍性能提升理念首先從提升原材料性能考慮，優(yōu)選瀝青、集料和外加劑等原材料。建議選用黏度較大、軟化點較高的聚合物改性瀝青，質地堅硬、棱角性好、不易破碎的優(yōu)質石料，以及抗車轍劑、高黏劑、玄武巖纖維等外加劑，以改善瀝青混合料的力學性能，提升瀝青混合料的高溫抗車轍性能。

1.2.2 混合料性能提升理念

從混合料級配、模量、抗剪強度等角度，針對性提升混合料性能，提升路面抗車轍性能。在混合料級配方面，采用間斷級配的瀝青混合料，提高集料骨架嵌擠力，提升瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性能。在模量方面，采用高模量路面材料設計，減少瀝青混合料在高溫及荷載作用下的塑性變形量，有效提升路面抗車轍性能。在抗剪強度方面，交叉口瀝青路面在較大的水平荷載剪切力作用下易產(chǎn)生滑動或剪切現(xiàn)象，當剪切力超過瀝青混合料的抗剪強度時，易誘發(fā)瀝青混合料整體產(chǎn)生剪切流動變形，在輪跡兩側隆起。交叉口可針對性提高瀝青混合料的抗剪強度，提升路面高溫抗車轍性能。

1.2.3 路面結構優(yōu)化理念

干線公路交叉口典型路面各結構層車轍貢獻度顯示，主要車轍變形發(fā)生在下面層。因此，可通過優(yōu)化下面層材料，提升路面結構的抗車轍性能，如采用高模量瀝青混合料。同時，上面層對車轍貢獻度雖然小于下面層，但也達到了35.7%，需進一步優(yōu)化上面層材料的抗車轍性能。

1.3 抗車轍路面結構優(yōu)化設計

通過調研江蘇省典型交叉口抗車轍方案應用效果，對典型抗車轍方案應用效果和適用性進行了總結，典型交叉口抗車轍方案應用效果和適用性如表2所示。

表2 典型交叉口抗車轍方案應用效果和適用性

由表2可知，超早強半柔性路面材料和高強SMA-13技術方案在交叉口應用效果較優(yōu)，抗車轍性能保持較好。交叉口可以采用超早強半柔性路面和高強SMA-13提升抗車轍性能。

本文結合交叉口車轍變形層位特點以及混合料性能提升理念、路面結構優(yōu)化理念，將超早強半柔性路面材料應用于交叉口下面層。同時考慮交叉口特殊工況條件下，上面層抗車轍性能的提升需求。

基于材質優(yōu)選理念，采用高強SMA-13技術方案，對SMA綜合路用性能進一步優(yōu)化，實現(xiàn)上下面層的“強強聯(lián)合”路面結構，減少上下面層模量差異性對路面結構耐久性造成的影響。

2 力學響應分析

2.1 路面結構設計

為分析“強強聯(lián)合”路面結構抵抗車輛荷載變形能力，運用力學仿真模型計算豎向和水平力學響應結果，并與兩種典型交叉口抗車轍路面結構進行對比，抗車轍結構層優(yōu)化設計如表3所示。根據(jù)工程經(jīng)驗，干線公路交叉口路面結構基本設計為4 cm+8 cm。如果不同路面結構的基層和底基層結構相同，則基層為36 cm水泥穩(wěn)定碎石，底基層為20 cm水泥石灰穩(wěn)定土。

表3 抗車轍結構層優(yōu)化設計

2.2 荷載及材料參數(shù)

本文采用ABAQUS有限元仿真模擬軟件對交叉口路面結構進行仿真分析。荷載采用雙輪加載[9]，軸載為100 kN，標準軸載，接地壓力為0.77 MPa。雙輪均布荷載作用等效示意如圖1所示。

圖1 雙輪均布荷載作用等效示意(單位：mm)

輪胎行車方向的接地長度為L，通常L取0.2～0.3 m，行車的速度為V，計算得出輪胎經(jīng)過鋪裝層表面某點的時間。不同行車速度下單次荷載作用時間如表4所示。

表4 不同行車速度下單次荷載作用時間

車輛在靜止和勻速行駛時不考慮輪胎對地面的水平作用力，僅考慮0.77 MPa豎向接地壓力。當車輛啟動或制動時，車輛輪胎對地面產(chǎn)生與行車方向平行的水平摩擦荷載，豎直方向對地面產(chǎn)生的荷載大小不變。車輛啟動時，假定加速度為2.5 m/s2，計算可得對應的標準軸載對地面的水平作用力為0.19 MPa；車輛制動的減速度為6 m/s2，對應的標準軸載對地面的水平作用力為0.46 MPa[10]，有限元模型結構如圖2所示。

圖2 有限元模型結構

根據(jù)室內(nèi)動態(tài)模量試驗結果，結合行車速度對材料進行相應的參數(shù)標定，基層底層和土基的模量、泊松比選用工程典型值。各結構層材料彈性模量及泊松比如表5所示。

表5 各結構層材料彈性模量及泊松比

2.3 豎向力學響應

豎向力學響應主要表征不同行車速度和荷載作用下的路面豎向壓應變情況，反映路面結構的豎向力學性能。對3種路面結構層有限元模型施加標準軸載，分析各結構在不同荷載作用下的豎向壓應變情況，不同行車速度下路面結構的豎向壓應變?nèi)鐖D3所示。

(a) 80 km/h

(b) 40 km/h

(c) 20 km/h

(d) 0 km/h圖3 不同行車速度下路面結構的豎向壓應變

由圖3可知，行車速度為0～80 km/h時，同一種路面結構，車速越大，豎向壓應變越小。結構Ⅱ整層的豎向壓應變值基本處于較高水平，其上面層的壓應變數(shù)值比其他兩種結構大，下面層在4～6 cm 深度處豎向壓應變較大，6～12 cm深度處的壓應變數(shù)值與其他兩種結構相當。結構Ⅰ在3種結構中表現(xiàn)優(yōu)異，在各行車速度下其在面層底部的豎向壓應變值均最小，表明結構Ⅰ具有優(yōu)異的抗車轍性能。

2.4 水平力學響應

水平力學響應分析考慮車輛在啟動和制動時對路面產(chǎn)生的剪切應力，剪切應力是造成路面產(chǎn)生車轍的重要原因，本文對3種路面結構施以相同條件的豎向和水平荷載，檢驗路面結構的抗剪性能。不同狀態(tài)下路面結構的水平剪應變?nèi)鐖D4所示。

(a) 車輛制動

(b) 車輛啟動圖4 不同狀態(tài)下路面結構的水平剪應變

由圖4可知，在車輛制動和啟動2種狀態(tài)下，3種設計結構沿深度方向的水平剪應變的變化規(guī)律相同，隨著深度加深，水平剪應變逐漸減??；結構Ⅰ和結構Ⅲ的水平剪應變明顯小于結構Ⅱ。

路表水平位移值如圖5所示。3種結構中，結構Ⅱ的路表水平位移值最大，結構Ⅰ和結構Ⅲ的路表水平位移值明顯較小，即在路面使用過程中會產(chǎn)生較小的永久變形量和滑移值，表明結構Ⅰ和結構Ⅲ抗車轍性能較優(yōu)。

圖5 路表水平位移值

基于豎向力學響應和水平力學響應分析結果，結構Ⅰ的豎向壓應變和水平位移值較小，抵抗車輛荷載變形能力較好。

3 室內(nèi)性能試驗

3.1 高強SMA-13

3.1.1 原材料

原材料包括玄武巖粗集料、玄武巖細集料、高黏改性瀝青、礦粉、纖維和抗剝落劑[11]。

3.1.2 馬歇爾試驗結果

根據(jù)SMA配合比設計流程確定級配和最佳油石比。本文以最佳油石比6.2%成型馬歇爾試件，高強SMA-13馬歇爾試驗結果如表6所示。本文相關參數(shù)的技術指標參考《半柔性路面應用技術指南》[12]。

表6 高強SMA-13馬歇爾試驗結果

3.1.3 路用性能

為研究高強SMA-13路用性能，對其進行車轍試驗、低溫彎曲試驗和水穩(wěn)定性試驗。高強SMA-13 路用性能如表7所示。高強SMA-13動穩(wěn)定度達到12 740次/mm，與常規(guī)SMA-13動穩(wěn)定度6 000～8 000次/mm相比，高溫性能提升效果顯著。

表7 高強SMA-13路用性能

3.2 超早強半柔性路面材料

3.2.1 原材料

大空隙基體瀝青混合料原材料包括石灰?guī)r集料、SBS改性瀝青和礦粉，灌漿料采用超早強水泥基灌漿料。超早強型水泥基灌漿料路用性能如表8所示。超早強水泥基灌漿料路用性能均滿足相關指標要求，其流動度較大，干縮率較小，可有效提高灌漿率和施工效率。

表8 超早強型水泥基灌漿料路用性能

3.2.2 大空隙基體瀝青混合料

大空隙基體瀝青混合料參考《半柔性路面應用技術指南》[12]進行設計，基于選定的級配和油石比3.2%，對大空隙基體瀝青混合料的體積指標進行驗證，大空隙基體瀝青混合料體積指標如表9所示，其相關指標均滿足技術要求。

表9 大空隙基體瀝青混合料體積指標

按照推薦水灰比配制灌漿料進行灌漿、養(yǎng)生、成型，制作超早強型半柔性路面材料，并測定其高溫穩(wěn)定性能和水穩(wěn)定性能，超早強半柔性路面材料路用性能如表10所示。超早強半柔性路面材料動穩(wěn)定度為37 406次/mm，遠大于純?yōu)r青混合料，高溫性能較優(yōu)。

表10 超早強半柔性路面材料路用性能

4 工程應用

4.1 試驗段概況

江蘇省某新建一級公路工程，設計最大交通量為43 800 pcu/d，交叉口交通量較大，路面抗車轍需求突出。交叉口原路面設計結構為4 cm改性SMA-13+8 cm AC-20C(加抗車轍劑)，根據(jù)以往工程養(yǎng)護設計經(jīng)驗，該路面結構難以滿足交叉口的抗車轍需求。選擇某交叉口鋪筑了“強強聯(lián)合”路面結構試驗段，試驗段路面結構為4 cm 高強SMA-13+8 cm 超早強SFP-20。

4.2 跟蹤觀測

試驗段通車2年后，對現(xiàn)場車轍深度進行了檢測，檢測路段包括試驗段交叉口、同向相鄰交叉口和對面反向交叉口。其中，同向相鄰交叉口和對面反向交叉口為原設計結構，現(xiàn)場車轍檢測位置示意如圖6所示。現(xiàn)場檢測不同位置車轍深度如表11所示。

圖6 現(xiàn)場車轍檢測位置示意

表11 現(xiàn)場檢測不同位置車轍深度 (mm)

由表11可知，試驗段車轍深度均值為4.5 mm，同向相鄰交叉口車轍深度均值為8.9 mm，對面反向交叉口車轍深度均值為11.2 mm。與其他兩個交叉口相比，試驗段車轍深度明顯較淺，路面狀況保持較好，同時現(xiàn)場檢測未見其他明顯病害。檢測結果表明，與原設計結構相比，“強強聯(lián)合”路面結構抗車轍性能較好，路面狀況較好。

對面反向交叉口第一車道(左轉道)現(xiàn)場檢測車轍深度較大，為12.1 mm，分析原因為該車道為左轉車道，左轉車輛中重載大型貨車占比較大，加速了車轍發(fā)展。

4.3 經(jīng)濟性簡析

與常規(guī)SMA-13相比，高強SMA-13成本差異主要為高黏改性瀝青，生產(chǎn)、施工成本無明顯差異，總成本提高約6%～7%。超早強半柔性路面下面層分為基體瀝青混合料和超早強灌漿料，與改性AC-20(加抗車轍劑)相比，成本差異主要為基體瀝青混合料減少了瀝青用量，未使用抗車轍劑，但增加了超早強灌漿料用量。綜合來看，與原設計結構相比，試驗段“強強聯(lián)合”路面結構成本提高50%左右。

根據(jù)相關的工程經(jīng)驗，交通量較大的交叉口，在夏季高溫條件下，2～3年常規(guī)瀝青結構路面車轍可達10 mm，在建設成本提高50%的條件下，以10 mm為閾值，若試驗段“強強聯(lián)合”路面結構的抗車轍結構壽命達到3～4年，經(jīng)濟效益即可達到原設計結構，當壽命超過3～4年，經(jīng)濟效益即可超過原設計結構。目前“強強聯(lián)合”路面結構在工程中應用較少，其實際壽命難以預測，但從工程經(jīng)驗來看，常規(guī)半柔性路面抗車轍壽命較長，且目前試驗段通車2年，經(jīng)歷夏季高溫氣候考驗后，車轍發(fā)展速率相對較慢，抗車轍效果遠優(yōu)于原設計結構。因此，從工程經(jīng)驗來看，“強強聯(lián)合”路面結構經(jīng)濟效益可有效保障，后續(xù)需對路況進一步跟蹤觀測。

5 結論

本文基于交叉口車轍變形層位和抗車轍提升理念，對交叉口路面結構進行了優(yōu)化設計，通過室內(nèi)試驗和試驗段鋪筑，檢驗“強強聯(lián)合”路面結構的抗車轍性能，并對其經(jīng)濟性進行分析，主要結論如下：

(1) 高強SMA-13動穩(wěn)定度為12 740次/mm，超早強SFP-20動穩(wěn)定度為37 406次/mm，均超過常規(guī)瀝青混合料水平，表現(xiàn)出優(yōu)異的高溫穩(wěn)定性。

(2) “強強聯(lián)合”路面結構豎向壓應變和水平位移值較小，抵抗車輛荷載變形能力較好。

(3) 試驗段通車2年后，與原設計結構相比，“強強聯(lián)合”路面結構車轍深度明顯較小，路面狀況保持較好。

(4) “強強聯(lián)合”路面結構抗車轍性能優(yōu)異，且從工程經(jīng)驗來看，經(jīng)濟效益可有效保障。