山區(qū)高速公路長大縱坡全路幅瀝青路面使用性能的衰減規(guī)律研究

禹海偉 羅雅丹 李江濤 陸久飛

(1.云南省交通規(guī)劃設計研究院有限公司 昆明 650000； 2.中國電建集團昆明勘測設計研究院有限公司 昆明 650000)

在我國西南山區(qū)，長大縱坡是高速公路最常見的縱坡形式之一。由于其坡段長、坡度大的特點，使爬坡車輛行駛速度減慢，車輛荷載對路面作用時間增長[1]，加之瀝青的“時溫等效”效應的影響，使瀝青與集料黏附性減弱，降低了瀝青混合料抵抗塑性變形的能力，因此較其他路段更容易產生車轍等路面病害[2]。目前，對于長大縱坡的研究主要集中于對長大縱坡路段爬坡路幅車轍病害和長大縱坡施工工藝[3-4]的研究，且研究成果大多基于室內試驗和數(shù)值模擬得出，缺少與實際工程之間的有效結合，研究結論還需進一步驗證[5]。基于檢測指標對下坡路幅及路面整體使用性能指標的研究較少。然而，檢測數(shù)據(jù)顯示，下坡幅路面使用性能的衰減同樣明顯，且個別關鍵指標的衰減程度大于上坡幅，指標的衰減也呈現(xiàn)一定的規(guī)律。因此，本文利用高速公路渠化交通的特點，對云南省某山區(qū)高速公路具有代表性的幾段長大縱坡爬坡幅和下坡幅的路面使用性能衰減規(guī)律進行研究，并結合駕駛員駕駛習性進行分析，研究山區(qū)高速公路長大縱坡全路幅的瀝青路面使用性能衰減特性。

1 工程概況

元磨高速公路是昆明至曼谷國際大通道的重要組成部分，也是國道213線云南省境內的一段，是云南省南部各地的經濟運輸大動脈。在東南亞地區(qū)，更是中國云南與緬甸、老撾、泰國及整個東南亞進行經濟貿易往來的國際運輸大通道。元磨高速公路主要技術指標見表1。

表1 元磨高速主要技術指標表

2 路面使用性能衰減性分析

為更好地研究長大縱坡路段路面使用性能的衰變規(guī)律，本文挑選了元磨高速公路中相鄰的2段長大縱坡作為研究對象。研究段落的交通量、氣候分區(qū)、平面線型相同，經大、中修后，路面結構均為：4 cm改性瀝青AC-13C上面層+5 cm改性瀝青AC-20C中面層+6 cm基質瀝青AC-25C下面層+34 cm水泥穩(wěn)定碎石基層+15 cm級配碎石底基層。研究路段坡長及平均縱坡坡度見表2。

表2 研究路段參數(shù)表

此次研究的路面使用性能數(shù)據(jù)為2018-2020年度路面使用性能定期檢測數(shù)據(jù)。路面病害(PCI)、平整度(RQI)、車轍(RDI)指標的檢測設備為多功能檢測車，采用高速攝像機檢測病害，采用激光檢測平整度和車轍；抗滑指標(SRI)的檢測設備為英國Mu-meter雙輪式橫向力檢測車，檢測車道分幅各1條主要行車道。研究路段路面使用性能檢測結果見圖1。

圖1 研究路段檢測周期使用性能檢測結果

顯然，雖然每個檢測周期的檢測結果均有不同，但各段落路面使用性能在3年檢測周期內均有不同程度的衰減。為量化分析路面使用性能衰變規(guī)律，結合幾種典型的衰變模型進行分析，分別是線性函數(shù)、S形曲線函數(shù)、多項式函數(shù)、指數(shù)型函數(shù)及對數(shù)型函數(shù)[6]。由于本文研究數(shù)據(jù)為3年周期，因此二次多項式可準確擬合3年的路面使用性能指數(shù)PQI數(shù)據(jù)。但若要對各段落衰變速率進行比較分析，則需選擇單一自變量函數(shù)。通過對以上4個段落采用幾種單一自變量函數(shù)回歸后，確定對數(shù)函數(shù)為整體相關性最高的回歸函數(shù)。研究路段檢測周期內PQI指標擬合結果見表3。

表3 研究路段檢測周期PQI擬合結果

以上擬合曲線在檢測周期內均為單調遞減，因此對數(shù)函數(shù)擬合公式中的自變量系數(shù)可表征PQI的衰減速率。結合數(shù)據(jù)擬合結果進一步分析，檢測周期內研究路段衰減性參數(shù)見表4。

表4 研究路段PQI衰減性參數(shù)表

由表4數(shù)據(jù)可知，長縱1路面使用性能衰減速率大于長縱2，下坡幅衰減速率大于爬坡幅，衰減幅度也呈現(xiàn)同樣的規(guī)律。為了深入分析原因，以下對影響路面使用性能權重最大的2個分項指標PCI(權值0.35)和RQI(權值0.3)進行分析[7-8]，分析數(shù)據(jù)見表5。

表5 研究路段PCI和RQI衰減性參數(shù)表

由表5可知，同路段分析，長縱1的PCI指標整體衰減速率小于長縱2，長縱1的RQI指標整體衰減速率大于長縱1，衰減幅度均隨著衰減速率的減小而減小，但規(guī)律不明顯。由于高速公路的渠化交通特性，同路段不同路幅的交通量并不相同，因此深入分析后同路段檢測數(shù)據(jù)并未呈現(xiàn)明顯規(guī)律。因此，以下將交通量特性相同的同路幅段落歸為一類，并對不同路幅路面使用性能指標的變化情況進行分析，得到以下結論。

1) 從指標均值來看，爬坡幅的PCI和RQI指標普遍大于下坡幅。

2) 爬坡幅與下坡幅的PCI指標衰減速率和衰減幅度相當。

3) 爬坡幅的RQI指標衰減速率約為下坡幅的1/3，衰減幅度約為下坡幅的1/2.8。

3 衰減原因分析

以上數(shù)據(jù)顯示，隨著公路運營時間增長，各個研究路段的路面使用性能指標均有不同程度的下滑。影響路面使用性能的2個關鍵指標的分析結果顯示，下坡幅RQI指標的衰減速率和衰減幅度明顯大于爬坡幅，而不同路幅的PCI指標的衰減性基本相當。由此可知，車輛對長大縱坡下坡段路面平整度的影響明顯大于車輛對路面損壞狀況的影響。雖然長大縱坡爬坡幅車輛行駛速度減慢，致使車輛對路面的持續(xù)荷載作用時間增長，從而對路面車轍指標產生影響，但車轍指標在路面使用性能中的權重僅為0.15，因此對整體PQI的影響并不明顯。下坡幅雖然車轍指標相對較好，但由于駕駛員出于安全考慮的頻繁點剎和不同力度的持續(xù)剎車，使路表承受瞬時沖擊力，導致路面使用性能中權重最大的RQI指標大幅下滑，進而出現(xiàn)了下坡幅路面使用性能衰減更嚴重的現(xiàn)象。

為驗證駕駛員頻繁點剎和不同力度的持續(xù)剎車導致長大縱坡下坡幅路面使用性能下滑，我方在檢測過程中對經停服務區(qū)或停車區(qū)的車輛進行了問卷調查，詢問駕駛員職業(yè)、駕齡及駕駛習慣等信息，整理后的調查結果見表6。

表6 研究路段車輛駕駛習性調查結果匯總表

由表6調查結果可見，雖然不同車型在長大縱坡爬坡幅行駛時均有不同程度的減速，但駕駛員都有入坡前的提前加速行為，以減小爬坡過程的速度衰減。下坡幅的車輛均有入坡前的減速行為，駕駛員在下坡過程中均通過點剎或不同力度的持續(xù)剎車維持低于入坡前的駕駛速度。由于點剎及不同力度剎車過程中車輛的變速運動，導致車輪輪胎表面對路表產生不同程度的沖擊力，隨著這種沖擊力作用次數(shù)的增加，導致瀝青路面局部推移或出現(xiàn)坑槽等嚴重影響RQI指標的病害?，F(xiàn)場病害調查數(shù)據(jù)顯示：長縱1和長縱2爬坡幅均未出現(xiàn)坑槽病害，但下坡幅僅2018年度就有4處，且集中于下坡幅前半段。這進一步驗證了下坡幅由于車輛點剎和不同力度剎車對RQI指標的影響大于爬坡幅，因此路面使用性能總體指標的衰減速度及衰減幅度也大于爬坡幅。

路面使用性能的衰減受車輛荷載、車輪作用、沿線氣候等多種因素影響。雖然本文已選出2段縱坡坡度相等、交通量相同、平面線型相同的路段進行比較研究，但由于研究條件限制，采用現(xiàn)場問卷調查驗證檢測結果的方式仍有一定局限性。

4 結語

基于對元磨高速3年路面使用性能檢測周期的檢測數(shù)據(jù)及現(xiàn)場問卷調查數(shù)據(jù)，對山區(qū)高速公路長大縱坡路段的使用性能衰減原因進行研究，并著重分析了以往研究較少的長大縱坡路段下坡幅使用性能的衰減原因。研究發(fā)現(xiàn)：

1) 爬坡幅與下坡幅的PCI指標衰減速率和衰減幅度相當，但下坡幅的RQI指標衰減速率和衰減幅度明顯大于爬坡幅。

2) 經問卷調查及病害調查數(shù)據(jù)分析，下坡幅RQI衰減速率和衰減幅度大的原因主要是駕駛員在下坡幅行駛時出于安全考慮的點剎及不同力度剎車減速，致使行駛中的車輛輪胎對路面產生不同程度的沖擊力，從而使路面局部推移和出現(xiàn)坑槽等病害，影響RQI指標，使其衰減性明顯強于爬坡幅。