楊 濤, 李植淮,崔志勇,關(guān)宏信,單 楠,
(1.長沙理工大學(xué),湖南 長沙 410004;2.溫州市交通投資集團(tuán)有限公司,浙江 溫州 325003;3.中國路橋工程有限責(zé)任公司,北京 100011;4.河北省高速公路管理局,河北 石家莊 050051;5.廣東省長大公路工程有限公司,廣東 廣州 510620)
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不同交通量下瀝青面層整體動穩(wěn)定度控制標(biāo)準(zhǔn)確定方法探討
楊濤1,2, 李植淮3,崔志勇4,關(guān)宏信1,單楠1,
(1.長沙理工大學(xué),湖南長沙410004;2.溫州市交通投資集團(tuán)有限公司,浙江溫州325003;3.中國路橋工程有限責(zé)任公司,北京100011;4.河北省高速公路管理局,河北石家莊050051;5.廣東省長大公路工程有限公司,廣東廣州510620)
為了便于對不同交通量下半剛性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)的抗車轍性能進(jìn)行控制,在某高速公路改擴(kuò)建工程選取不同路段(交通量不同)、不同車轍深度處進(jìn)行了全厚式瀝青面層現(xiàn)場取樣,并模擬實(shí)際路面內(nèi)部的溫度場對現(xiàn)場取樣進(jìn)行了全厚式車轍試驗(yàn);分析了動穩(wěn)定度與取樣處主車道車轍深度的關(guān)系,為各路段確定了適應(yīng)已通行交通量的動穩(wěn)定度控制標(biāo)準(zhǔn),即15mm車轍深度對應(yīng)的動穩(wěn)定度;收集和計算了各路段已通行的累計當(dāng)量軸次,分析了各路段動穩(wěn)定度控制標(biāo)準(zhǔn)與累計當(dāng)量軸次的關(guān)系,得到了兩者的擬合方程。利用該擬合方程,為重交通等級公路推薦了瀝青路面的整體動穩(wěn)定度控制標(biāo)準(zhǔn)。最后,總結(jié)提出了不同交通量下瀝青面層整體動穩(wěn)定度控制標(biāo)準(zhǔn)的確定方法。
道路工程;瀝青面層;確定方法;動穩(wěn)定度控制標(biāo)準(zhǔn);取樣;交通量
目前我國通過車轍試驗(yàn)來檢驗(yàn)瀝青混合料的動穩(wěn)定度是否達(dá)標(biāo),但這并不能反映瀝青面層整體抗車轍性能的好壞。將瀝青面層甚至路面當(dāng)作一個整體,直接測試其抗車轍性能是最直接的方法,其中環(huán)道試驗(yàn)、直道試驗(yàn)和可移動式加速加載試驗(yàn)是最有效的方法[1-3]。但是,這些試驗(yàn)設(shè)備數(shù)量有限,費(fèi)用高昂,而且多用于對比不同路面結(jié)構(gòu)車轍深度隨加載次數(shù)的發(fā)展規(guī)律。車轍試驗(yàn)(也稱輪轍試驗(yàn))是我國規(guī)范規(guī)定的測試單層瀝青混合料抗車轍性能的方法,試驗(yàn)設(shè)備已經(jīng)在工程單位得到普及,將該設(shè)備加以改進(jìn),增加設(shè)備的凈空高度并增設(shè)溫度梯度控制系統(tǒng)[4],即可以用作多層式瀝青面層組合結(jié)構(gòu)的車轍試驗(yàn)[5]。但要實(shí)現(xiàn)對瀝青面層結(jié)構(gòu)整體抗車轍性能的控制,除了需要測試瀝青面層結(jié)構(gòu)的整體動穩(wěn)定度外(關(guān)宏信[4]、石立萬[6]、張倩[7]等開展過溫度梯度下多層式瀝青混合料試件的車轍試驗(yàn)),還需要設(shè)定動穩(wěn)定度控制標(biāo)準(zhǔn)(關(guān)宏信曾經(jīng)進(jìn)行過有益探索[8-9],但推薦的瀝青面層結(jié)構(gòu)的整體動穩(wěn)定度只適用于該文依托工程的交通狀況)。我國規(guī)范目前只對瀝青混合料設(shè)定了動穩(wěn)定度控制標(biāo)準(zhǔn),還沒有為瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)定動穩(wěn)定度控制標(biāo)準(zhǔn),而且我國規(guī)范設(shè)定的瀝青混合料的動穩(wěn)定度控制標(biāo)準(zhǔn)與交通量無關(guān)。實(shí)際上,交通量大小直接影響車轍深度及其發(fā)展,那么動穩(wěn)定度控制標(biāo)準(zhǔn)也應(yīng)該與交通量大小有關(guān),而在這方面國內(nèi)外還鮮有研究報道。
本文將以某高速公路改擴(kuò)建工程為依托,通過現(xiàn)場取樣測試全厚式瀝青面層試件的整體動穩(wěn)定度,再結(jié)合該工程的交通狀況和已經(jīng)出現(xiàn)的車轍深度,來綜合分析不同交通狀況下瀝青面層的動穩(wěn)定度控制標(biāo)準(zhǔn)。
某高速公路于1997年12月建成通車,當(dāng)時路面結(jié)構(gòu)為4cmSLH-20+5cmLH-30+6cmLH-35+19cm水泥穩(wěn)定碎石+34cm二灰土。通車7a后路面產(chǎn)生了較為嚴(yán)重的病害,在2005—2006年進(jìn)行了大修,加鋪了4cm的改性瀝青AC-13F。2013年初,該高速公路改擴(kuò)建工程正式啟動。
封閉交通后的路況調(diào)查發(fā)現(xiàn),該高速公路部分路段存在不同嚴(yán)重程度的車轍病害。為了達(dá)到本文的研究目的,按照“光照條件相同以使路面內(nèi)部溫度場相同,無長大縱坡以使車輛行駛速度相當(dāng),各路段兩端有互通出入口以保證各路段之間交通量有別”的原則,筆者在該高速公路選擇了5個不同的路段,并在每個路段按照不同的車轍深度范圍選擇了7~8個取樣點(diǎn)位置(橫斷面),即車轍深度范圍分別為0~5mm,5~10mm,10~15mm,15~20mm,20mm以上。各路段取樣點(diǎn)所在橫斷面主車道車轍深度測試值見表1。按照選定的取樣橫斷面,在其硬路肩切割和開挖路面;考慮平行試驗(yàn)的需要,將現(xiàn)場選取全厚式板式試件的平面尺寸為70cm×70cm,運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室后再切割成4塊30cm×30cm尺寸的試件,現(xiàn)場取樣圖片如圖1所示。
圖1 現(xiàn)場取樣Fig.1 Excavating sample on site表1 各取樣橫斷面主車道車轍深度Tab.1 Rut depths in cross-section of main lane forexcavating sample
區(qū)間段各取樣點(diǎn)所在橫斷面主車道車轍深度/mm12345678路段14.36.17.59.111.513.214.5—路段23.247.39.71112.516.818路段34.15.28.71317.221.522.5—路段43.84.29.112.313.116.717.3—路段54.97.68.912.117.820.221—
目前我國規(guī)范尚沒有制訂瀝青面層結(jié)構(gòu)車轍試驗(yàn)方法,也沒有規(guī)定相應(yīng)的試驗(yàn)設(shè)備。筆者長期從事瀝青面層結(jié)構(gòu)抗車轍性能研究,并且自行研制了一臺適用于多層式試件的車轍試驗(yàn)機(jī)(見圖2)。該設(shè)備的試驗(yàn)輪與試驗(yàn)箱底板之間的凈空達(dá)到30cm,而且能夠在全厚式試件內(nèi)部形成自上而下的溫度梯度[4]。本文就采用該試驗(yàn)機(jī)對現(xiàn)場所取全厚式試件進(jìn)行車轍試驗(yàn)。
圖2 試驗(yàn)設(shè)備Fig.2 Testing equipment
試件內(nèi)部溫度場控制方法與文獻(xiàn)[4]相同,即在4層式試件與鋼模之間的4個側(cè)面用隔熱材料進(jìn)行隔溫(隔絕試件側(cè)面與熱風(fēng)之間的熱交換),將鋼模放置在水槽中(水槽中水不能沒過鋼模底板),水槽中的水通過水循環(huán)維持在設(shè)定的溫度;鋼模頂部直接暴露在試驗(yàn)機(jī)的熱風(fēng)環(huán)境,維持在設(shè)定的溫度。
筆者曾于2013年7月7日在依托工程現(xiàn)場埋設(shè)了溫度傳感器(見圖3),對瀝青面層內(nèi)部的溫度場進(jìn)行了實(shí)測,測試前當(dāng)?shù)匾呀?jīng)連續(xù)晴熱多日,當(dāng)天最高氣溫為36 ℃,溫度場測試結(jié)果見圖4??紤]到依托工程所在地極端最高氣溫曾達(dá)到43.3 ℃,而且我國目前在確定瀝青混合料車轍試驗(yàn)溫度時也采用相對極端溫度(沒有考慮路面實(shí)際溫度在不同季節(jié)的區(qū)別),可以理解為代表溫度,因此本文在室內(nèi)車轍試驗(yàn)時采用的代表溫度場是:19cm厚試件的表面溫度為60 ℃,試件底面溫度為45 ℃。
圖3 瀝青層內(nèi)部溫度場實(shí)測Fig.3 On-site testing internal temperature field of asphalt layer
圖4 取樣處瀝青面層內(nèi)部實(shí)測溫度場Fig.4 Measured temperature field in asphalt surface course at sample cutting transect
目前我國規(guī)范推薦的輪碾成型機(jī)是為單層瀝青混合料車轍試驗(yàn)而配套開發(fā)的,其最大壓實(shí)厚度有限。為此,筆者改進(jìn)了常規(guī)的輪碾成型機(jī)(見圖2),增加了其碾壓凈空高度,能夠壓實(shí)厚度達(dá)到30cm的試件。
利用上述試驗(yàn)設(shè)備,參考程小亮等的相似性分析結(jié)果[10],在0.7MPa輪壓、42次/min往返速度下對現(xiàn)場取回的4層式試件進(jìn)行了溫度梯度下的車轍試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果見圖5。
圖5 取樣的動穩(wěn)定度與取樣處主車道車轍深度Fig.5 Dynamic stability of samples and rut depth at sample cutting transect of main lane
由圖5可見:
(1) 同一路段主車道內(nèi)的車轍深度增加時,其對應(yīng)路肩瀝青面層的整體動穩(wěn)定度隨之變小。這表明了瀝青路面沿道路縱向的抗車轍性能并非一成不變,而同一路段內(nèi)交通量以及交通組成相同,道路結(jié)構(gòu)和其內(nèi)部溫度場也相同,道路縱向動穩(wěn)定度的變化是由施工過程中瀝青混合料級配波動導(dǎo)致的;而且,若以路肩瀝青面層的整體動穩(wěn)定度代表主車道瀝青面層的初始抗車轍性能,則說明路面初始抗車轍性能越弱,車轍發(fā)展越快,這與人們的常規(guī)認(rèn)識一致。
(2)不同路段內(nèi)大致相同的初始動穩(wěn)定度對應(yīng)主車道車轍深度不同,甚至區(qū)別比較大,這反映出交通量對路面車轍的影響不容忽視。
我國規(guī)范為高速公路瀝青路面設(shè)定的車轍維修臨界深度為15mm,本文也將以15mm車轍深度作為確定動穩(wěn)定度控制標(biāo)準(zhǔn)值的依據(jù)。由于在現(xiàn)場很難直接選取到主車道車轍深度為15mm的橫斷面,也就是說不能直接得到每個路段的動穩(wěn)定度控制標(biāo)準(zhǔn)值。下面通過分析試驗(yàn)獲得的(DS,RD)數(shù)據(jù),尋找DS隨RD的變化規(guī)律,具體見圖6。
圖6 各區(qū)段試樣的動穩(wěn)定度隨其取樣橫斷面主車道車轍深度的變化規(guī)律Fig.6 Dynamic stability of sample from each section varying with depth of sample cutting transect of main lane
圖6(f)為利用所有試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行的擬合,代表的意義是不考慮各區(qū)段交通量差別情況下的動穩(wěn)定度隨車轍深度的變化趨勢。對圖6中各數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合,發(fā)現(xiàn)各路段DS隨RD的變化規(guī)律都可以用指數(shù)函數(shù)進(jìn)行擬合,擬合相關(guān)系數(shù)都在0.94以上。將15mm作為自變量賦值代入各擬合公式,可以計算得到15mm車轍深度對應(yīng)的動穩(wěn)定度,就可以將其視為適應(yīng)該路段交通量下的動穩(wěn)定度控制標(biāo)準(zhǔn)值,計算結(jié)果見表2。
依托工程1998年開始通車運(yùn)營,當(dāng)時的4cm厚表面層開始經(jīng)受陽光照射而逐漸老化;2005年經(jīng)加鋪一層后,原表面層被覆蓋而停止老化,但新加鋪的4cm厚表面層則開始老化,直至改擴(kuò)建工程啟動。因此,筆者從現(xiàn)場取回的全厚式試件的上兩層都經(jīng)過了7~8a的日照老化。根據(jù)文獻(xiàn)[11]的試驗(yàn)結(jié)果,瀝青混合料經(jīng)紫外光照射后的動穩(wěn)定度下降幅度約為20%,故本文認(rèn)為可以將現(xiàn)場取樣的上兩層瀝青混合料的動穩(wěn)定度提高20%以消除老化帶來的影響。但是,層位瀝青混合料的動穩(wěn)定度并不是多層式試件整體的動穩(wěn)定度,根據(jù)文獻(xiàn)[8]的研究結(jié)果,上面層動穩(wěn)定度增加20%時,試件整體動穩(wěn)定度約增加15%。因此,若考慮陽光照射老化對試件動穩(wěn)定度的影響,本文將現(xiàn)場取樣試件的整體動穩(wěn)定度試驗(yàn)結(jié)果提高15%。對圖6中各動穩(wěn)定度原始數(shù)據(jù)均增大15%后進(jìn)行擬合,然后計算出的15mm車轍深度對應(yīng)的動穩(wěn)定度,結(jié)果見表2。表中各路段的動穩(wěn)定度控制標(biāo)準(zhǔn)值之間的差別體現(xiàn)了交通量的影響。
表2 適應(yīng)各路段已通行交通量的動穩(wěn)定度控制標(biāo)準(zhǔn)值Tab.2 Dynamic stability controlling criterion for fittingactual traffic volume on each section
為得到不同交通量下的動穩(wěn)定度控制標(biāo)準(zhǔn),還需要統(tǒng)一交通量統(tǒng)計方法,即將不同車輛的通行次數(shù)轉(zhuǎn)化成標(biāo)準(zhǔn)軸載通行次數(shù),也就是需要進(jìn)行軸載等效換算。
根據(jù)收集到的2006—2012年取樣路段每個月的交通量數(shù)據(jù),筆者統(tǒng)計得到了各個路段近7a的各類車?yán)塾嬐ㄐ写螖?shù),如表3所示。然后采用AASHTO提出的基于車轍的軸載等效換算方法[12]進(jìn)行當(dāng)量軸次的計算,計算時6類車的代表車型分別依次取為紅旗CA630、會客JT692A、北京BJ130、東風(fēng)EQ144、太脫拉81553和五十鈴EXR181。
將表2中各個路段的動穩(wěn)定度數(shù)據(jù)和表3中各個路段的當(dāng)量軸次數(shù)據(jù)綜合起來,列于圖7,圖中實(shí)線為擬合趨勢線。
對圖7中的([DS],Ner)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合,可以得到[DS]隨Ner的變化方程。
未考慮老化影響時:
[DS]=554.203 87e0.449 67×10-7Ner。
(1)
表3 2006—2012年取樣路段實(shí)際交通量與累計當(dāng)量軸次Tab.3 Actual traffic volume and accumulative equivalent axles of sample cutting sections from 2006 to 2012
圖7 動穩(wěn)定度控制標(biāo)準(zhǔn)隨當(dāng)量軸次的變化規(guī)律Fig.7 Dynamic stability controlling criterion varying with accumulative equivalent axles
考慮老化影響后:
[DS]=637.748 38e0.449 41×10-7Ner。
(2)
利用式(2),理論上可以計算出不同累計當(dāng)量軸次對應(yīng)的動穩(wěn)定度控制標(biāo)準(zhǔn)。由于表3中各路段的累計當(dāng)量軸次跨度并不大,所以式(2)的外延性還需要進(jìn)一步驗(yàn)證。不過,筆者認(rèn)為這種得到[DS]-Ner方程的方法是值得推薦的,如果按照這種方法對不同交通量(當(dāng)量軸次)級別道路開展試驗(yàn)分析,將能夠得到更多的數(shù)據(jù)和擴(kuò)大樣本空間,進(jìn)一步修正[DS]-Ner方程的系數(shù),屆時該方程將更具有工程應(yīng)用價值。
對以上試驗(yàn)分析進(jìn)行總結(jié),得到不同交通量下瀝青面層結(jié)構(gòu)整體動穩(wěn)定度控制標(biāo)準(zhǔn)的具體確定方法如下:
①在舊路不同路段(對應(yīng)不同當(dāng)量軸次)實(shí)測車轍深度RD,同時挖取全厚式瀝青面層整體式試件,并測試得到全厚式試件的整體動穩(wěn)定度DS,試驗(yàn)時需要模擬實(shí)際路面內(nèi)部的代表性溫度場,在試件內(nèi)部形成溫度梯度。
②對每個路段DS~RD數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合,根據(jù)各擬合關(guān)系式計算出15mm車轍深度對應(yīng)的動穩(wěn)定度,并將其作為適應(yīng)該路段已通行累計交通量的動穩(wěn)定度控制標(biāo)準(zhǔn)值[DS]i。
③通過基于抗車轍的軸載等效換算方法得到各路段的累計當(dāng)量軸次Neri。
④建立[DS]i-Neri之間的擬合方程,根據(jù)該方程可以計算得到不同當(dāng)量軸次時的瀝青面層整體動穩(wěn)定度控制標(biāo)準(zhǔn)值。
(1)從依托工程5個不同的路段、主車道不同車轍深度的橫斷面上路肩位置進(jìn)行了瀝青面層的現(xiàn)場整體取樣,并對取回的試件開展了室內(nèi)車轍試驗(yàn),得到了不同路段(交通量不同)的 RD-DS 曲線,試驗(yàn)時模擬實(shí)際路面內(nèi)部的溫度場在試件內(nèi)部形成了溫度梯度。
(2)考慮到我國規(guī)范為高速公路瀝青路面設(shè)定的車轍維修臨界深度為15mm,基于前述RD-DS試驗(yàn)結(jié)果,為每個路段計算出了15mm車轍深度對應(yīng)的動穩(wěn)定度,并將其作為適應(yīng)各路段已通行交通量的動穩(wěn)定度控制標(biāo)準(zhǔn)值[DS]i;收集了5個路段歷年來各類車的實(shí)際通行次數(shù),并進(jìn)行軸載等效換算得到了各路段的累計當(dāng)量軸次Neri;利用得到的5組數(shù)據(jù),建立了[DS]-Ner之間的聯(lián)系方程。
(3)總結(jié)上述試驗(yàn)研究過程,提出了不同當(dāng)量軸次下的動穩(wěn)定度控制標(biāo)準(zhǔn)確定方法。
不同交通量下瀝青路面的整體動穩(wěn)定度控制標(biāo)準(zhǔn)是一個新概念,其值的確定涉及到許多方面,如試驗(yàn)設(shè)備和試驗(yàn)條件、基于車轍的軸載等效換算方法、交通量的統(tǒng)計和預(yù)估等。本文只是利用依托工程改擴(kuò)建的契機(jī)進(jìn)行了瀝青路面整體動穩(wěn)定度控制標(biāo)準(zhǔn)值確定方法上的探索,要得到適用范圍更廣的動穩(wěn)定度控制標(biāo)準(zhǔn),還需要加大現(xiàn)場取樣工作量,并在全國不同地區(qū)、不同交通量等級的道路上開展類似本文的研究。
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Discuss on Dynamic Stability Control Criterion for Asphalt Surface Course under Different Traffic Volumes
YANG Tao1,2, LI Zhi-huai3,CUI Zhi-yong4,GUAN Hong-xin1, SHAN Nan1
(1.ChangshaUniversityofScience&Technology,ChangshaHunan410004,China; 2.WenzhouCommunicationsInvestmentGroupCo.,Ltd.,WenzhouZhejiang325003,China;3.ChinaRoadandBridgeCorporation,Beijing100011,China;4.HebeiProvincialExpresswayManagementBureau,ShijiazhuangHebei050051,China; 5.GuangdongProvincialChangdaEngineeringCo.,Ltd.,GuangzhouGuangdong510620,China)
Inordertocontrolruttingresistanceperformanceofsemi-rigidbaseasphaltpavementunderdifferenttrafficvolumes,ruttingtestisconductedtosimulatetheactualpavementinternaltemperaturefieldonfulldepthasphaltsurfacecoursesamplesexcavatedfromdifferentsections(correspondingdifferenttrafficvolumes)anddifferentruttingdepthsinanexpresswayreconstructionandextensionproject.Therelationshipbetweendynamicstabilityandruttingdepthinmainlaneisanalyzed.Thedynamicstabilitycontrolcriteriatofitthetrafficvolumesofdifferentsectionsaredeterminedrespectively,whicharethedynamicstabilitiescorrespondingto15mmrutdepth.Theaccumulativeequivalentaxlesofthedifferentsectionsarecollectedandcalculated.Therelationshipbetweendynamicstabilitycontrolcriterionofeachsectionanditsaccumulativeequivalentaxlesisanalyzedtoobtaintheirfittingequation.Basedonthefittingequation,thedynamicstabilitycontrolcriterionforasphaltpavementstructureofheavytrafficlevelissuggested.Finally,awayfordeterminingthewholedynamicstabilitycontrolcriterionforasphaltsurfacecourseindifferenttrafficvolumesissuggested.
roadengineering;asphaltsurfacecourse;determinationmethod;dynamicstabilitycontrolcriterion;excavatingsample;trafficvolume
2015-10-09
國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51478052); 河北省交通運(yùn)輸科技計劃項(xiàng)目(Y-2012059)
楊濤(1977-),男,浙江溫州人,博士,高級工程師.(ytcdhswz@163.com)
U416.217
A
1002-0268(2016)08-0006-06
doi:10.3969/j.issn.1002-0268.2016.08.002