陳岳峰

(福建省高速公路建設(shè)總指揮部，福建 福州 350001)

0 引言

瀝青路面車轍變形是我國(guó)高速公路瀝青路面早期損傷的主要形式之一[1-3]，一方面會(huì)降低路面平整度，影響駕乘人員舒適性，另一方面會(huì)削減路面整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度[4-6]，誘發(fā)次生病害，如開裂、沉陷等。在降雨天氣，輪轍區(qū)域由于排水不暢容易積水，高速行車易產(chǎn)生漂移，嚴(yán)重威脅行車安全。福建省地處中國(guó)東南部，夏季高溫多雨，長(zhǎng)大縱坡路段多，交通量大且重載現(xiàn)象嚴(yán)重。因此，傳統(tǒng)半剛性基層瀝青路面在高溫多雨和重載交通耦合作用下，容易出現(xiàn)車轍、開裂、水損壞等破壞[7-9]。為了解決上述難題，一種組合式基層瀝青路面結(jié)構(gòu)在福建開始推廣應(yīng)用，此結(jié)構(gòu)的最大特點(diǎn)是在半剛性結(jié)構(gòu)層和瀝青結(jié)構(gòu)層之間設(shè)置了一層級(jí)配碎石結(jié)構(gòu)層，其主要目的是發(fā)揮級(jí)配碎石層的透水功能，同時(shí)降低半剛性材料因干縮、溫縮產(chǎn)生的反射裂縫。國(guó)內(nèi)外學(xué)者基于此開展了大量研究，在結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)特征、反射裂縫抑制機(jī)理、滲透性能等方面取得了有意義的研究成果[10-12]。但針對(duì)該結(jié)構(gòu)的抗車轍性能目前研究較少，且路面長(zhǎng)期使用性能還有待檢驗(yàn)。國(guó)內(nèi)既有的瀝青路面車轍預(yù)估模型大多也是基于半剛性基層建立的[13-15]，無(wú)法直接適用于這種組合式基層結(jié)構(gòu)。

美國(guó)AASHTO發(fā)布的力學(xué)-經(jīng)驗(yàn)法路面設(shè)計(jì)指南，提出了以車轍變形、疲勞開裂、溫度開裂、平整度指數(shù)等設(shè)計(jì)指標(biāo)為主的瀝青路面設(shè)計(jì)新體系[16-18]。針對(duì)車轍變形，AASHTO還提出了瀝青路面車轍預(yù)估模型，可以預(yù)測(cè)路面車轍隨時(shí)間的變化規(guī)律?；诹W(xué)-經(jīng)驗(yàn)法的預(yù)估模型兼顧了力學(xué)和經(jīng)驗(yàn)法兩者的優(yōu)點(diǎn)，經(jīng)過(guò)了室內(nèi)和野外海量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)修正，所考慮的因素更為全面、客觀，路面實(shí)際情況更能得到真實(shí)反映，因此，該模型可靠性較高[19-20]。

基于此，本研究采用AASHTO指南中的車轍預(yù)估模型，依托福建省某高速公路組合式基層瀝青路面，開展福建省瀝青路面車轍區(qū)域特性研究。通過(guò)收集交通、氣候等連續(xù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，預(yù)估該結(jié)構(gòu)瀝青路面20 a車轍演變規(guī)律，并考察不同溫度區(qū)間和荷載等參數(shù)對(duì)車轍變形的影響，據(jù)此提出相關(guān)技術(shù)對(duì)策，最終為福建省及同類地區(qū)高速公路組合式基層瀝青路面車轍病害防治提供理論和技術(shù)指導(dǎo)。

1 MEPDG車轍預(yù)估模型

1.1 預(yù)估模型原理

力學(xué)-經(jīng)驗(yàn)路面經(jīng)驗(yàn)指南(Mechanistic-Empirical Pavement Design Guide,MEPDE)提出的車轍變形計(jì)算模型，主要是基于Miners累積損傷原理，同時(shí)考慮材料類型差異，通過(guò)計(jì)算瀝青層每個(gè)分層產(chǎn)生的累積變形疊加獲得，計(jì)算方法見式(1)。

(1)

瀝青路面的車轍變形預(yù)估模型見式(2)～(5)：

(2)

k1=(C1+C2×d)×0.328 196d,

(3)

(4)

(5)

式中，εp為瀝青層的累積塑形應(yīng)變；εr為瀝青層的回彈應(yīng)變，與瀝青混合料性質(zhì)、荷載作用頻率和溫度有關(guān)；N為瀝青層的荷載作用次數(shù)；T為瀝青路面溫度；hac為瀝青層的總厚度；d為瀝青層表面到計(jì)算點(diǎn)的厚度；βr1，βr2，βr3為修正系數(shù)。根據(jù)《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D50—2017)車轍模型和等效溫度確定方法，確定式(2)中的模型參數(shù)βr1=1.015 37，βr2=1.307 8，βr3=1.001 9。其中，半剛性材料不考慮其永久變形。

級(jí)配碎石永久變形采用AASHTO 2002模型：

(6)

式中，δα為級(jí)配碎石累積塑形應(yīng)變；β1，β2，β3為級(jí)配碎石材料參數(shù)，通過(guò)福建地區(qū)典型級(jí)配碎石動(dòng)態(tài)三軸試驗(yàn)確定為7.209×10-8，11.047，0.29；εr，εv分別為回彈應(yīng)變和平均豎向回彈應(yīng)變；h為級(jí)配碎石厚度。

1.2 輸入?yún)?shù)處理

在MEPDG車轍預(yù)估模型中，輸入?yún)?shù)包括交通參數(shù)、氣候參數(shù)、結(jié)構(gòu)參數(shù)以及材料參數(shù)，輸入?yún)?shù)的精確度與預(yù)估結(jié)構(gòu)的可靠性有直接聯(lián)系。這些參數(shù)分為3個(gè)輸入水平：

水平1：通過(guò)實(shí)測(cè)獲取輸入?yún)?shù)；

水平2：利用相關(guān)關(guān)系來(lái)獲取所需的輸入?yún)?shù)；

水平3：利用全國(guó)或地方的典型數(shù)值獲取輸入?yún)?shù)。

本研究對(duì)于交通參數(shù)和氣候參數(shù)均按照水平1要求，進(jìn)行了實(shí)測(cè)統(tǒng)計(jì)分析；其他道路結(jié)構(gòu)及材料參數(shù)采用水平2或水平3輸入。

2 基本參數(shù)獲取

2.1 交通參數(shù)

交通參數(shù)通過(guò)收集福建省福州市某高速公路動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)(WIM)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)獲取，然后按照MEPDG設(shè)計(jì)方法要求進(jìn)行分析處理。交通參數(shù)主要包括以下幾類，其中軸載分布系數(shù)為交通參數(shù)中的核心參數(shù)，全面描述了交通量軸載情況。

(1)車輛類型分布系數(shù)

車輛類型分布系數(shù)指的是各類型車輛在所有車輛中所占的百分比。車輛類型按照?qǐng)D1進(jìn)行分類，由于1～3類車輛荷載較輕，本研究暫不考慮。實(shí)際在我國(guó)，11～13類型車輛也并不存在，因此一般僅考慮4～10類，其中4類為汽車。

圖1 MEPDG車輛分類標(biāo)準(zhǔn)

經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析，該高速公路車輛類型分布系數(shù)見圖2。

圖2 車輛類型分布系數(shù)

(2)卡車交通量月調(diào)節(jié)系數(shù)

卡車交通量月調(diào)節(jié)系數(shù)為某種特定類型的卡車，在某特定月份的交通量占全年交通量的比重，如圖3所示。

圖3 交通量月調(diào)節(jié)系數(shù)

(3)交通量小時(shí)分布系數(shù)

將每小時(shí)內(nèi)的交通量除以日交通量就可計(jì)算出交通量小時(shí)分布系數(shù)，如圖4所示。

圖4 交通量小時(shí)分布系數(shù)

(4)卡車軸數(shù)系數(shù)

車輛軸數(shù)系數(shù)為各類型卡車關(guān)于單聯(lián)軸、雙聯(lián)軸以及三聯(lián)軸的平均軸數(shù)，如表1所示，實(shí)際工況下各類車輛不同類型軸載的軸數(shù)可通過(guò)此系數(shù)計(jì)算獲取。

(5)軸載分布系數(shù)

軸載分布系數(shù)指的是某種類型的車輛，其軸重位于設(shè)定軸重區(qū)間的軸數(shù)占總軸數(shù)的比例。為了對(duì)比分析，采用了福建省重型和特重型兩種荷載等級(jí)，其中重型荷載的單軸、雙聯(lián)軸和三聯(lián)軸的軸重分布系數(shù)見圖5；特重型荷載的單軸、雙聯(lián)軸和三聯(lián)軸的軸重分布系數(shù)見圖6。

表1 車輛軸數(shù)系數(shù)

圖5 重型荷載條件下軸重分布系數(shù)

圖6 特重型荷載條件下分布系數(shù)

(6)交通量情況

交通量為4 000 veh/d，交通量增長(zhǎng)率為4%，車輛行駛速度設(shè)定為80，20 km/h兩種情況。

(7)計(jì)算車速

為了對(duì)比分析，采用2個(gè)計(jì)算車速，標(biāo)準(zhǔn)車速采用80 km/h；慢速車速為20 km/h，該工況主要模擬長(zhǎng)大縱坡路段荷載低速貨車對(duì)路面抗車轍的影響。

(8)其他參數(shù)

平均輪胎寬度為25.4 cm，平均輪胎間距為34.3 cm，輪胎壓力為0.83 MPa；設(shè)計(jì)車道寬度為3.75 m，雙軸軸間距為1.6 m，三軸軸間距為1.524 m。

2.2 氣候參數(shù)

根據(jù)MEPDG計(jì)算程序，需要確定預(yù)估路段的經(jīng)度、緯度和海拔，以及氣溫、降雨量、日照率、風(fēng)速和相對(duì)濕度等，基于此計(jì)算分析路面每小時(shí)的溫度差和路基土的潮濕狀況。依托工程位于北緯26.05°，東經(jīng)119.18°，海拔50 m，氣候參數(shù)為2019年福州市氣象站數(shù)據(jù)。瀝青混合料的熱傳導(dǎo)系數(shù)為44.3 W/(m2·K·h)，比熱容為3.12 W/(kg·K)。

在車轍分析中，2019年為起始年，之后19年分析用氣候參數(shù)均與2019年相同。

2.3 結(jié)構(gòu)和材料參數(shù)

瀝青路面各結(jié)構(gòu)層混合料類型和厚度，以及瀝青混合料動(dòng)態(tài)模量計(jì)算所需基本參數(shù)分別如表2、表3所示。

表2 瀝青路面結(jié)構(gòu)參數(shù)

為了計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，將表面層、中面層各細(xì)分為2層，下面層細(xì)分為3層，總共10層。

瀝青混合料動(dòng)態(tài)模量具有溫度敏感性，按Witczak Fonseca模型[21]計(jì)算：

表3 瀝青混合料動(dòng)態(tài)模量計(jì)算基本參數(shù)

(7)

式中，E為動(dòng)態(tài)模量；ρ0.075，ρ4.75，ρ9.5分別為0.075 mm通過(guò)率，4.75 mm累計(jì)篩余百分率和9.5 mm累計(jì)篩余百分率；η為瀝青黏度，按式(7)計(jì)算；f為加載頻率；Va為空隙率；Vb為瀝青體積率。

各亞層瀝青混合料的瀝青黏度按式(7)計(jì)算：

lg[lg(η×10-8)]=A+B·

lg(1.8T+459.67+32)，

(8)

式中，A和B為瀝青黏溫常數(shù)；T為各亞層中間位置的路面溫度。

級(jí)配碎石具有模量應(yīng)力依賴性，按《瀝青穩(wěn)定碎石與級(jí)配碎石結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)指標(biāo)研究》報(bào)告提出的模型[22]計(jì)算：

式中，E2和E3分別為級(jí)配碎石基層和水穩(wěn)底基層的模量；h1和h2分別為瀝青面層總厚度和級(jí)配碎石基層的厚度；k1為級(jí)配碎石材料參數(shù)，取80 MPa；E1e為瀝青面層當(dāng)量動(dòng)態(tài)模量，按式(9)計(jì)算。

(10)

式中，E1i為第i亞層瀝青混合料動(dòng)態(tài)模量；h1i為第i亞層瀝青混合料的厚度。

3 標(biāo)準(zhǔn)車速條件下瀝青混合料動(dòng)態(tài)模量

基于以上氣候參數(shù)，根據(jù)AASHTO 2002指南中EICM模型計(jì)算得到不同條件下的瀝青路面溫度的理論值，如圖7～圖10所示。然后在此基礎(chǔ)上按式(6)可計(jì)算出各亞層動(dòng)態(tài)模量的分布，計(jì)算采用80 km/h相應(yīng)的加載頻率，計(jì)算結(jié)果如圖11～13所示。

圖7 2019年路表平均溫度(0 cm處)

圖8 2019年表面層平均溫度(2 cm處)

圖9 2019年中面層平均溫度(7 cm處)

圖10 2019年下面層平均溫度(18 cm處)

圖11 2019年表面層2 cm處動(dòng)態(tài)模量

圖12 2019年中面層7cm處動(dòng)態(tài)模量

圖13 2019年下面層18cm處動(dòng)態(tài)模量

由圖11～13可知，在1 a中的高溫時(shí)段內(nèi)，瀝青表面層2 cm處的瀝青混合料最小動(dòng)模量為1 645 MPa，而低溫時(shí)段內(nèi)動(dòng)態(tài)模量顯著增大，達(dá)到29 701 MPa，兩者相差16倍；中面層最大動(dòng)態(tài)模量為27 993 MPa，最低為1 430 MPa，相差19.6倍；下面層最大動(dòng)態(tài)模量為27 585 MPa，最低為2 044 MPa，相差13.5倍?？梢姕囟葘?duì)瀝青路面的動(dòng)模量影響非常大，從而顯著影響瀝青路面的高溫穩(wěn)定性。

4 重型荷載標(biāo)準(zhǔn)車速條件下20年車轍演變規(guī)律

采用2.1節(jié)的重型荷載、標(biāo)準(zhǔn)車速交通條件和2.2節(jié)的氣候參數(shù)條件，利于MEPDG分析軟件分析表2中結(jié)構(gòu)瀝青路面車轍在20 a期間的演變規(guī)律，結(jié)果如圖14所示。

圖14 瀝青路面各結(jié)構(gòu)層車轍演變規(guī)律

由圖14可知，各結(jié)構(gòu)層車轍隨著時(shí)間增長(zhǎng)不斷增大，在第221個(gè)月瀝青路面總車轍量達(dá)到15 mm，達(dá)到高速公路瀝青混合料層容許車轍變形控制標(biāo)準(zhǔn)，據(jù)此計(jì)算該組合式基層結(jié)構(gòu)瀝青路面車轍壽命可達(dá)18 a以上。

為了進(jìn)一步對(duì)比分析各結(jié)構(gòu)層車轍差異，圖15列舉了瀝青路面各結(jié)構(gòu)層車轍占總車轍的百分比。

圖15 瀝青路面各結(jié)構(gòu)層車轍占總車轍的百分比

由圖15可見，針對(duì)各結(jié)構(gòu)層車轍深度，中面層最大，表面層次之，下面層和級(jí)配碎石層車轍深度最小。在初期，級(jí)配碎石層變形在瀝青路面總車轍中占比最大，8個(gè)月之后級(jí)配碎石層變形占比迅速下降并穩(wěn)定在總轍變形的3.8%～5.9%，平均約為4.7%；中面層自第4個(gè)月開始產(chǎn)生變形，第8個(gè)月之后逐漸穩(wěn)定，為51.6%～56.1%，平均值為54.3%，是各結(jié)構(gòu)層中占比最大的層位；上面層第4個(gè)月開始產(chǎn)生車轍，第6個(gè)月后穩(wěn)定在30.4%～35%，平均值為32.6%；下面層第7個(gè)月開始產(chǎn)生車轍，之后占比為4.6%～9.2%，平均值為8%。

從上述計(jì)算結(jié)果可見，中面層產(chǎn)生的變形在瀝青路面總車轍量中占比最高，因此，增加中面層的抗車轍性能對(duì)于保證瀝青路面整體結(jié)構(gòu)高溫穩(wěn)定性至關(guān)重要。下面層和級(jí)配碎石層的合計(jì)車轍量占總車轍量的13%，可見該組合式基層瀝青路面不會(huì)產(chǎn)生較大結(jié)構(gòu)性車轍。

5 重型荷載標(biāo)準(zhǔn)車速條件下不同溫度區(qū)間段車轍發(fā)展規(guī)律

為研究不同溫度區(qū)間段瀝青路面車轍發(fā)展規(guī)律，采用MEPDG分析軟件，分析2.1節(jié)的重型荷載、標(biāo)準(zhǔn)車速交通條件和2.2節(jié)的氣候參數(shù)條件下表2中結(jié)構(gòu)瀝青路面各層的2019年每個(gè)月車轍變形，進(jìn)而計(jì)算整理得到各層每個(gè)月車轍增量，即相鄰兩個(gè)月的車轍量之差，分析結(jié)果如圖16所示。

圖16 2019年天氣條件下瀝青層的月車轍增量(典型荷載條件、車速80 km/h)

由圖16可知，瀝青路面車轍增長(zhǎng)主要發(fā)生在4～10月份，即溫度較高的時(shí)間段內(nèi)，其總和為全年車轍量的94%以上；最大車轍增量為7月份，而1月份和12月份由于氣溫較低，車轍量最低，兩者相差40～44倍。

圖17 2019年路表溫度的時(shí)間和車轍量累計(jì)百分率

圖17中的2019年全年路表溫度的時(shí)間累計(jì)百分比，指的是高于路表某一溫度的時(shí)間在全年時(shí)間(以小時(shí)為單位)中所占的百分比；車轍量累計(jì)百分率指的是高于路表某一溫度的車轍累計(jì)量在全年車轍量中所占的百分比。由圖17可知全年路表溫度40 ℃僅占全年時(shí)間的13.2%，但是在該溫度區(qū)間產(chǎn)生的車轍量卻占全年47.9%以上。

圖18為2019年不同時(shí)刻路表溫度≥40 ℃累計(jì)時(shí)間與交通量小時(shí)分布系數(shù)。路表溫度≥40 ℃的高溫主要分布在上午08:00—20:00，交通量在08:00—20:00這個(gè)時(shí)間段內(nèi)也非常集中，因而高溫和交通荷載在較長(zhǎng)時(shí)間尺度上發(fā)生重疊；在氣溫相對(duì)較低的20:00—08:00區(qū)間范圍內(nèi)，交通量同樣也較低。由此可見，對(duì)于福建省，高溫時(shí)段瀝青路面產(chǎn)生車轍占比較高，這是由于高溫和重載交通高度重合。因此，可以引導(dǎo)重型貨車在氣溫相對(duì)較低的20:00—08:00運(yùn)營(yíng)，可以有效降低瀝青路面車轍的發(fā)生。

圖18 2019年路表溫度≥40 ℃累計(jì)時(shí)間與交通量小時(shí)分布系數(shù)

6 特重、慢速荷載條件下不同層位車轍深度占比

采用2.1節(jié)的特重型荷載、慢速交通條件和2.2節(jié)的氣候參數(shù)條件，利于MEPDG分析軟件分析表2中結(jié)構(gòu)中各結(jié)構(gòu)層車轍，進(jìn)一步計(jì)算得出各層車轍深度占總車轍深度的百分比，結(jié)果如圖19所示。

圖19 瀝青路面各結(jié)構(gòu)層車轍量(超載條件、車速20 km/h)

由圖19可知，在該工況條件下，表面層變形占車轍總量的31%，中面層占56%，下面層占8%，級(jí)配碎石層占5%。該結(jié)果表明車轍變形仍然主要發(fā)生在中面層，其次是表面層；下面層和級(jí)配碎石層的車轍量較小，合計(jì)僅占13%，可見重載、長(zhǎng)大縱坡路段產(chǎn)生結(jié)構(gòu)車轍風(fēng)險(xiǎn)較低。與前述一般路段分析比較，中面層車轍占比有所增加，表面層有所降低，而下面層、級(jí)配碎石基本保持不變。這說(shuō)明，隨著荷載增加、車速降低，對(duì)中面層影響最大，而對(duì)下面層、級(jí)配碎石影響較低。

7 結(jié)論

(1)溫度對(duì)瀝青各結(jié)構(gòu)層混合料的動(dòng)模量影響顯著，高、低溫條件下，兩者差異能達(dá)到10倍以上。

(2)該組合式基層瀝青路面中面層的車轍變形最大，增加中面層的抗車轍性能對(duì)于保證路面整體結(jié)構(gòu)高溫性能至關(guān)重要；下面層和級(jí)配碎石層的車轍變形較小，可知該組合式基層瀝青路面不會(huì)產(chǎn)生較大結(jié)構(gòu)性車轍。

(3)以15 mm作為高速公路瀝青混合料層容許車轍變形控制標(biāo)準(zhǔn)，該組合式基層瀝青路面抗車轍性能壽命可達(dá)18 a以上。

(4)針對(duì)福建省高溫時(shí)段該組合式基層瀝青路面產(chǎn)生車轍占比較高，主要是由于高溫和重載交通的同步耦合作用。因此，可以引導(dǎo)重型貨車在氣溫相對(duì)較低的20:00—08:00區(qū)間運(yùn)營(yíng)，可以有效降低瀝青路面車轍。

(5)該組合式基層瀝青路面在低速、特重載條件下，下面層、級(jí)配碎石層車轍變形與重載條件差異較小，表明該工況條件對(duì)下面層、級(jí)配碎石抗車轍性能影響較低。