萬娟霞 馬岢言 李自齊

(甘肅省交通規(guī)劃勘察設計院股份有限公司，甘肅 蘭州 730030)

0 引言

半剛性基層瀝青路面是我國公路主要使用的路面結(jié)構(gòu)形式[1-4]，雖然瀝青路面具有較強的抗變形和承載能力，但是隨著交通量日益增加、物流業(yè)快速發(fā)展致使貨車的交通量增大、大型貨車嚴重超載等因素使得瀝青路面出現(xiàn)嚴重路面病害。其中，車轍沿著車輛輪跡帶縱向延伸到整個公路里程，造成的破壞范圍大，并且修補時常用的方法是將車轍部分的瀝青路面銑刨后重新罩面，這樣雖然暫時解決了車轍問題，可是修復造價極高。瀝青路面車轍的出現(xiàn)會導致路面的行車舒適性和安全性下降。車轍導致的路面變形對大型車輛的行駛安全影響更大，可能會導致車輛側(cè)翻。此外，路面車轍還會導致瀝青面層厚度不一致，路面薄的部分由于厚度不足，極易產(chǎn)生裂縫、坑槽和水損害。

車轍的產(chǎn)生與車輛作用荷載、溫度以及瀝青路面結(jié)構(gòu)形式等有關(guān)[5-10]。河西地區(qū)該研究路線所經(jīng)地區(qū)屬中溫帶干旱氣候區(qū)，日照長、晝夜溫差顯著，夏季炎熱而冬季寒冷。加之該路段交通量劇增，且重載貨車占比較大，有必要分析溫度和車輛軸載作用對瀝青路面車轍的影響。

1 路面病害現(xiàn)狀及原因分析

1.1 路面現(xiàn)狀

該二級公路地處河西地區(qū)，路段總長為98.084 km。路面結(jié)構(gòu)為4 cm厚AC-13細粒式密級配瀝青混凝土(上面層)+5 cm厚AC-20中粒式密級配瀝青混凝土(下面層)+20 cm水泥穩(wěn)定碎石(基層)+20 cm厚水泥穩(wěn)定砂礫(底基層)+15 cm厚天然砂礫(墊層)。

經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查，自通車以來，該公路路基段路面出現(xiàn)車轍共計38處，總長度21 205 m，總面積101 875.8 m2。車轍深度10 mm～15 mm的共有10 563 m，面積約46 020 m2；車轍深度大于15 mm的共有11 366 m，面積約61 647 m2。車轍病害主要集中于設有交通信號標志的平交路口、較長爬坡路段及超限檢測站等路段(見圖1)。

1.2 路面芯樣檢測結(jié)果分析

病害發(fā)生后，對車轍段瀝青路面質(zhì)量進行檢測。發(fā)現(xiàn)上面層芯樣空隙率、油石比不合格率為75%，礦料級配均不符合規(guī)范中AC-13級配范圍的技術(shù)要求，表現(xiàn)為4.75 mm～13.2 mm篩的通過率偏低，0 mm～0.075 mm篩的通過率偏高即中粗料的含量及礦粉含量高。車轍處下面層芯樣空隙率不合格率為25%，油石比與級配均符合規(guī)范中要求。無車轍處芯樣所有指標均滿足規(guī)范要求。

表明合理的級配及瀝青用量是瀝青路面減少車轍的必要條件。在設計配合比階段，應保證在級配范圍內(nèi)混合料結(jié)構(gòu)組成靠近緊密嵌擠骨架結(jié)構(gòu)，在施工過程中，應重視生產(chǎn)配合比設計,嚴格按設計值及偏差范圍進行控制。

1.3 交通量現(xiàn)狀分析

根據(jù)本項目工可預測交通量，2019年日交通量為4 193輛(折算數(shù)5 871 pcu/d)，其中大貨車及拖掛的匯總?cè)战煌繛? 079輛(折算數(shù)2 639 pcu/d)。

根據(jù)公路局在該路段A，B，C三處設置的觀測站所測數(shù)據(jù)，得到2019年1月～6月全車型交通量和貨車交通量增長情況，如圖2，圖3所示。

由圖2，圖3可知自2019年3月以后的交通量較以前有了大幅的增長，其中增長速度最快的是A段，3月較2月的增長率達到了365%(增量為13 871 pcu/d)；同期貨車的增長速度更快，A段和里程加權(quán)的增長率分別達到了616%和252%，增量分別為13 747 pcu/d和10 023 pcu/d，根據(jù)不同車型的增長率得出該路段交通量增長的主要原因為貨車交通量的大幅增加引起的。

由于國家出臺政策取消二級公路收費，加之該公路路況水平大幅提升，大部分貨車從高速公路轉(zhuǎn)至該二級公路通行。此外，與該二級公路平行的某省道公路基本一直處于封閉施工狀態(tài)，使得原行駛該省道公路的貨車也轉(zhuǎn)移至該二級公路行駛，以致實際交通量遠遠大于預測交通量，且多為重載車輛。

1.4 氣候因素

7月～9月份河西該地區(qū)瀝青路面表面溫度超過60 ℃，車輛在停車等待時又排出大量的高溫氣體直接給路面進行加熱導致停車區(qū)域路面溫度比一般路段更高，重載交通下極易產(chǎn)生車轍。

2 高溫、重載作用下瀝青路面車轍深度分析

2.1 模型參數(shù)

因大量過境重型貨車為降低運輸成本，不愿選擇高速公路通行，加之境內(nèi)再無其他道路可供過境重型貨運車輛通行，導致該段公路重型貨運車輛大幅增加。經(jīng)調(diào)查，重載車輛已日益成為該公路運輸?shù)闹髁?。隨著西北經(jīng)濟的發(fā)展，河西地區(qū)重載貨車比例還將繼續(xù)增加。這也給公路建設帶來嚴峻考驗，尤其在陡長上坡行駛路段、與交通信號標志的平交路口問題尤為嚴重。

本研究以規(guī)范中規(guī)定的雙輪均布荷載為算例，研究不同載重(標準荷載和重載)、連續(xù)變溫條件下瀝青路面的車轍深度。

為了在分析河西地區(qū)路面車轍時將溫度考慮進來，需要將溫度場加入模型中。在瀝青路面結(jié)構(gòu)確定的情況下，影響溫度場的主要環(huán)境因素有日太陽輻射總量、有效日照時間、日最高氣溫、日最低氣溫以及日平均風速等。溫度場的產(chǎn)生主要由氣溫及對流熱交換和路面有效輻射作用引起。這兩類邊界條件通過用戶子程序定義，程序中引入隨時間變化的外界溫度。選取河西該路段所處區(qū)域夏季高溫季節(jié)1 d 24 h的代表性溫度變化如圖4所示。

基于有限元分析軟件Abaqus進行數(shù)值仿真模擬。路面二維模型見圖5。模型寬3.75 m，厚度為3 m。本研究分別模擬了兩種路面結(jié)構(gòu)，路面結(jié)構(gòu)組合形式見圖6，圖7。模型結(jié)構(gòu)從上到下共6層，依次為AC-13(4 cm)，AC-20(5 cm)或ATB-25(8 cm)、水穩(wěn)碎石基層(20 cm)、水穩(wěn)砂礫底基層(20 cm)、天然砂礫墊層(15 cm)、土基。

本路段重載交通特征顯著，模擬車轍時考慮軸重分別為100 kN，150 kN及200 kN。輪胎接地寬度為21.3 cm，通過計算，其對應的線荷載分別為117 371 N/m，176 056 N/m，234 742 N/m。上述模擬生成的溫度場的引入是車轍計算的關(guān)鍵步驟。

2.2 瀝青路面車轍深度分析

計算得到作用50萬次后瀝青路面的車轍見表1。

表1 路面車轍統(tǒng)計表

當僅考慮荷載單一因素作用時，瀝青面層越厚，其車轍深度越?。欢攦H考慮溫度和荷載兩因素對瀝青路面車轍的影響時：結(jié)構(gòu)一中溫度因素對車轍的貢獻率平均值為11.2%；結(jié)構(gòu)二中溫度因素對車轍的貢獻率平均值為17.8%。表明隨著瀝青路面厚度的增加，溫度對車轍的影響貢獻也在增加。

同一軸重下，溫度與荷載耦合作用下的車轍深度較荷載單獨作用時顯著增加：對于路面結(jié)構(gòu)一，軸重依次在100 kN,150 kN，200 kN下的車轍深度增加幅度分別為13.0%，12.5%，12%；對于結(jié)構(gòu)二，軸重依次在100 kN，150 kN，200 kN下的車轍深度增加幅度為22.5%，21.6%，20.8%。荷載與溫度耦合作用下車轍深度較荷載單一元素作用時平均增加17.08%。

同一溫度條件下(未加溫度場或加溫度場)，車轍深度與超載量呈幾何倍數(shù)增長。

上述結(jié)構(gòu)一和結(jié)構(gòu)二的車轍模擬試驗均為無重復雙因素試驗，對試驗結(jié)果進行無重復雙因素試驗方差分析，結(jié)果見表2。

表2 路面車轍方差分析

分別給定顯著性水平α為0.05和0.01，表中FA為溫度場的檢驗統(tǒng)計量，F(xiàn)B為軸重的檢驗統(tǒng)計量。FAcrit，F(xiàn)Bcrit分別為溫度場、軸重檢驗統(tǒng)計量的臨界值。對于兩種結(jié)構(gòu)，F(xiàn)Acrit0.05FBcrit0.01，說明軸重的變化對車轍模擬結(jié)果有極其顯著的影響，不同軸重下的車轍深度有極其明顯的差異性。路面車轍深度受溫度和軸重的影響，且軸重的影響占主位。隨著瀝青面層厚度的增加，溫度對車轍的影響程度在增加，軸重對車轍的影響程度在減小。

3 結(jié)論與建議

3.1 主要結(jié)論

1)礦料級配和瀝青用量與路面車轍的形成聯(lián)系緊密。

2)由于二級路取消收費且與該二級路平行的某省道公路一直處于封閉施工狀態(tài)，致使此路段交通量急劇增長，實際交通量遠遠大于預測交通量，且多為重載車輛。超載對路面結(jié)構(gòu)的疲勞損傷與超載量呈幾何倍數(shù)增長。

3)河西該地區(qū)夏季太陽輻射強，致路表溫度過高，重載及高溫耦合作用下極易產(chǎn)生車轍。荷載與溫度耦合作用下車轍深度較荷載單一元素作用時平均增加17.08%。

3.2 該公路車轍防治措施建議

1)建議及時合理疏導現(xiàn)有嚴重超過路面承載力的交通量，加大治超力度，減少超載車輛數(shù)量，降低超載、超重車輛對道路的破壞程度。

2)重視級配設計。在設計配合比階段，應保證在級配范圍內(nèi)混合料結(jié)構(gòu)組成靠近緊密嵌擠骨架結(jié)構(gòu)，在施工過程中，應重視生產(chǎn)配合比設計,嚴格按設計值及偏差范圍進行控制。

3)對本項目已經(jīng)出現(xiàn)車轍的路段，尤其是紅綠燈十字路段，銑刨后及時進行路面補強處理，為進一步增強路面抗車轍能力，建議瀝青混合料中摻加抗車轍劑。

4)為了減少河西地區(qū)高溫對路面的影響，在慢速渠化交通的紅綠燈路口、爬坡路段，可考慮在該路段兩側(cè)種樹或在中午最高溫時段進行路面灑水降溫。但是，水的存在又會降低瀝青的粘附性，產(chǎn)生集料剝落、坑槽等病害。灑水對路面的綜合效益有待進一步研究。