基于車轍等效的軸載換算關系研究

鄭志龍，袁美俊

(1.陜西省公路勘察設計院，西安710068;2.江蘇省交通技師學院，江蘇鎮(zhèn)江212006)

車轍病害極大地影響了道路的使用安全及行車舒適性，是瀝青路面較為嚴重的病害。隨著公路運輸量的日益增長和軸載的重型化，尤其是高等級公路交通的渠化運行，車轍已成為瀝青路面的主要病害類型。有研究表明［1－3］:交通渠化會引起路表車轍的顯著增加，在40℃、70 kN的HVS雙輪軸載作用11萬次后，渠化交通段車轍深度為13 mm，混合交通段為7 mm。車輛荷載的重型化也加速了車轍的發(fā)生，重載產(chǎn)生的車轍比輕型荷載大得多，軸載增加1倍，其車轍要達到10～15倍。另外，環(huán)境溫度也是引發(fā)車轍的重要因素，瀝青混合料抗蠕變能力隨溫度升高而下降，在軸載作用下容易產(chǎn)生高溫永久剪切變形而導致車轍的產(chǎn)生，在40℃～60℃范圍內(nèi)，溫度每升高5℃，車轍深度將增加2倍［4－5］。在交通運輸發(fā)達的國家，瀝青路面永久變形觀測或有關參數(shù)值已成為路面設計中的一項重要控制指標。鑒于車轍病害的嚴重性及車轍預估工作的復雜性，本文通過室外相關加速加載試驗對不同路面結構進行車轍等效的軸載換算進行了初步研究。

1 足尺加速加載試驗系統(tǒng)

本文采用澳大利亞生產(chǎn)的ALF加速加載設備對3種路面結構進行了高溫車轍加速加載試驗、常溫疲勞加速加載試驗以及路面結構動力力學響應試驗。澳大利亞設計的ALF是直線形試驗道上加速加載設備的代表。直線式加速加載足尺試驗系統(tǒng)對鋪筑的路面結構進行研究，不但能較好的模擬路上實際車輛荷載作用，能在短時間內(nèi)得出路面結構的抗車轍能力與疲勞壽命，具有高效、準確等特點，但其設備價格昂貴，對試驗場地的要求也較高，目前在我國的使用范圍較有限。

加速加載試驗系統(tǒng)施加的荷載為半軸雙輪荷載，輪載可從40～100kN，以10kN為一個等級(相當于軸載從80～200kN，以20kN為一等級)任意選定，每9秒對路面表面施加一次單向選定的輪載，加載速度為20km/h，加載帶的長度為12m，每天可向路面施加約9000次單向選定輪載。路面的溫度可以由加熱系統(tǒng)進行加熱，通過溫度傳感器進行控制，在路面結構內(nèi)各層埋設溫度傳感器，通過配套儀器可以進行溫度場的測試。溫度場溫度的測試每30min一次，測試的頻率高，試驗數(shù)據(jù)準確。通過車轍儀、彎沉儀將采集的數(shù)據(jù)變?yōu)槊}沖信號輸送給加速加載的采集系統(tǒng)［6］(如圖1所示)，因此采集的車轍與溫度數(shù)據(jù)具有很高的精度。

圖1 ALF設備在甘肅武威試驗場Fig.1 ALF in Wuwei testing ground of Gansu province

1.1 測點布置

試驗期間在9m長的加載帶范圍內(nèi)，對每個結構段進行7個斷面的表面橫斷面車轍試驗，每個橫斷面之間的距離及車轍測定斷面的位置如圖2所示，豎線與中心線交點的位置，共21個斷面，可以反映測量斷面位置處的路表面的形變情況并生成曲線，車轍試驗時得到車轍橫斷面曲線，采用自動路面車轍儀測定每一個橫斷面車轍曲線，每種路面結構共需測定7個斷面如圖3所示。圖3為一典型的橫斷面車轍圖，表示的是同一斷面在不同加載次數(shù)時的車轍曲線，最大車轍深度為最高隆起高度與最大壓陷深度之和。溫度是影響車轍的一個十分重要的因素，加速加載試驗時除了埋設溫度控制傳感器外，還埋設了溫度場傳感器，用來記錄加速加載試驗的溫度場變化情況。

圖2 ALF試驗車轍采集斷面 (cm)Fig.2 Sections of track acquisition by ALF test(units:cm)

圖3 橫斷面車轍曲線Fig.3 Cross－sectional rut curve

2 路面結構方案

進行加速加載實驗前，首先擬定試驗路面結構方案。確定該方案的過程中重點考慮我國現(xiàn)行常用路面結構，以及近年來各省新推出的新型路面結構，柔性路面結構。為了能夠體現(xiàn)軸載換算指數(shù)的普遍性，加速加載車轍試驗共設計了3種路面結構(見表1)，分別為:結構1為甘肅省現(xiàn)階段常用的半剛性基層瀝青路面結構;結構2為柔性基層瀝青路面結構;結構3為高性能基層薄瀝青層路面結構。在甘肅省武威市重載交通加速加載試驗場進行了為期1年的加速加載試驗，最終得出了試驗路面結構的車轍數(shù)據(jù)。

表1 加速加載試驗路面結構組成Tab.1 Pavement structure in accelerated loading test

2.1 車轍等效軸載換算理論

美國各州公路工作者協(xié)會AASHTO通過環(huán)道試驗［7－8］，研究了超載對路面結構的破壞作用，得出如下結論:車輛對路面的破壞性與軸載的m次方成正比 (路面的破壞程度相同的前提下，不同軸載與加載次數(shù)關系)，即:

式中:p，n，為標準軸載及其作用次數(shù);pi，ni，為某一種軸載及其作用次數(shù);m為試驗系數(shù)。

2.2 車轍數(shù)據(jù)整理及指數(shù)計算

三種路面結構在同種溫度條件下，分別進行軸重為100kN及160kN的兩次加載試驗，加載溫度為控制路表3cm處溫度為50℃。三種路面結構的加載次數(shù)與車轍深度關系見表2～表4，本文采用公式 (1)進行同一路面結構的車轍等效的軸載換算系數(shù)的計算。公式 (1)中描述的是當路面結構達到破壞狀態(tài)時，路面遭受的荷載與荷載作用次數(shù)關系?，F(xiàn)取車轍深度作為特定的破壞形式，當同一路面結構其車轍深度相同時，所采用軸載及加載次數(shù)符合公式 (1)中的關系，將已知的加載次數(shù)及加載軸載的數(shù)據(jù)帶入公式 (1)計算得出系數(shù)m，此時m值僅能代表以車轍等效的軸載換算系數(shù)。實驗數(shù)據(jù)及處理結果見表2～表4。

表2 結構一車轍等效軸載換算指數(shù)Tab.2 Conversion index of rutting equivalent axle load in structure one

表3 結構二車轍等效軸載換算指數(shù)Tab.3 Conversion index of rutting equivalent axle load in structure two

表4 結構三車轍等效軸載換算指數(shù)Tab.4 Conversion index of rutting equivalent axle load in structure three

由表2～4的計算結果可以看出，車轍深度在1cm以內(nèi)時，軸載換算指數(shù)較小，原因是車轍深度發(fā)展過程中首先是路面處于壓密階段，在此階段軸載的輕重的區(qū)別沒有體現(xiàn)出來。軸載換算系數(shù)的計算應該取車轍深度發(fā)展穩(wěn)定后進行計算分析，本次加速加載試驗表明在50℃下，車轍深度發(fā)展到3cm后趨于平緩增長。此外，還發(fā)現(xiàn)了柔性基層的指數(shù)略小，半剛性基層的指數(shù)較大，這可能與柔性基層固有的特點有關。根據(jù)加速加載試驗結果，軸載換算指數(shù)的選用常規(guī)半剛性結構取2.41～2.57，面層較薄的半剛性基層取值應在1.9～2.09，柔性基層取1.85～1.9。

3 室內(nèi)車轍等效的軸載換算

室內(nèi)車轍等效軸載換算關系，采用車轍板試驗。溫度為60℃，通過調(diào)節(jié)車轍儀上的加載力，建立車轍深度與軸載的關系，試驗材料為SMA－13，車撤等效軸載換算采用公式 (1)。

在隨車轍深度相同時，行走次數(shù)與換算指數(shù)的關系見表5。

表5 室內(nèi)車轍等效軸載換算指數(shù)Tab.5 Conversion index of rutting equivalent axle load in laboratory

通過表5數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，車轍深度在0.9cm時車轍就已經(jīng)趨于穩(wěn)定發(fā)展階段，后續(xù)隨著加載的增加車轍深度增加均不明顯，故軸載換算可以選擇0.9cm時的加載次數(shù)為基本參數(shù)。通過計算得出，室內(nèi)車轍等效換算指數(shù)為1.47?？梢娀谲囖H等效的軸載換算系數(shù)在室內(nèi)與室外環(huán)境條件下還是有較大差異的，不能簡單的通過室內(nèi)試驗得出相關軸載換算系數(shù)。

4 結論

通過加速加載試驗，得出了三種類型路面結構在不同軸載下車轍的發(fā)展變化規(guī)律，通過計算分析得出了三種路面結構基于車轍等效的軸載換算系數(shù)分別為:常規(guī)半剛性結構取2.41～2.57，面層較薄的半剛性基層取1.9～2.09，柔性基層取1.85～1.9。另外，室內(nèi)小型車轍模擬試驗的換算指數(shù)為1.47，其僅能在一定程度上表征特定材料的抗車轍特性，與正常路面結構的換算系數(shù)之間無明顯聯(lián)系。

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