重載交通瀝青路面車(chē)轍指標(biāo)與道路使用壽命研究

楊 軍,路 旭,柳國(guó)杰,岳紅芳

（寧夏交通科學(xué)研究所有限公司,寧夏 銀川 750001）

0 引言

在道路路面結(jié)構(gòu)中，瀝青路面作為常見(jiàn)的道路鋪裝形式之一，廣泛應(yīng)用于城市道路網(wǎng)絡(luò)中。截至2022 年，我國(guó)公路總里程已達(dá)5 354 800 km，隨著交通量的不斷增大以及行車(chē)渠化等因素，我國(guó)公路養(yǎng)護(hù)里程高達(dá)5 350 300 km，車(chē)轍作為瀝青路面病害的之一，不僅會(huì)影響駕駛安全和舒適性，還會(huì)直接影響道路的使用壽命和維護(hù)成本[1]。

20 世紀(jì)60 年代，美國(guó)學(xué)者[2]經(jīng)由AASHTO 實(shí)驗(yàn)路研究，明確指出永久變形產(chǎn)生的主要原因是路面各層結(jié)構(gòu)厚度減少。20 世紀(jì)80 年代中期，我國(guó)科研學(xué)者開(kāi)始廣泛探討車(chē)轍形變問(wèn)題。1988 年，同濟(jì)大學(xué)的朱永靈[3]和林秀賢[4]運(yùn)用線性黏彈性理論，分析了溫度和荷載作用時(shí)間對(duì)瀝青混合料永久形變的影響。2001 年，《公路瀝青路面養(yǎng)護(hù)技術(shù)規(guī)范》（JTJ 073.2—2001）將車(chē)轍深度評(píng)價(jià)作為一個(gè)瀝青路面使用性能評(píng)價(jià)指標(biāo)，但截至目前傳統(tǒng)車(chē)轍儀及動(dòng)穩(wěn)定度指標(biāo)無(wú)法反映瀝青混合料長(zhǎng)期抗車(chē)轍性能的問(wèn)題，且現(xiàn)有的瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范并未考慮其特殊性而規(guī)定差異化的設(shè)計(jì)方法，對(duì)現(xiàn)有規(guī)范直接套用，忽略了行駛速度降低及水平荷載作用帶來(lái)的不利影響，不能保證特殊路段瀝青路面的使用性能和使用壽命。

該研究旨在在重載交通路段改善瀝青混凝土路面的設(shè)計(jì)，通過(guò)對(duì)干法SBS（聚合物改性瀝青）的環(huán)氧基團(tuán)接枝，在保持SBS 路用性能的前提下，進(jìn)行路面結(jié)構(gòu)組合設(shè)計(jì)，從而開(kāi)發(fā)出適用于高負(fù)荷交通的無(wú)車(chē)轍瀝青路面結(jié)構(gòu)。

研究方法包括使用動(dòng)態(tài)模量、全年交通量和溫度等數(shù)據(jù)作為設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，借助自主開(kāi)發(fā)的軟件將實(shí)際交通負(fù)荷轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)軸載，以解決傳統(tǒng)車(chē)轍測(cè)試方法和動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)無(wú)法有效預(yù)測(cè)瀝青混合料長(zhǎng)期抗車(chē)轍性能的問(wèn)題。此外，還采用ABAQUS 有限元分析軟件，對(duì)比研究了該文提出的無(wú)車(chē)轍瀝青路面、SBS 改性瀝青混合料以及高模量瀝青混凝土，在1 cm 車(chē)轍形成壽命方面的差異。

1 路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 級(jí)配設(shè)計(jì)

該文基于現(xiàn)有的級(jí)配設(shè)計(jì)理論和瀝青用量計(jì)算公式，對(duì)不同面層瀝青混合料的配合比設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了優(yōu)化如圖1~3所示，完成了該實(shí)驗(yàn)路的瀝青混合料配合比優(yōu)化設(shè)計(jì)。

圖1 AC-13 級(jí)配設(shè)計(jì)

圖2 AC-16 級(jí)配設(shè)計(jì)

圖3 AC-20 級(jí)配設(shè)計(jì)

1.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D50—2017），考慮交通參數(shù)、溫度、濕度等參數(shù)和其他影響參數(shù)，最終確定以下路面結(jié)構(gòu)層位及材料參數(shù)如表1 所示。

表1 路面結(jié)構(gòu)層位及材料參數(shù)

2 建立評(píng)價(jià)體系

2.1 標(biāo)準(zhǔn)軸載確定

2.1.1 數(shù)據(jù)獲取

該文通過(guò)對(duì)寧夏回族自治區(qū)的氣象局和氣象站進(jìn)行調(diào)研，獲取寧夏地區(qū)全年的溫度數(shù)據(jù)，對(duì)寧夏回族自治區(qū)典型的路段進(jìn)行交通量調(diào)查，獲取該地區(qū)的交通量信息，并且對(duì)該路段的瀝青混凝土路面進(jìn)行取樣，在2017年出版的《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D50—2017）中材料設(shè)計(jì)選取由靜態(tài)模量轉(zhuǎn)變?yōu)閯?dòng)態(tài)模量，該文通過(guò)壓縮試驗(yàn)和彎曲試驗(yàn)測(cè)得瀝青混合料的動(dòng)態(tài)模量。

2.1.2 標(biāo)準(zhǔn)軸載換算

根據(jù)以上數(shù)據(jù)，將全年的溫度信息、交通量數(shù)據(jù)和瀝青混合料的動(dòng)態(tài)模量數(shù)據(jù)輸入如圖4 的軟件中，按照瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定的方法可得到標(biāo)準(zhǔn)累計(jì)軸載作用次數(shù)。

圖4 當(dāng)量軸載換算系統(tǒng)

2.2 車(chē)轍模型建立

該文利用ABAQUS 有限元模擬分析軟件，建立有限元模型進(jìn)行計(jì)算。通過(guò)模擬分析溫度70 ℃，接地壓強(qiáng)為1.0 MPa 情況下SBS 改性瀝青混合料、高模量瀝青混凝土和無(wú)車(chē)轍混凝土1 cm 車(chē)轍壽命情況。

2.2.1 理論基礎(chǔ)與基本假設(shè)

由于瀝青路面的物理性質(zhì)表現(xiàn)出黏性、彈性和塑性的特性[5]，尤其是在車(chē)輛行駛荷載瞬時(shí)作用下，所導(dǎo)致的黏－塑性變形較為微小。因此，在考慮高等級(jí)、較厚瀝青路面結(jié)構(gòu)時(shí)，可以合理地將整個(gè)路面結(jié)構(gòu)視為線性彈性體，并應(yīng)用彈性層狀體系理論進(jìn)行力學(xué)分析。因此該文采用上述理論有如下五個(gè)假設(shè)作為求解的條件。公路瀝青混合料路面的數(shù)值模擬也是基于“多層彈性理論”。該理論主要假設(shè)如下：①各層為均質(zhì)同向的彈性材料，位移變形微小，服從胡克定律；②最下一層水平和豎直方向無(wú)限大，其上各層豎直方向厚度有限，水平方向無(wú)限；③各層分界面上應(yīng)力和位移連續(xù)；④各層在水平方向無(wú)限遠(yuǎn)處、最下一層在無(wú)限深處應(yīng)力、應(yīng)變和變形均為零；⑤不計(jì)自重。

2.2.2 邊界條件及網(wǎng)格劃分

在該研究中，模型的尺寸為3 m×3.75 m×3 m，其中X、Y、Z 方向分別對(duì)應(yīng)于路面寬度、路面深度以及行車(chē)荷載的方向。模型假定各層之間具有完全連續(xù)的性質(zhì)。為確保數(shù)值模擬結(jié)果的可靠性，為荷載作用區(qū)域進(jìn)行了網(wǎng)格細(xì)分，共劃分成112 860 個(gè)網(wǎng)格。

在考慮瀝青路面精度和計(jì)算效率的前提下，該次模擬采用了八結(jié)點(diǎn)線性六面體單元C3D8R 對(duì)路面結(jié)構(gòu)進(jìn)行了網(wǎng)格劃分。所受荷載為雙圓垂直作用下的均布荷載，如圖5 所示。為了避免網(wǎng)格劃分過(guò)于復(fù)雜導(dǎo)致計(jì)算誤差，該研究將整體路面結(jié)構(gòu)劃分為三個(gè)分區(qū)，分別對(duì)這些分區(qū)進(jìn)行了網(wǎng)格劃分。總計(jì)劃劃分了2 867 個(gè)單元和3 288個(gè)節(jié)點(diǎn)[6]。此外，公路土基底部設(shè)為不透水邊界，并對(duì)其X 方向、Y 方向、Z 方向完全約束；道路行車(chē)方向上進(jìn)行水平約束，如圖6 所示。

圖5 圓柱體分區(qū)網(wǎng)格劃分

圖6 整體路面結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分

2.2.3 荷載施加形式

（1）計(jì)算圖式。參考有關(guān)規(guī)范作出的規(guī)定，路面作用的荷載及控制計(jì)算點(diǎn)如圖7 所示。

圖7 力學(xué)相應(yīng)計(jì)算點(diǎn)位置圖示

（2）車(chē)輛荷載。同樣參考相關(guān)規(guī)范規(guī)定，采用軸重為100 kN 的單軸——雙輪組軸載作為設(shè)計(jì)軸載，輪胎與路面接觸面為圓形，相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表2 所示。

表2 設(shè)計(jì)軸載參數(shù)

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 標(biāo)準(zhǔn)軸載分析

相較于傳統(tǒng)的規(guī)范車(chē)轍法，新方法更能適用于一些交通量大的行車(chē)道路，以評(píng)估瀝青混凝土路面抗車(chē)轍和抗剝落性能。對(duì)同一路面結(jié)構(gòu)進(jìn)行不同的標(biāo)準(zhǔn)軸載換算和試驗(yàn)，如圖8 可以看出，在達(dá)到相同車(chē)轍深度時(shí)，新方法比傳統(tǒng)的規(guī)范車(chē)轍法的荷載作用次數(shù)提高約10%。

圖8 傳統(tǒng)方法與改進(jìn)方法對(duì)比

通過(guò)數(shù)據(jù)擬合如圖9 可以發(fā)現(xiàn)，車(chē)轍深度與荷載作用次數(shù)之間存在很好的相關(guān)性，但傳統(tǒng)試驗(yàn)方法與改進(jìn)實(shí)驗(yàn)方法深度之間存在一定的差異，通過(guò)allometricl 函數(shù)分析得到兩者之間存在很好的相關(guān)性，判定系數(shù)a為0.137 99，b為0.256 75，最終關(guān)系式如下：

圖9 數(shù)據(jù)擬合曲線

式中，y——車(chē)轍深度(mm)；x——荷載作用次數(shù)。

3.2 有限元分析

如圖10（a-c）所示，將1 cm 的SBS 改性瀝青混合料車(chē)轍壽命用ABAQUS 有限元分析可得車(chē)轍壽命在7 000~7 500 之間，高模量瀝青混凝土的車(chē)轍壽命在20 000~25 000之間，無(wú)車(chē)轍瀝青路面車(chē)轍壽命大于800 000。無(wú)車(chē)轍瀝青路面鋪裝比SBS 改性瀝青提高100 倍以上，比高模量/抗車(chē)轍劑路面提高40 倍以上。

圖10 三種材料1 cm 車(chē)轍壽命

根據(jù)以上數(shù)據(jù)可得若用無(wú)車(chē)轍路面高速公路貨車(chē)道，將平均7 年貨車(chē)道銑刨重鋪提高到15 年以上；在新建重載高速時(shí)，可將貨車(chē)道直接設(shè)計(jì)為無(wú)車(chē)轍瀝青路面。運(yùn)營(yíng)高速公路出現(xiàn)車(chē)轍養(yǎng)護(hù)時(shí)，在路面結(jié)構(gòu)保障的情況下，進(jìn)行15 年不再發(fā)生車(chē)轍維修的專項(xiàng)方案設(shè)計(jì)。

4 結(jié)論

該文通過(guò)自主軟件的計(jì)算和ABAQUS 有限元分析軟件模擬可以得出以下結(jié)論：

（1）以動(dòng)態(tài)模量、全年交通量和溫度等數(shù)據(jù)為設(shè)計(jì)指標(biāo)，通過(guò)自主開(kāi)發(fā)的軟件分析可以得到新方法比傳統(tǒng)的規(guī)范車(chē)轍法的荷載作用次數(shù)提高約10%。

（2）采用ABAQUS 有限元分析軟件，研究該文研發(fā)的無(wú)車(chē)轍瀝青路面與SBS 改性瀝青混合料和高模量瀝青混凝土的1 cm 車(chē)轍壽命對(duì)比情況。結(jié)果顯示，無(wú)車(chē)轍瀝青路面比SBS 改性瀝青路面提高100 倍以上，比高模量/抗車(chē)轍劑瀝青路面提高40 倍以上。