城市道路與公路規(guī)范中車轍計(jì)算方法的對比分析

崔永日,趙善德

(延吉市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司,吉林 延吉 133000)

1 前 言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展,城市交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)日益完善,并且新能源汽車在我國得到了大力推廣,雖然近兩年疫情對我國的經(jīng)濟(jì)發(fā)展有一定影響,但汽車保有量一直穩(wěn)定增長,據(jù)公安部統(tǒng)計(jì),2022年汽車保有量達(dá)3.19億輛,比2021年增加1 752萬輛,增長5.81%。汽車保有量的增長,對我國城市交通的建設(shè)也帶來了很大的考驗(yàn)。

隨著城鎮(zhèn)交通量的不斷增大,交通信號燈控制成為疏導(dǎo)城鎮(zhèn)道路的主要手段,而且很多城市為了緩解交通壓力也分別修建了BRT等快速交通系統(tǒng)。但隨著交通信號燈以及公交車站的建設(shè),在交叉口及公交車站附近汽車會(huì)頻繁地制動(dòng)以及啟動(dòng),對路面結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的剪力,導(dǎo)致車轍、擁包現(xiàn)象非常嚴(yán)重,現(xiàn)階段車轍現(xiàn)象已經(jīng)成為主要的問題。

目前我國的城鎮(zhèn)道路瀝青路面設(shè)計(jì)依然采用2012年版的《城鎮(zhèn)道路路面設(shè)計(jì)規(guī)范》,《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》在2017年發(fā)布了新的版本,并且更新了瀝青路面的計(jì)算方法,同時(shí)也增加了車轍方面的計(jì)算。以延吉市城市路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為例,對車轍現(xiàn)象進(jìn)行分析。

2 城鎮(zhèn)車轍現(xiàn)象的原因分析

目前城鎮(zhèn)道路瀝青路面車轍主要出現(xiàn)在城鎮(zhèn)交叉口及公交車?？空咎?其原因主要有以下四個(gè)方面。

在車輛進(jìn)出交叉口或公交車站的時(shí)候,經(jīng)常需要減速,在減速過程中車輛的荷載會(huì)進(jìn)行重分配,導(dǎo)致前軸變重,后軸變輕,在這個(gè)過程中路面的水平力和剪應(yīng)力都會(huì)大大增強(qiáng),從而使瀝青路面發(fā)生橫向變形和剪切變形。

在交叉口與公交車?？空緟^(qū)域,車輛需要經(jīng)常地啟動(dòng)和制動(dòng),在啟動(dòng)和制動(dòng)過程中會(huì)對路面產(chǎn)生非常大的水平力,尤其是在緊急剎車的時(shí)候,會(huì)對路面產(chǎn)生非常大的拉應(yīng)力和剪應(yīng)力,當(dāng)重型車較多,在豎向力和水平力共同作用下,容易使剪應(yīng)力超過抗剪強(qiáng)度,使路面出現(xiàn)車轍、擁包等破壞。

在夏季,尤其在南方城市,在室外溫度達(dá)到40 ℃左右時(shí),瀝青路面的溫度已經(jīng)達(dá)到60～65 ℃,根據(jù)《城鎮(zhèn)道路路面設(shè)計(jì)規(guī)范》表C.1,在溫度上升到60 ℃時(shí),路面瀝青材料的抗壓模量和抗剪強(qiáng)度都會(huì)急劇下降,此時(shí)在重型車的反復(fù)作用下,路面更容易發(fā)生車轍、擁包等破壞。

車輛在交叉口與公交車?？空緟^(qū)域的車速相對緩慢,且需要等待紅綠燈,因此路面長時(shí)間承受荷載的作用,更容易發(fā)生車輛車轍、擁包等病害。[1]

3 計(jì)算方法

在路面變形方面(如車轍、擁包等)的計(jì)算上,《城鎮(zhèn)道路路面設(shè)計(jì)規(guī)范》是以剪應(yīng)力進(jìn)行控制,而在《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》中則采用永久變形量進(jìn)行計(jì)算控制,雖然都是對路面的變形及車轍方面的計(jì)算,但計(jì)算方法并不相同。

3.1 《城鎮(zhèn)道路路面設(shè)計(jì)規(guī)范》(CJJ 169—2012)

根據(jù)《城鎮(zhèn)道路路面設(shè)計(jì)規(guī)范》,瀝青混合料結(jié)構(gòu)層容許抗剪強(qiáng)度按公式(1)計(jì)算。

(1)

式中:τs為瀝青面層材料的60 ℃抗剪強(qiáng)度,MPa;Kr為抗剪強(qiáng)度結(jié)構(gòu)系數(shù)。

對于一般行駛路段Kr=1.2/Ac;對于公交車停車站、交叉口等地點(diǎn),抗剪強(qiáng)度結(jié)構(gòu)系數(shù)Kr如下。

Kr=0.39Np0.15/Ac

(2)

式中:Np為公交車停車站或交叉口設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期內(nèi)同一位置停車的累計(jì)當(dāng)量軸次,次;Ac為道路等級系數(shù)。

容許抗剪強(qiáng)度與瀝青混合料結(jié)構(gòu)層 60 ℃抗剪強(qiáng)度成正比,與抗剪強(qiáng)度結(jié)構(gòu)系數(shù)Kr成反比,而Kr在一般行駛路段只與道路等級相關(guān),在公交車停車站及交叉口處與累計(jì)當(dāng)量軸次直接相關(guān)。

根據(jù)《城鎮(zhèn)道路路面設(shè)計(jì)規(guī)范》相關(guān)規(guī)定,瀝青面層剪應(yīng)力最大值計(jì)算點(diǎn)位置應(yīng)取荷載外邊緣路表距單圓荷載中心點(diǎn)0.9δ點(diǎn)D或離路表0.1h1距單圓荷載中心點(diǎn)δ點(diǎn)E,并取較大值作為面層剪應(yīng)力,位置見圖1、圖2。

圖1 路面荷載與計(jì)算點(diǎn)豎向位置

圖2 路面荷載與計(jì)算點(diǎn)平面位置

根據(jù)《城鎮(zhèn)道路路面設(shè)計(jì)規(guī)范》有關(guān)公式[2],

(3)

(4)

水平力系數(shù)對于一般路段為0.5,對于公交車停車站、交叉口等緩慢制動(dòng)地點(diǎn)為0.2。其余參數(shù)說明詳見《城鎮(zhèn)道路路面設(shè)計(jì)規(guī)范》(CJJ 169—2012)[2]。

3.2 《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D50—2017)

根據(jù)《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》相關(guān)規(guī)定,車轍方面的計(jì)算采用瀝青混合料層永久變形量進(jìn)行控制,按下列公式進(jìn)行驗(yàn)算。

(5)

(6)

kRi=(d1+d2·zi)·0.9731zi

(7)

(8)

(9)

(10)

(11)

(12)

式中:各參數(shù)說明詳見《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D50—2017)中B.3[3]。

4 計(jì)算及分析

4.1 路面結(jié)構(gòu)的選擇

目前我國道路路面結(jié)構(gòu)組合大部分都是半剛性基層瀝青路面,表面層選用的材料主要有AC-C和SMA瀝青混合料,而基層和墊層材料的選擇樣式比較多,基層的變化對車轍的變化影響不大,因此為了能更直接更清楚地表達(dá)結(jié)果,主要探討結(jié)構(gòu)面層變化對車轍現(xiàn)象的影響,基層組合見表1。

表1 基層結(jié)構(gòu)組合

在不改變基礎(chǔ)和墊層的情況下,選用三種不同的面層材料進(jìn)行計(jì)算對比分析,結(jié)構(gòu)組合見表2。

表2 路面結(jié)構(gòu)組合

4.2 計(jì)算參數(shù)的選擇

因?yàn)閮煞N規(guī)范的計(jì)算方法完全不同,城鎮(zhèn)道路規(guī)范以剪應(yīng)力來控制計(jì)算,而公路規(guī)范中以瀝青混合料層永久變形量來控制車轍計(jì)算,因此以延吉市的路面結(jié)構(gòu)為例,根據(jù)相應(yīng)路面選取參數(shù)見表3。

表3 路面結(jié)構(gòu)參數(shù)

城市道路等級系數(shù)Ac取1.0,路基回彈模量為60 MPa,瀝青混合料層永久變形等效溫度為13.9 ℃。

4.3 城鎮(zhèn)道路剪應(yīng)力計(jì)算

表4 一般路段容許抗剪強(qiáng)度 單位:MPa

由以上結(jié)果可知,在一般路段,容許抗剪強(qiáng)度只與瀝青表面60 ℃抗剪強(qiáng)度有關(guān),而與交通量無關(guān),在道路等級系數(shù)Ac為1.0時(shí),所有的路面結(jié)構(gòu)的容許抗剪強(qiáng)度都大于計(jì)算剪應(yīng)力0.483 MPa,路面結(jié)構(gòu)滿足設(shè)計(jì)要求。

在公交車停車站或交叉口處的容許抗剪強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果見圖3。

圖3 容許抗剪強(qiáng)度

公交車停車站或交叉口處計(jì)算的最大剪應(yīng)力為0.261 MPa,圖3可知,當(dāng)面層采用 AC-13C時(shí),路面結(jié)構(gòu)最大累計(jì)當(dāng)量軸次為1.4×105次;采用 SBS AC-13C時(shí),路面結(jié)構(gòu)最大累計(jì)當(dāng)量軸次為10×105次;采用SMA-13時(shí),路面結(jié)構(gòu)最大累計(jì)當(dāng)量軸次為80×105次。累計(jì)當(dāng)量軸次對容許抗剪強(qiáng)度的影響非常大,即交通量的大小直接影響路面結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)使用年限[4]。

4.4 公路瀝青路面永久變形量計(jì)算

根據(jù)《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D50—2017)可知,一級公路容許永久變形量為15 mm[3],在結(jié)構(gòu)層厚度不變的情況下,車轍試驗(yàn)永久變形量R0i對永久變形量的結(jié)果有直接影響,而車轍試驗(yàn)永久變形量對應(yīng)的動(dòng)穩(wěn)定度DS可作為瀝青混合料的質(zhì)量要求和施工控制指標(biāo),通過調(diào)整面層的動(dòng)穩(wěn)定度DS以及設(shè)計(jì)車道上當(dāng)量設(shè)計(jì)軸載累計(jì)作用次數(shù)Ne3對永久變形量進(jìn)行計(jì)算,結(jié)果見圖4。

圖4 永久變形量Ra

從圖4可以看出,當(dāng)量設(shè)計(jì)軸載累計(jì)作用次數(shù)Ne3對永久變形量的影響明顯,因此在進(jìn)行路面設(shè)計(jì)時(shí),由于計(jì)算的交通量相對穩(wěn)定,因此通過調(diào)整路面瀝青材料的質(zhì)量及施工控制指標(biāo)等手段提高動(dòng)穩(wěn)定度DS,可以降低永久變形量的數(shù)值從而增加路面結(jié)構(gòu)的使用年限。

4.5 計(jì)算結(jié)果分析

通過以上的結(jié)果對比可知,在城市道路抗剪計(jì)算中,一般路段只與瀝青表面60 ℃抗剪強(qiáng)度及道路等級有關(guān),與交通量無關(guān)。而公交車停車站或交叉口處的路面與瀝青表面60 ℃抗剪強(qiáng)度相關(guān),并且道路的交通量直接影響路面結(jié)構(gòu)的使用年限。

在公路瀝青路面計(jì)算中,永久變形量與各瀝青層厚度、動(dòng)穩(wěn)定度、當(dāng)量設(shè)計(jì)軸載累計(jì)作用次數(shù)及永久變形等效溫度有關(guān),由于道路所在地區(qū)的永久變形等效溫度是固定的,各瀝青層厚度相對變化不大,因此在設(shè)計(jì)中動(dòng)穩(wěn)定度及當(dāng)量設(shè)計(jì)軸載累計(jì)作用次數(shù)直接影響永久變形量的計(jì)算結(jié)果[5],所以在設(shè)計(jì)及施工時(shí)增加路面結(jié)構(gòu)的動(dòng)穩(wěn)定度,將直接影響路面結(jié)構(gòu)的使用年限。

5 城市道路與公路的區(qū)別

(1)關(guān)于車轍計(jì)算,《城鎮(zhèn)道路路面設(shè)計(jì)規(guī)范》采用的是剪應(yīng)力,而《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》中采用的是壓應(yīng)力。

(2)我國幅員遼闊,根據(jù)7月平均最高氣溫及氣候分區(qū)可分為夏炎熱區(qū)、夏熱區(qū)及夏涼區(qū)[6]。根據(jù)分區(qū)不同,夏季的最高溫度也不同,《城鎮(zhèn)道路路面設(shè)計(jì)規(guī)范》容許剪應(yīng)力只考慮了瀝青表面60 ℃抗剪強(qiáng)度,采用的是全國統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn),未對全國不同的溫分區(qū)進(jìn)行調(diào)整。而在《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》中采用了永久變形等效溫度參數(shù),對不同分區(qū)進(jìn)行了溫度調(diào)整。

(3)《城鎮(zhèn)道路路面設(shè)計(jì)規(guī)范》對一般道路的剪應(yīng)力計(jì)算,只考慮道路等級而不考慮交通量,只有在交叉口及公交車停車站處需要按交通量進(jìn)行計(jì)算,而《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》中的永久變形量與交通量的0.48次方成正比。

(4)《城鎮(zhèn)道路路面設(shè)計(jì)規(guī)范》中的抗剪強(qiáng)度主要是由表層瀝青面層材料的60 ℃抗剪強(qiáng)度來控制[7],而《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》可由路面瀝青材料的質(zhì)量及施工控制指標(biāo)等提高每一層瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度DS,以降低永久變形量。

(5)城市道路中車輛的制動(dòng)及啟動(dòng)比較頻繁,尤其是在公交車站及交叉口處,因此路面受水平力較大。而在公路中大部分路段上的車輛都正常行駛,水平作用力不大,但是由于公路汽車荷載較大,路面所受壓應(yīng)力比較大。

6 結(jié) 論

通過以上分析比較,可以看出導(dǎo)致瀝青路面車轍現(xiàn)象的主要原因是路面受的剪應(yīng)力及壓應(yīng)力過大,在交通量日益增長的情況下,要想保證路面的設(shè)計(jì)使用年限,應(yīng)提高路面設(shè)計(jì)的累計(jì)當(dāng)量軸次。城市道路中提高路面設(shè)計(jì)累計(jì)當(dāng)量軸次的主要指標(biāo)分別有增加材料層厚度、路面材料的抗壓回彈模量以及瀝青混合料結(jié)構(gòu)層 60 ℃抗剪強(qiáng)度三個(gè)指標(biāo)[8],而其中瀝青混合料結(jié)構(gòu)層 60 ℃抗剪強(qiáng)度對計(jì)算結(jié)果影響最大,也最明顯,因此在進(jìn)行交叉口及公交車停車站路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)優(yōu)先采用如改性瀝青混凝土或SMA等60 ℃抗剪強(qiáng)度較大的路面材料。在公路設(shè)計(jì)中,提高路面設(shè)計(jì)累計(jì)當(dāng)量軸次的主要指標(biāo)分別有增加材料層厚度、路面材料的抗壓回彈模量以及瀝青混合料結(jié)構(gòu)動(dòng)穩(wěn)定度三個(gè)指標(biāo),因此采用動(dòng)穩(wěn)定度較高的路面材料及施工工藝對延長路面的設(shè)計(jì)使用年限效果明顯。

2017版《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》在永久變形量的計(jì)算中首次提出了計(jì)算當(dāng)量設(shè)計(jì)軸載累計(jì)作用次數(shù),可采用道路設(shè)計(jì)使用年限內(nèi)的累計(jì)作用次數(shù)或采用通車至首次針對路面車轍維修的期限內(nèi)的累計(jì)作用次數(shù),也就是說,可以考慮在設(shè)計(jì)使用年限內(nèi)對出現(xiàn)車轍的路面進(jìn)行維修后繼續(xù)使用,這也是城市路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一種思路。在城市車流量越來越大,重載汽車也越來越多的情況下,很多既有的城市道路路面結(jié)構(gòu)已經(jīng)發(fā)生車轍現(xiàn)象,可對路面結(jié)構(gòu)進(jìn)行維修后繼續(xù)使用。

在城市道路中,由于交叉口及公交車站附近的車輛需要經(jīng)常啟動(dòng)和制動(dòng),在啟動(dòng)和制動(dòng)過程中對路面將產(chǎn)生非常大的水平力,因此城鎮(zhèn)道路采用剪應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算非常合理,而公路中由于車輛行駛平穩(wěn),且車輛荷載較大,因此新的公路規(guī)范采用壓應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算,并且公路規(guī)范在一般路段考慮了等效溫度、交通量及各層瀝青混合料對永久變形量的影響,考慮的因素更加全面,但是在二級及以下的公路,也存在大量與其他等級道路相交的交叉口,在交叉口處車輛頻繁地啟動(dòng)及制動(dòng),在這個(gè)過程中也會(huì)產(chǎn)生較大的剪應(yīng)力,導(dǎo)致路面由于剪應(yīng)力過大而產(chǎn)生車轍。

《城鎮(zhèn)道路路面設(shè)計(jì)規(guī)范》于2012年頒布至今已有11年之久,而《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》是于2017年頒布的,且對于一般路段的設(shè)計(jì)方法更為合理。但是公路規(guī)范中缺少對于交叉口及公交車站這種頻繁啟動(dòng)及制動(dòng)的路段的設(shè)計(jì)方法,因此在設(shè)計(jì)中對于一般路段可參考公路規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì),并根據(jù)《城鎮(zhèn)道路路面設(shè)計(jì)規(guī)范》對交叉口及公交車站路段進(jìn)行剪應(yīng)力設(shè)計(jì)。