基于轴载谱的路面结构性能

曾 维 樵

(大连理工大学 建设工程学部, 辽宁 大连　116024)

基于轴载谱的路面结构性能

曾 维 樵

(大连理工大学 建设工程学部, 辽宁 大连116024)

摘要:针对我国目前的道路设计方法中将设计年限内的混合交通换算为一个当量轴载作用次数用于设计的状况,认为采用累计当量轴载作用次数的方法并不能够全面、准确地描述交通载荷特性,而轴载谱作为一种描述交通载荷的方法,通过确定每类车型的各种轴载在不同轴重区间的分布比例,无疑比传统当量轴载作用次数的方法能更加全面、精确地反映交通载荷特性.利用AASHTO 2002力学-经验法进行基于轴载谱的路面结构性能分析.

关键词:轴载谱; 当量轴载; 车道分布系数; 疲劳开裂; 路面性能; 路面结构

1车道分布系数实测与分析

对于多车道道路,不同车道上的交通量分布明显不同,而且不同车道上的车辆类型组成也有区别,这些差别将造成各车道病害发展程度的不同,所以有必要首先确定不同车道上交通载荷特性的区别[1].本文在辽宁省三条高速公路上进行了现场交通摄像,来实测各车道的交通量车道分布系数及交通组成.实测道路断面为沈哈高速K20～K21、京沈高速K625～626、沈大高速K101～K102,其中京哈高速为单向两车道,京沈高速、沈大高速为单向四车道,在道路适当的位置安放摄像机,连续拍摄各车道通过的车辆,要求拍摄角度能清楚识别各个车辆的轴载组成,以准确地确定车辆类型.图1给出了现场交通摄像的一个示例.

图1　现场交通摄像

每个断面交通摄像时间大约为10 h左右.摄像完成后,在室内对摄像进行分析,读取每个车辆的轴载组成、所在车道等信息,统计各个车道上各种车型的数量,用以确定车道分布系数及车辆组成.

表1给出了各断面不同车道上的车辆组成,其中第1车道为最内侧车道,依次外推. 由于京沈高速的最外侧车道发生了严重的车辙,该车道上几乎没有车辆行驶,所以可以把京沈高速视为单向三车道道路,在以下分析时京沈高速不包括车道4的数据.

表1表明,内侧车道有大量的小轿车(1类车)行驶,而该种车由于重量轻,在路面分析和设计中不予考虑.表2给出了各条高速公路的车道分布系数,描述了12型及以上车辆(本课题中统称为卡车,即表1中2～9类车之和)在各个车道上的分布比例.可见,不同车道上的卡车交通量分布明显不同,对于两车道道路(沈哈高速),内侧车道卡车交通量占30%左右,外侧车道占70%左右.对于3车道道路,车道2和车道3的交通量分别约占42.5%和53.8%左右,而车道1不到4%.对于4车道道路(沈大高速),最大车道分布系数为44%左右(车道3),最小车道分布系数为1.9%左右(车道1),车道3的分布系数大于车道4的系数.考虑到本课题中对于2、3、4车道各实测了一条道路,且交通载荷存在较大的变异性,所以在以下路面结构性能分析中,将车道分布系数分成表3所示的各种工况分别进行分析,并比较结果.

表1　各断面交通组成统计

表2　各断面车道分布系数

表3　车道系数分档典型值

表4给出了不同车道上的车辆类型分布系数.可以明显看出,大客车(2类车)与货车分别在内测车道、外侧车道上有较高的分布比例.不同车辆各种轴载的轴载谱(轴重分布系数)有所不同,所以不同的车辆类型组成将影响路面结构的使用性能.在以下的性能分析中,对表3中所列各档车道分布系数分别取表4中给出的车辆类型分布系数.根据道路设计的最不利原则,应该根据对路面损害较大的货车的分布比例来选取高车道系数,如3车道的车道3和4车道的车道4分布为最不利车道.

表4　各车道车辆类型分布系数

2AASHTO 2002路面性能模型及输入参数

根据美国AASHTO 2002路面结构设计方法中的性能模型,本文对辽宁省高速公路典型沥青路面结构进行了分析.

2.1输入参数

在AASHTO 2002设计方法中,许多输入参数有三个输入水平,在不同水平下输入的数据其质量有所不同,各输入水平如下.

水平1通过试验和测量得到的输入数据,例如通过试验得到的沥青混合料的动态回弹摸量或在现场测定的交通量及轴重等;

水平2利用相关关系来确定所需要的输入参数,例如利用经验关系从土基的CBR值估算其回弹摸量值;

水平3利用全国和地区的典型值来确定输入参数,例如根据土基类型来确定其典型的回弹摸量值,或根据卡车的类型来确定其典型轴重或分布.

本文对表5所示的辽宁省高速公路典型沥青路面结构进行分析.由于AASHTO 2002中各材料力学参数的试验方法和我国不同,参数典型值和我国有较大的区别,本文中各材料参数采用第三水平输入.根据AASHTO 2002设计方法指南,各材料力学参数典型值如表5所示.

表5　路面结构及参数

沥青混合料的力学性质用动态模量主曲线来描述.沥青混合料是典型的黏弹性材料,其力学性质受温度和载荷作用时间的影响很大.对于粘弹性材料,同样的力学性质可以在高温-高载荷频率或在低温-低载荷频率下得到.在不同温度和载荷作用频率下得到的动态模量可以根据时间-温度等效原理,通过在水平方向平移后形成一条在参考温度下的光滑曲线,称为动态模量主曲线(Master Curve).

本文利用Witczak模型来确定动态模量主曲线,Witczak模型为:

其中:|E*|为动态模量,Pa;η为沥青黏度,105 Pa·s;f为载荷频率,Hz;Va为空隙率,%;Vbeff为有效沥青体积,%;ρ34为19 mm筛上的累积量;ρ38为9.5 mm筛上的累积量;ρ4为4号筛(4.75 mm)上的累积量;ρ200为200号筛(0.075 mm)的通过率.沥青黏度η用以下公式确定:

式(2)中θR为温度;参数A和VTS由沥青性能等级(PG等级)来确定.

对于本文所分析的路面结构,上面层沥青玛蹄脂碎石、中面层中粒式沥青混合料、下面层粗粒式沥青混合料,各参数取值如表6所示.

表6　各层沥青混合料参数值

根据Witczak(维特查克)公式和以上各沥青混合料的参数,就可以计算得到各沥青混合料的动态模量主曲线[2],如图2所示.动态模量主曲线的横纵坐标分别为缩短时间和动态模量,其中缩短时间是通过公式(3)转换而来:

式中:t为路面载荷的作用时间;a(θ)为时间-温度位移因子.在拟合动态模量主曲线的过程中,可以确定时间-温度位移因子.各混合料的时间-温度转化因子如图3所示.图2中的动态模量主曲线表征载荷作用频率对材料模量的影响,图3中的时间-温度位移因子表征温度对材料模量的影响,两者结合就可以对沥青混合料的模量进行温度和频率的敏感性分析[3].

图2　动态模量主曲线

图3　时间温度位移因子

环境条件对路面结构的使用性能有很大的影响, 环境条件通过改变路面结构内的温度场和湿度场, 从而改变材料的性能, 进而影响路面结构的性能. 另外,如果在某一时间段, 由于温度和湿度的增加, 造成各层材料力学性能和使用性能的下降, 特别是交通较集中的时间段, 则路面结构在这一时间段内发生的破坏将远远大于其他的时间段. 所以为了客观反映路面结构性能衰变过程, 需要了解路面结构内温度场和湿度场的变化情况. 本文采用了和辽宁省气候条件比较接近的美国匹兹堡地区的相关气候数据进行分析, 数据包括了从1997—2006年的每一小时上述相关气候数据.

对于交通载荷参数,AASHTO2002设计方法要求输入车道系数、车辆类型分布系数、轴数系数、轴重分布系数、交通量月调节系数、交通量小时调节系数等.通过对辽宁省动态称重数据和现场交通摄像数据的分析,已确定了完整的交通载荷参数,将这些参数输入AASHTO2002设计软件中进行分析.

2.2车辙分析模型

永久变形(车辙)是我国沥青路面结构主要的病害形式之一.车辙取决于路面结构、材料、交通组成及数量,以及道路所在地区的环境.在AASHTO2002设计方法中,利用建立的车辙预测模型可以比较准确地预测各结构层在使用期内的永久性变形[4].路面结构的总变形由下式计算[5]:

(1) 沥青混凝土材料的永久变形.AASHTO2002设计方法中,要获得沥青混合料的永久变形模型需要进行室内重复加载试验,在室内重复加载试验的基础上对试验数据进行系统处理并进一步修正.通过以上步骤得到的沥青混合料永久变形模型如下[6]:

式中:εp为累积塑性变形;εr为回弹应变(载荷作用频率、沥青混凝土性质和温度的函数);N为载荷作用的次数;θ为温度;k1表征不同深度围压的影响(沥青层总体厚度和计算点深度的函数).k1可由下式得到:

式中:hac为沥青层的总体厚度;d为计算点的深度.以上车辙模型利用路面长期性能(LTPP)数据库中88个试验段的数据进行了标定,共有387次现场车辙观测数据用于了模型的标定.

(2) 粒料材料层和土基的永久变形模型.AASHOT2002 设计方法中粒料材料层和土基的永久变形模型是基于Tseng和Lyton开发的模型,并对该模型进行修改和现场标定后得到,其形式如下[7]:

式中:δa为永久变形;N为载荷重复作用次数;ε0、β、ρ为材料性质;εr为回弹应变;εv为从响应模型中得到的平均竖向回弹应变;h为层厚;βGB为标定系数,对粒料材料层,βGB为1.673,对于土基βGB=1.35.

2.3疲劳开裂分析模型

最近的许多研究表明, 疲劳裂缝也可以起始于沥青层的顶部而向下发展(从上到下的裂缝). AASHTO 2002设计方法可以预测从下到上和从上到下两种疲劳裂缝. 对于从上到下的裂缝, 模型计算沥青层表面的疲劳破坏; 对于从下到上的裂缝, 模型计算沥青层底面的疲劳破坏, 然后利用标定数据将疲劳破坏和疲劳开裂的数量联系起来.

疲劳破坏的计算是基于米勒法则(Miner’s Law)的:

式中:D为疲劳破坏;T为总计算区间数;ni为第i区间的实际交通量;Ni为第i区间的容许交通量.

AASHTO 2002设计方法中采用疲劳开裂的容许轴载作用次数是利用美国沥青协会(Asphalt Institute)的模型来预测的,该模型通过现场数据标定后得到以下形式:

对于从下到上的疲劳开裂:

对于从上到下的疲劳开裂:

式中:hac为沥青层的总厚度.

最终用于从疲劳破坏计算疲劳裂缝数量的转化方程为:

对于从下到上的疲劳开裂

对于从上到下的疲劳裂缝

式中:FCtop为从上到下的疲劳开裂数量;D为从上到下的疲劳破坏.

3不同车道病害分析

对前述辽宁省高速公路典型路面结构(如表6所示)进行分析.为便于比较,分析中各种工况下的单向卡车交通量为5 000辆/天,对于单向2车道、3车道、4车道道路,按照表3和表4给出的不同车道分布系数典型值和所对应的车辆类型分布系数分别进行分析.将前述的路面结构参数、材料参数、交通参数及环境参数输入AASHTO 2002设计软件,该软件就可以分析永久变形、从下到上疲劳开裂和从上到下疲劳开裂随时间的发展过程.

3.1车辙分析

图4中给出了2车道道路各个车道上车辙随时间的发展过程.可见不同车道上车辙发展速度有明显的区别.当以15 mm为失效准则时,外侧车道(车道2)约在4.3年后达到15 mm,而内侧车道(车道1)约在11.3年后达到15 mm.这是由于外侧车道交通量大,且外侧车道中重型货车分布比例较高.

图4　不同车道车辙分析结果(2车道道路)

图5中给出了3车道道路各个车道上车辙随时间的发展过程.同样,外侧车道车辙发展速度明显快于内侧车道,最外侧车道(车道3)约在4.4年后车辙达到15 mm,中间车道(车道2)约在7.3年后达到15 mm,而最内侧车道(车道1)在15年分析期末车辙只有7.6 mm.

图5　不同车道车辙分析结果(3车道道路)

图6中给出了4车道道路车辙分析结果.可见外侧的两个车道(车道3、4)约在5.2年后车辙达到15 mm,而车道2在15年末达到14 mm,车道1在15年末车辙只有5.5 mm. 和3车道道路分析结果相比,4车道道路中第2车道的车辙发展速度远低于3车道道路的第2车道,这是因为4车道道路中交通量主要分布在3、4车道上,车道2承担的交通量较小,并且车道2上重型货车分布比例较小.对于3车道道路,第2车道上承担的交通量以及重型货车比例都较大,所以其车辙发展相对较快.

图6　不同车道车辙分析结果(4车道道路)

图7给出了2车道、3车道、4车道道路最外侧车道车辙随时间的发展过程.可见,2车道、3车道道路的最外侧车道车辙没有明显区别,而4车道道路的车辙则稍小.虽然2车道、3车道道路最外侧车道的车道分布系数分别为70%和55%,但是由于2车道道路的外侧车道中客车和12型货车(2轴6轮)比例较高,而3车道道路的外侧车道中重型货车比例较高,所以造成这两类道路外侧车道的车辙相近.对于4车道道路,其外侧车道的车道分布系数为45%,而车辆类型分布系数和3车道道路接近,所以其车辙比其他两类道路少一些.

图7　最外侧车道车辙分析结果

表7给出了不同年份2车道道路上各车道的车辙,同时给出了内侧车道(车道1)与外侧车道(车道2)的比值.可见,在不同年份,内侧车道的车辙大约是外侧车道的72%. 表8给出了3车道道路的分析结果,车道2和车道1的车辙分别是外侧车道(车道3)的82%和33%左右.表9给出了4车道道路的分析结果,车道2和车道1的车辙分别是外侧车道(车道3、4)的64%和25%左右.

表7　不同车道车辙及比值(2车道)

表8　不同车道车辙及比值(3车道)

表9　不同车道车辙及比值(4车道)

3.2疲劳开裂分析

各工况下分析结果表明,对于辽宁省典型的高速公路路面结构,当半刚性基层完好时,各种工况下路面结构基本不发生从下到上疲劳开裂.这是因为半刚性基层承载能力强,对于上面的沥青层能提供很好的支撑作用,可以有效降低沥青层底的拉应变,所以不易发生从下到上疲劳开裂.

图8～图10中给出了各类道路不同车道上从上到下疲劳开裂的发展过程.可见,不同车道上从上到下疲劳开裂的相对发展速度和车辙类似,最外侧车道发展较快,而内侧车道发展较慢.对于3、 4车道道路, 最内侧车道上几乎没有从上到下疲劳开裂.各种工况下从上到下疲劳开裂在15年末均小于6 m/km,这远远小于AASHTO 2002设计指南中建议的380 m/km的失效准则.所以对于辽宁省高速公路典型路面结构,疲劳开裂不是主要的病害形式.

图8　不同车道从上到下疲劳开裂分析结果

图9　不同车道从上到下疲劳开裂分析结果

图10　不同车道从上到下疲劳开裂分析结果

由以上分析可知,由于多车道道路内侧和外侧车道在交通量及车辆类型组成上存在差别,造成内、外侧车道的病害发展速度有明显不同,所以在道路养护、维修工程中,可根据情况考虑分期分车道设计方案.比如,在第一次维修时,可只处理外侧车道的病害,而对内侧车道不予处理,并保持内侧车道开放交通.第二次维修时,再对内、外侧车道同时处理,这样可以大大节省维修费用,并减少封闭交通对公众的影响.

4结论

对沈哈、沈大及京沈高速公路进行了现场交通摄像,通过对相关数据的整理分析,确定了辽宁省2车道、3车道、4车道高速公路车道分布系数的典型值,可供路面结构分析和设计使用;利用AASHTO 2002沥青路面设计方法,根据辽宁省典型的轴载谱参数和车道分布系数,对辽宁省高速公路典型路面结构的使用性能进行了分析.表明对于辽宁省高速公路典型路面结构及交通载荷状况,当半刚性基层完好时,基本上不会发生从下到上疲劳开裂,可能会发生少量的从上到下疲劳开裂,交通载荷引起的主要病害形式是车辙;对于单向多车道道路,由于各车道上交通量及交通组成不同,不同车道的车辙发展速度有很大的区别,外侧车道承受重载货车的比例较高,产生的车辙远大于内侧车道.对于2车道道路,不同年份内侧车道与外侧车道车辙的比值为72%左右,对于3、4车道道路,该比值只有30%左右.由于内、外车道病害发展速度的不同,所以应根据具体情况考虑分期分车道的维修方案.

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【责任编辑: 祝颖】

Pavement Performance Based on Axle Load Spectrum

ZengWeiqiao

(Faculty of Infrastructure Engineeing, Dalian University of Technology, Dalian 116024, China)

Abstract:According to the status that, the mixed traffic is converted to an equivalent number of axle loads in Chinese current road design method, it considers that the approach of using the cumulative equivalent axle loads is not able to fully and accurately describe the traffic load characteristics. The axle load spectrum is a way to describe the traffic load, by determining the ratio of the distribution of axle load at different intervals of the various axes of each type of vehicle, and is undoubtedly more comprehensive and accurate than the traditional equivalent axle load method in reflecting the traffic load characteristics. The performance of pavement structure is analyzed based on axle load spectra using AASHTO 2002 mechanics-empirical method.

Key words:axle load spectrum; equivalent axle load; lane distribution factor; fatigue cracking; pavement performance; pavement structure

中图分类号:TB 34

文献标志码:A

文章编号:2095-5456(2015)06-0495-08

作者简介:曾维樵(1989-),男,福建宁德人,大连理工大学硕士研究生.

收稿日期:2015-05-05