沥青路面结构设计中车辙预估模型敏感性分析

王 磊

(辽宁省交通运输事业发展中心 沈阳市 110005)

近年来重载交通沥青路面的车辙问题日趋严峻，降低路面寿命的同时也影响行车安全，目前我国《公路沥青路面设计规范》(JTG D50-2017)采用基于动稳定度的车辙预估模型进行设计。自2017版沥青路面设计规范推出，国内开始对此进行深入研究，李梦琪[1]解释了规范中新修订的设计参数、材料参数和环境参数。余四新等人[2]选取山东省部分一级路路段为试验段，采用新规范进行试验，分析了面层厚度与结构强度间的关系。姚晓阳[3]对新规范中的改建设计进行了解析并考察加铺层的承载能力。罗立峰[4]以广东省内高速公路为例，对新规范中路面材料的设计参数和测试方法提出建议。王亨庭等人[5]针对新版规范中低温开裂指数与路面状态之间的关系以及指数的发展规律进行了分析研究。但是对于车辙预估模型中各个参数的敏感性分析，并没有相关的工作。本文探究车辙破坏对应的参数敏感性以及正负相关性，并依据参数敏感性分析的结论和当前技术提出针对性的解决方法。

1 参数敏感性试验方法

路面设计参数较多，且各参数对沥青路面设计的影响程度不同，通过参数模拟分析，可得出各指标的主要因素和次要因素。对于考察因素多、参考值范围大的试验，若考虑全部因素水平，则试验次数将过多，且难以操作。而正交试验分析法可以从大量试验点中取出极具代表性的部分试验点，再采用正交表的方法安排并进行试验，在保证试验准确的同时还会极大地减少试验量，现已被广泛应用。车辙预估模型敏感性分析方法可采用正交试验分析法[6-8]。

正交试验结果分析采用方差法，输出结果包含主体间因子、各因素水平对应指标的平均值和主体间效应检验，主体间因子表明试验因素和水平的数量，主体间效应检验包含平方和、自由度、均方、F值、R2和显著性六大类。其中参数敏感性最直观的数据是Sig值(显著性)，Sig越小则影响程度越大，显著性越大，以0.01和0.05为分界点。

本研究中沥青路面的设计方法及程序根据《公路沥青路面设计规范》(JTG D50-2017)确定，以我国最为普遍的半刚性基层沥青路面结构为研究对象，对车辙预估模型的关键参数敏感性特点进行研究。最后根据敏感性分析结果，有针对性地提出了可行的工程改善措施，从而控制或降低严重车辙病害现象。

2 沥青路面车辙模型正交试验计算

2.1 正交试验因素和水平确定

在无机结合料稳定类基层沥青路面中，沥青路面车辙参数敏感性试验采用混合水平正交试验(不考虑交互作用)，主要考虑了四个主要因素，分别为交通荷载等级因素(轴载次数)、沥青混合料层厚度因素、等效温度因素、沥青混合料动稳定度因素，且均采用五水平，采用L25(54)等水平正交表分析。

拟定公路为高速公路，将2轴6轮及以上车辆的双向年平均日交通量拟定为200辆/日、1600辆/日、5000辆/日、18000辆/日和70000辆/日，即设计交通荷载等级因素分成五水平分别为轻、中等、重、特重、极重；年增长率为5.0%,方向系数为0.55，车道系数为0.6，车辆类型为TTC2类，设计使用年限为15年，2～11类车辆非满载车占比如图1所示，车辆类型分布系数如图2所示。

计算得出沥青混合料层初始年设计车道日平均当量轴次N1分别为165辆/日、1319辆/日、4122辆/日、14837辆/日、57701辆/日；当量设计轴载累积作用次数N2分别为1298467次、10387736次、32461674次、116862026次、454463435次。

基准等效温度为4.7～29.3℃，沥青混合料层厚度为150～250mm，计沥青路面结构组合形式为：将沥青面层视为一层，上基层和下基层均为水泥稳定级配碎石，底基层为级配碎石。

2.2 正交试验设计

主体间因子及水平组合见表1，对于车辙深度，按照规范，选取A、B、C、D四点进行计算，在永久变形量选取时，仅计入A、B、C、D四点中最大的点。

表1 主体间因子

2.3 正交试验结果分析

各主体间效应检验见表2。结果表明：根据方差分析原理，R2=0.798，说明试验拟合优度高。等效温度因素的Sig值(显著性)为0.008，小于0.01，对沥青路面车辙影响程度极大，显著性极高；沥青混合料动稳定度因素和交通荷载等级(轴载次数)因素的Sig值(显著性)分别为0.024和0.043，均大于0.01且小于0.05，对沥青路面车辙的影响程度大，显著性高；而沥青混合料层厚度因素的Sig值(显著性)为0.949，大于0.05，所以对沥青路面车辙的影响程度小，显著性低。

表2 主体间效应检验

R2=0.935(调整后R2=0.798)

对设计因素中的等效温度、交通荷载等级和沥青混合料动稳定度三种因素与车辙深度进行相关性分析，由于沥青混合料层厚度因素对沥青路面车辙的影响程度小，显著性低，所以沥青混合料厚度因素不参与相关性分析。分析结果见图3～图5。

由图3可知，等效温度(温度)在4.7～29.3℃整体区间内，与沥青路面车辙总体呈正相关，特别是等效温度在17～23.5℃区间内的增长速率要大于4.7～17℃区间内及23.5～29.3℃内的增长速率。

由图4可知，交通荷载等级(轴载次数)在轻交通与中等交通区间内车辙深度急剧增加，在交通荷载等级(轴载次数)为中等交通与重交通区间内车辙深度增加趋势有所减慢，在交通荷载等级(轴载次数)为重交通与特重交通区间内增加趋势较中等交通与重交通区间内有所减慢，但相差不大，在交通荷载等级(轴载次数)为特重交通和极重交通区间内增加趋势又有衰减。

由图5可知，沥青混合料动稳定度在800～12000次/mm区间内，随着动稳定度的增大，车辙深度总体上呈减小趋势，与沥青路面车辙总体呈负相关。同时，当沥青混合料动稳定度增加到一定程度后，车辙深度变化不大。

3 工程改善建议

面层对于提高整体结构的强度方面较弱，但也是形成车辙的特殊层位，不可能完全消除车辙，但可以适当控制。从施工角度出发，摊铺碾压时要注意路基碾压的控制或坡面控制，当沥青料和基层接触时，温度急剧降低，因摊铺或人工操作影响，会形成空隙，所以必须要控制沥青料的残余孔隙率大小。

从养护角度出发，当环境温度偏高时，可采取降温措施保护路面。此外，国内近些年还研制出设置热反射涂层的方法，可有效缓解夏季路面温度过高问题，甚至可降低10℃。

从路面设计角度出发，与车辙直接相关主要包括温度参数、交通量以及材料自身的性质等参数。在一定范围内等效温度参数、沥青混合料动稳定度和交通荷载等级参数敏感性强，可采用坚硬多棱角的粗集料或增大料中矿粉的用量来提高路面抗车辙性能。目前研究发现，在中面层，可使用高温稳定性较高、粘度较大的沥青材料，及部分复合高模量沥青混合料，这种沥青混合料的抗变形性和粘附性远超过普通的沥青混合料，当前也可通过使用沥青添加剂的方式提高沥青混合料的性能。

从温度和荷载等外因角度出发，理论研究上可以通过调整温度方面入手，但是实际操作比较困难，可在养护阶段采用人工物理方法维护，但荷载问题可以从路线设计方面进行改善调节，重视渠化交通设计，既能降低或分散单路线的作用强度，又能保证道路运行效率。

4 结论

本文研究对象为无机结合料稳定类基层(粒料类底基层)的路面车辙问题，选取了交通荷载等级(轴载次数)、等效温度、动稳定度和沥青混合料厚度四种指标，并选用等水平和混合水平正交试验法进行分析，依据《公路沥青路面设计规范》(JTG D50-2017)设计并计算多种工况，并确定出各项指标对车辙的参数敏感性，结论如下：

(1)等效温度敏感性最强，当等效温度在4.7～29.3℃时，随着等效温度的增大，路面车辙深度逐渐增大。

(2)沥青混合料动稳定度敏感性强，当动稳定度在800～12000次/mm时，随着动稳定度的增大，车辙深度呈减小趋势。

(3)交通荷载等级(轴载次数)敏感性较强，当交通荷载等级(轴载次数)在轻、中等、重、特重和极重条件下，随着交通荷载等级(轴载次数)的增大，车辙深度逐渐增大。

(4)沥青混合料层厚度因素在150～250mm范围内对沥青路面车辙的影响程度小，参数敏感性弱。

(5)基于分析结果，从路面设计、等效温度和行车荷载三方面出发，提出了提升路面结构抗车辙性能的工程建议。