公路抗車轍瀝青路面結構設計探討

謝卓昊

（華設設計集團股份有限公司 常州分公司，江蘇 常州 213000）

0 引言

國內瀝青路面主要為半剛性路面結構，整體強度高，故結構性車轍和磨耗性車轍發生的可能性并不大，常見的車轍形式主要是失穩性車轍，即因荷載及溫度耦合作用使瀝青面層發生剪切破壞后所表現出的永久側向流動變形，這種車轍形式與交通渠化存在密切關系且失穩性車轍也主要出現在車道輪跡區域，輪跡帶瀝青面層逐漸下陷并持續向兩側推移，久而久之便形成“W”形車轍。當前，解決瀝青路面失穩性車轍問題的主要措施是使用高性能改性瀝青及優化瀝青碎石級配，通過雙層改性瀝青路面結構的應用及骨架密實性級配設計，起到有效控制瀝青路面車轍病害的效果。然而，這種使用價格相對高昂、施工和易性相對較低的高性能改性瀝青，或是摻加抗車轍劑的處理方法必然會增大瀝青路面施工難度，增加施工造價。此外，這種處理方法也缺乏對瀝青路面整體結構的考慮：一方面，瀝青路面中面層抗車轍性能定位對所有路面結構均適用，但事實上卻是根據瀝青路面剪應力分布情況確定抗車轍層位；另一方面，這種處理方法并未考慮瀝青路面交通渠化所引起的車道交通軸載雙峰特征［1］，單純地通過高性能混凝土全幅等厚攤鋪，必將造成路面非主要輪載區域內高溫性能過度設計［2］。按照現有設計，抗車轍瀝青路面高溫車轍設計使用年限不超過10 a，使用壽命仍然較短。為此，必須采用全新的思路進行瀝青路面結構設計，克服以上問題的同時，提升瀝青路面抗車轍性能，延長其使用壽命。

1 工程概況

341省道溧陽段路線起自上黃鎮東側溧陽與宜興交界處，與宜興段終點相接，實施起點樁號為K0-098.751，路線向西經239省道沿上黃鎮北側下穿常溧高速后，沿礦區南側向西穿越長蕩湖保護區，最終與老241省道相交，終點樁號為 K11+098.270，路線全長約 11.197 km。項目區地處長江下游的北亞熱帶季風氣候區，表現出明顯的溫暖濕潤、熱量豐富、雨量充沛的氣候特點。根據氣象統計結果，年平均氣溫在15.4 ℃，極端最高和最低氣溫分別為41.5 ℃和 -15.5 ℃。該公路段自運行以來交通量持續增大，起訖樁號K3+245.27～K8+987.40段部分車道因重載交通的反復作用而出現路面下陷、軟化、車轍、擁包等病害，這種現象在江蘇省內高速公路運行中普遍存在。為此，考慮到瀝青路面承受交通荷載的同時還受到溫度荷載影響的事實，結合高速公路交通量增長趨勢，在路面結構設計時重視高溫抗車轍設計，以提升路面抗車轍性能。

2 抗車轍瀝青路面結構設計

2.1 設計思路

《公路瀝青路面設計規范》（JTG D50—2017）中通過規定瀝青路面高溫永久變形量驗算，將瀝青路面結構豎向變形控制在瀝青混合料所容許的豎向變形范圍內，為抗車轍瀝青路面結構設計提出了具體要求，即提升瀝青混合料豎向變形量，通過材料及結構優化設計使路面整體處于較低的受力水平，并達到控制路面結構整體豎向變形的目的。

按照以下思路進行抗車轍公路瀝青路面結構設計：首先，根據所初步確定的路面結構組合及相關原材料性能，應用ABAQUS有限元軟件進行行車荷載下瀝青路面結構層剪切應力分布情況的模擬和計算，確定剪切應力對路面結構作用的深度范圍，并明確抗車轍設計層位。其次，結合公路段交通量預測進行路面橫向范圍內車道輪跡的可能分布寬度，明確抗車轍瀝青路面設計的寬度范圍。最后，基于以上步驟，進行抗車轍瀝青路面結構設計斷面區域的確定，并據此調整和優化原材料性能，明確抗車轍瀝青路面設計方案。

2.2 模型構建

應用觀測法對所研究路段實際交通量進行調查，調查結果顯示，臨近硬路肩的寬度為3.75 m的重車道（即第3車道）輪跡橫向分布表現出明顯的雙峰特征（如圖1所示），車道寬度 0.5～1.5 m 及 2.25～3.25 m 均屬于輪跡分布頻率較大的區域。該公路瀝青路面高溫抗車轍設計的車道寬度范圍即左右輪跡帶實際寬度。結合工程實際，采用ABAQUS工程模擬有限元軟件進行該公路路面結構模型構建，路基底完全固定，則路基和路面兩邊均僅承受水平約束。厚4 cm的SMA-13上面層彈性模量為12 000 MPa，泊松比為0.25；厚6 cm的AC-20C中面層和厚8 cm的AC-25C下面層彈性模量均為11 000 MPa，泊松比均為0.25；36 cm厚、水泥摻量5%的水穩級配碎石基層彈性模量為 10 000 MPa，泊松比為 0.25 ；20 cm 厚、水泥摻量4%的水穩石屑底基層彈性模量為8 000 MPa，泊松比為 0.25；路基彈性模量為 60 MPa，泊松比為 0.4。

圖1 重車道（即第3車道）輪跡橫向分布頻率曲線

2.3 瀝青路面結構力學響應特點

根據靜力學分析可以得到，瀝青路面剪應力受輪載作用后的分布情況。瀝青路面結構剪應力隨著深度的增大而呈遞減趨勢，瀝青面層以下18 cm的范圍內的剪應力在0.336～0.520 MPa范圍內變化，平均降速為0.34 MPa/m；瀝青面層以下18～55 cm基層范圍內的剪應力基本穩定在0.50 MPa；底基層和土基結構中剪應力降速均值在0.47 MPa/m；土基120 cm以下剪應力基本穩定在0.054 MPa。此外，瀝青中面層結構剪應力表現出急劇遞減的趨勢，平均降速達到1.51 MPa/m，上面層范圍內結構剪應力取值在 0.418～0.521 MPa 的范圍內，并且上面層剪應力應當在路面結構層中位于最高層位，而中面層結構內的剪應力變動趨勢較為急劇，說明應將該瀝青路面上中面層抗剪性能設計作為路面結構設計及材料性能控制的重點［3］，此結論也與公路改性瀝青路面抗車轍設計思路吻合。分析結果還表明，下面層在標準軸載作用下剪應力取值在 0.340～0.398 MPa 在進行相應路面結構設計時必須結合力學分析，計算不同結構層剪應力水平，據此指導路面結構設計，確保結構層抗剪性能符合設計。

采用相同的分析思路，得到行車荷載作用下瀝青路面結構層壓應力豎向分布曲線，上、中面層深度范圍內豎向壓應力始終處于較高水平，變動趨勢也較為復雜。下面層、基層和底基層結構內豎向壓應力隨著深度的增大而呈降低趨勢，路基結構內的豎向壓應力變化始終不超出0.12 MPa。

2.4 模型優化分析

結合以上對瀝青路面各結構層應力特征的分析可以得出，瀝青路面結構中中面層是既承受剪應力又承受豎向壓應力的結構層。為此，必須在充分考慮輪跡帶分布寬度的基礎上，基于瀝青路面抗車轍性能要求，進行抗車轍瀝青路面結構設計，具體如圖2所示。對于車道寬度0.5～1.5 m 和 2.25～3.25 m 等輪跡分布頻率較大的區域，必須將原中面層瀝青混合料改為抗車轍結構條帶，并以素混凝土澆筑，深度按照6.0 cm的中面層設計厚度確定。為避免抗車轍結構條帶出現裂縫、干縮，應按照5 cm的縱向間隔、5 cm寬度和2 cm深度切縫，并在上面層施工前，采用熱瀝青進行結構條帶和中面層縱橫向接縫處灌縫處理，同時壓貼寬度為5 cm的裂縫帶。

圖2 抗車轍瀝青路面結構優化設計

為進行優化后的抗車轍路面結構方案與初擬方案的對比，對優化后的路面結構進行了二維有限元仿真分析，在有限元模型中將中面層輪跡帶處抗車轍結構條帶彈性模量設定為31 000 MPa，泊松比設定為0.2，其余參數不變。根據有限元分析，抗車轍條帶增設后瀝青路面結構應力便表現出明顯的圍繞車道中心線對稱分布的趨勢特征，所以在分析路面結構剪應力豎向分布情況時，只需要對左側或右側輪跡帶處抗車轍條帶剪應力進行提取和分析即可。本文僅分析左側輪跡帶處路面剪應力及豎向壓應力分布情況，具體如圖3所示。從圖3（a）中可知，在對瀝青路面結構初擬設計方案增設抗車轍結構條帶后，路面結構剪應力表現出明顯的下降趨勢，取值在 0.18～0.54 MPa范圍內，比初擬方案的結構剪應力平均降低20%；基層及底基層結構剪應力降低幅度更加明顯［4］。從圖3（b）中可知，在瀝青路面結構初擬方案基礎上增設抗車轍結構條帶后，結構豎向壓應力降低，降幅最大達37%。

圖3 左側輪跡帶處路面剪應力及豎向壓應力分布

3 方案驗證

為進行341省道溧陽段瀝青路面抗車轍方案高溫抗車轍性能及抵抗永久變形性能的驗證，依據《公路瀝青路面設計規范》（JTG D50—2017）所規定的路面結構永久變形驗算方法，計算初擬方案和優化后的方案下瀝青結構層永久變形量。該公路工程資料顯示，造成其瀝青混合料永久變形的等效溫度為25.18 ℃，工程所在地年氣溫均值為23 ℃，月氣溫均值極差為7.6 ℃。上、中及抗車轍條帶均按照20 mm的厚度分層，下面層單獨為一層，上、中及下面層試驗溫度均控制在60 ℃，試驗壓強均為0.8 MPa，加載次數均為2 520次，所得到的上、中面層及下面層車轍永久變形量分別為 2.5 mm、3.0 mm、3.5 mm，而抗車轍結構條帶無車轍變形［5］。瀝青路面結構層發生永久變形后的抗車轍性能見表1，公路段通車后首次針對車轍養護時優化后的抗車轍方案下當量設計軸載作用次數累計值為4.136×109次，而初擬方案為0.064×109次；通過增設抗車轍結構條帶進行抗車轍方案優化后路面混合料使用壽命約為初擬方案的65.7倍。可見，抗車轍方案優化后瀝青路面結構抗車轍性能及壽命均顯著改善。

表1 瀝青路面結構層永久變形發生后的抗車轍性能

在進行抗車轍瀝青路面結構優化設計的基礎上，得到的路面結構原材料性能優化方案見表2。

表2 路面結構原材料性能優化方案

本文通過有限元分析得到的瀝青路面結構優化設計方案及原材料設計方案，為高溫多雨地區瀝青路面抗車轍問題的解決提供了可行思路，但是相關成果仍處于理論研究和試驗階段，其工程應用效果仍有待進一步實踐和驗證。結合當前高速公路路面工程普遍存在的工期緊、施工成本控制嚴格等問題，可以在施工成本允許的基礎上將設計車道內的中面層全部更換為抗車轍結構，以避免因分別增設抗車轍結構條帶增加施工工序而延誤工期。

4 結論

綜上所述，公路瀝青路面在長期運行過程中會表現出十分明顯的交通渠化特征，左右兩側輪跡分布范圍可能并不以車道中線為對稱軸而對稱分布，而是向車道一側偏移，為此必須在瀝青路面抗車轍結構設計前，通過實地調查準確掌握輪跡分布情況和范圍。對341省道溧陽段瀝青路面結構層剪應力及豎向壓應力沿深度方向分布情況的分析得出，應以其上、中面層為抗剪切變形和抗豎向受壓變形的主要控制層位。通過增設抗車轍結構條帶，瀝青結構面層剪應力和豎向壓應力均明顯降低，路面混合料抗車轍壽命顯著延長。總之，按照設計要求在瀝青路面增設抗車轍條帶后混合料動穩定度下降，使混合料設計要求隨之降低，瀝青路面建造成本下降，工程效益與經濟效益顯著。