重載交通瀝青路面車轍指標與道路使用壽命研究

楊 軍,路 旭,柳國杰,岳紅芳

（寧夏交通科學研究所有限公司,寧夏 銀川 750001）

0 引言

在道路路面結構中，瀝青路面作為常見的道路鋪裝形式之一，廣泛應用于城市道路網絡中。截至2022 年，我國公路總里程已達5 354 800 km，隨著交通量的不斷增大以及行車渠化等因素，我國公路養護里程高達5 350 300 km，車轍作為瀝青路面病害的之一，不僅會影響駕駛安全和舒適性，還會直接影響道路的使用壽命和維護成本[1]。

20 世紀60 年代，美國學者[2]經由AASHTO 實驗路研究，明確指出永久變形產生的主要原因是路面各層結構厚度減少。20 世紀80 年代中期，我國科研學者開始廣泛探討車轍形變問題。1988 年，同濟大學的朱永靈[3]和林秀賢[4]運用線性黏彈性理論，分析了溫度和荷載作用時間對瀝青混合料永久形變的影響。2001 年，《公路瀝青路面養護技術規范》（JTJ 073.2—2001）將車轍深度評價作為一個瀝青路面使用性能評價指標，但截至目前傳統車轍儀及動穩定度指標無法反映瀝青混合料長期抗車轍性能的問題，且現有的瀝青路面設計規范并未考慮其特殊性而規定差異化的設計方法，對現有規范直接套用，忽略了行駛速度降低及水平荷載作用帶來的不利影響，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計，通過對干法SBS（聚合物改性瀝青）的環氧基團接枝，在保持SBS 路用性能的前提下，進行路面結構組合設計，從而開發出適用于高負荷交通的無車轍瀝青路面結構。

研究方法包括使用動態模量、全年交通量和溫度等數據作為設計準則，借助自主開發的軟件將實際交通負荷轉化為標準軸載，以解決傳統車轍測試方法和動態穩定性評價無法有效預測瀝青混合料長期抗車轍性能的問題。此外，還采用ABAQUS 有限元分析軟件，對比研究了該文提出的無車轍瀝青路面、SBS 改性瀝青混合料以及高模量瀝青混凝土，在1 cm 車轍形成壽命方面的差異。

1 路面結構設計

1.1 級配設計

該文基于現有的級配設計理論和瀝青用量計算公式，對不同面層瀝青混合料的配合比設計方法進行了優化如圖1~3所示，完成了該實驗路的瀝青混合料配合比優化設計。

圖1 AC-13 級配設計

圖2 AC-16 級配設計

圖3 AC-20 級配設計

1.2 結構設計

根據《公路瀝青路面設計規范》（JTG D50—2017），考慮交通參數、溫度、濕度等參數和其他影響參數，最終確定以下路面結構層位及材料參數如表1 所示。

表1 路面結構層位及材料參數

2 建立評價體系

2.1 標準軸載確定

2.1.1 數據獲取

該文通過對寧夏回族自治區的氣象局和氣象站進行調研，獲取寧夏地區全年的溫度數據，對寧夏回族自治區典型的路段進行交通量調查，獲取該地區的交通量信息，并且對該路段的瀝青混凝土路面進行取樣，在2017年出版的《公路瀝青路面設計規范》（JTG D50—2017）中材料設計選取由靜態模量轉變為動態模量，該文通過壓縮試驗和彎曲試驗測得瀝青混合料的動態模量。

2.1.2 標準軸載換算

根據以上數據，將全年的溫度信息、交通量數據和瀝青混合料的動態模量數據輸入如圖4 的軟件中，按照瀝青路面設計規范規定的方法可得到標準累計軸載作用次數。

圖4 當量軸載換算系統

2.2 車轍模型建立

該文利用ABAQUS 有限元模擬分析軟件，建立有限元模型進行計算。通過模擬分析溫度70 ℃，接地壓強為1.0 MPa 情況下SBS 改性瀝青混合料、高模量瀝青混凝土和無車轍混凝土1 cm 車轍壽命情況。

2.2.1 理論基礎與基本假設

由于瀝青路面的物理性質表現出黏性、彈性和塑性的特性[5]，尤其是在車輛行駛荷載瞬時作用下，所導致的黏－塑性變形較為微小。因此，在考慮高等級、較厚瀝青路面結構時，可以合理地將整個路面結構視為線性彈性體，并應用彈性層狀體系理論進行力學分析。因此該文采用上述理論有如下五個假設作為求解的條件。公路瀝青混合料路面的數值模擬也是基于“多層彈性理論”。該理論主要假設如下：①各層為均質同向的彈性材料，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限大，其上各層豎直方向厚度有限，水平方向無限；③各層分界面上應力和位移連續；④各層在水平方向無限遠處、最下一層在無限深處應力、應變和變形均為零；⑤不計自重。

2.2.2 邊界條件及網格劃分

在該研究中，模型的尺寸為3 m×3.75 m×3 m，其中X、Y、Z 方向分別對應于路面寬度、路面深度以及行車荷載的方向。模型假定各層之間具有完全連續的性質。為確保數值模擬結果的可靠性，為荷載作用區域進行了網格細分，共劃分成112 860 個網格。

在考慮瀝青路面精度和計算效率的前提下，該次模擬采用了八結點線性六面體單元C3D8R 對路面結構進行了網格劃分。所受荷載為雙圓垂直作用下的均布荷載，如圖5 所示。為了避免網格劃分過于復雜導致計算誤差，該研究將整體路面結構劃分為三個分區，分別對這些分區進行了網格劃分。總計劃劃分了2 867 個單元和3 288個節點[6]。此外，公路土基底部設為不透水邊界，并對其X 方向、Y 方向、Z 方向完全約束；道路行車方向上進行水平約束，如圖6 所示。

圖5 圓柱體分區網格劃分

圖6 整體路面結構網格劃分

2.2.3 荷載施加形式

（1）計算圖式。參考有關規范作出的規定，路面作用的荷載及控制計算點如圖7 所示。

圖7 力學相應計算點位置圖示

（2）車輛荷載。同樣參考相關規范規定，采用軸重為100 kN 的單軸——雙輪組軸載作為設計軸載，輪胎與路面接觸面為圓形，相關參數見表2 所示。

表2 設計軸載參數

3 試驗結果分析

3.1 標準軸載分析

相較于傳統的規范車轍法，新方法更能適用于一些交通量大的行車道路，以評估瀝青混凝土路面抗車轍和抗剝落性能。對同一路面結構進行不同的標準軸載換算和試驗，如圖8 可以看出，在達到相同車轍深度時，新方法比傳統的規范車轍法的荷載作用次數提高約10%。

圖8 傳統方法與改進方法對比

通過數據擬合如圖9 可以發現，車轍深度與荷載作用次數之間存在很好的相關性，但傳統試驗方法與改進實驗方法深度之間存在一定的差異，通過allometricl 函數分析得到兩者之間存在很好的相關性，判定系數a為0.137 99，b為0.256 75，最終關系式如下：

圖9 數據擬合曲線

式中，y——車轍深度(mm)；x——荷載作用次數。

3.2 有限元分析

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

圖10 三種材料1 cm 車轍壽命

根據以上數據可得若用無車轍路面高速公路貨車道，將平均7 年貨車道銑刨重鋪提高到15 年以上；在新建重載高速時，可將貨車道直接設計為無車轍瀝青路面。運營高速公路出現車轍養護時，在路面結構保障的情況下，進行15 年不再發生車轍維修的專項方案設計。

4 結論

該文通過自主軟件的計算和ABAQUS 有限元分析軟件模擬可以得出以下結論：

（1）以動態模量、全年交通量和溫度等數據為設計指標，通過自主開發的軟件分析可以得到新方法比傳統的規范車轍法的荷載作用次數提高約10%。

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