季冻区沥青路面车辙预估模型分析

次旦多吉，马松林

(1.西藏自治区交通勘察设计研究院，西藏 拉萨　850001；2.哈尔滨工业大学，黑龙江 哈尔滨　150006)



季冻区沥青路面车辙预估模型分析

次旦多吉1，马松林2

(1.西藏自治区交通勘察设计研究院，西藏 拉萨850001；2.哈尔滨工业大学，黑龙江 哈尔滨150006)

摘要：车辙是目前我国沥青路面主要病害之一。针对季冻区年温差大、低温时间长的特点，通过建立沥青混合料的永久变形预估模型，对模型中的温度、轮压、车速参数进行分析，确定车辙叠加计算方法，提出适合有效温度区间特点的车辙累积计算方法，建立季冻区沥青路面的车辙预测模型。

关键词：季冻区；沥青混合料；车辙；预估模型

1季冻区温度变化特点及路面温度

季冻区气温四季变化显著，以哈尔滨为例，哈尔滨地区2004年1月1日至2013年12月31日共10年的气温资料，采用3 d为一个计算时段，假设该时段内每天的温度变化是相同的，一年分为120个时段，求得各计算时段的平均气温、最低温度平均值、最高温度平均值，如图1所示。

图1　哈尔滨地区各计算时段的气温变化

依据温度和太阳辐射数据，根据路面温度场预估模型可预估每天各分时分层的路面温度。由于数据繁多纷杂，不能简洁方便地展示，采用国际上常用的车辙代表温度层，即1/3层厚(取6 cm)处温度作为代表温度值，计算的温度值为日最高温度，得到某天的日最高温度高于车辙临界温度值，可称该天为车辙有效日，其它天就为无效日。代表层日最高温度变化如图2所示。

从图中可以看出季冻区路面温度的特点：年温差大，极值之差接近60 ℃，有25个代表层最高温低于0 ℃，只有五个分析期的车辙代表层日最高温大于45 ℃，处于有效温度区间的时间短，路面温度场最低达到-15 ℃。

图2　代表层日最高温度变化

2车辙预估模型的选择

建立的车辙预估模型应以指导实际为目的，应能够有效区分混合料性质、结构受力状况、交通条件和温度对车辙的影响，也就是能够反映影响车辙的两个因素：外因—使沥青混合料骨架破坏和重构的车辆荷载，与荷载的大小和作用次数相关；内因—路面材料和结构本身对外部荷载的阻抗，与材料本身的抗车辙能力有关，同时温度也会有影响。大多数车辙预估模型首先选择Burgers模型描述沥青混合料的蠕变变形，通过沥青混合料蠕变试验数据确定粘弹参数，在此基础上构建车辙预估模型。

2.1荷载重复作用下的永久变形

沥青混合料永久变形发展具有极为复杂的非线性变化特征，是多种因素综合影响的结果。目前广泛采用的模型基本形式如式(1)所示。

(1)

式中：RD为预估的永久变形量，mm；N为荷载作用次数；a，b为参数，与沥青混合料性质有关；σ为荷载的轮压，MPa；η为Burgers模型中串联粘壶的粘滞参数；t为荷载作用时间，s，与速度有关；h为层厚，mm。

在计算路面实际车辙时还应加上隆起部分，李立寒通过室内车辙试验分析得出：空隙率是影响隆起系数的显著因素，常用的4%空隙率的沥青混合料其隆起系数可取0.5。因此加上隆起部分变形的最终车辙预估公式为

(2)

式中：r为车辙隆起系数，通常取0.5。其它参数意义同上。

以往的车辙预估形式也大多采用了指数形式来体现车辙量与荷载作用次数的关系，但只给出了一个参数，即认为各路面类型、各环境温度对车辙的叠加效应都是一致的，显然这是不合理的，而针对不同的材料和温度给出不同的叠加参数，能合理有效地反映和区分不同材料和温度对车辙发展的影响。

混合料的粘滞系数与温度密切相关，同一温度下不同混合料的粘滞参数亦明显不同。选择粘滞系数作为永久变形预估模型中的材料参数，既能有效区分不同材料抗车辙能力的大小，又能体现对温度的敏感性，能有效地反映和区分温度环境。

轮压对车辙的影响通过等效换算解决。利用车辙等效原则下各级轮压的相互转化，即假定标准轮压作用Ns次路面达到某一级车辙量，其他某随机轮压在同一路面结构上作用Ni次路面也达到相同的损坏标准。

(3)

式中：Ni为随机轮压作用次数；Ns为标准轮压作用次数；pi为随机轮压，MPa；ps为标准轮压，MPa；a为车辙等效轮压换算系数。

根据现有研究成果，改性沥青混合料的车辙等效轮压转换系数a=3.2，基质沥青混合料a=4.35，体现了改性沥青混合料相对基质沥青混合料对轮压这个影响因素的敏感性较低，进而说明改性沥青混合料抗车辙能力相对较高。

荷载作用时间与车速有关。引入行驶速度v作为模型的时间参数。Brown S.F认为轮载作用一次时间t0可按照式(4)计算：

(4)

式中：t0为轮载作用一次时间，s；v为车辆的行驶速度，m/s；l为轮胎接地长度，取为0.227 m。

3永久变形有效温度区间的确定

当温度较低时，路面产生的车辙量很小。多数研究者认为在计算车辙等效温度时以路表温度达40 ℃对应的月平均气温为起始计算温度。沥青混合料由于材料本身和结构性能的不同从而造成高温性能的不同，临界温度应能够区分材料变形速率在此临界值前后的变化，即当温度低于此临界温度时，在交通荷载正常的情况下，设计使用年限路面车辙都达不到养护维修标准。

在计算临界温度时，可按实际情况选择路面设计年限和交通等级，计算该等级公路在使用年限内可能的最不利交通量，车辙不超过容许车辙标准时，可认为满足这一条件的最高温度为临界温度。以三种改性沥青混合料为例(BJ-北京，SD-山东)。假设沥青层厚度18 cm，车速为80 km/h，通过试验，可得到三种混合料恰能满足RD≤15 mm时的温度分别为45 ℃、45 ℃、50 ℃。

三种改性混合料的车辙有效温度区间分别为T≥45 ℃、T≥45 ℃、T≥50 ℃,使临界温度在中等交通、重交通、特重交通都能满足恰好不超过容许车辙深度，同时可认为改性沥青混合料的临界温度为45 ℃。为简化计算，将有效温度区间代表温度值±2.5 ℃范围内的参数列于表1。

表1有效温度区间内的永久变形预估公式参数

混合料温度区间/℃参数η1/(MPa·s)abR2SBS-BJ42.5-47.51.32E+062.35E+030.400.7669947.5-52.57.25E+055.62E+020.550.8782052.5-57.54.06E+053.87E+020.570.9248757.5-62.52.38E+052.61E+020.600.91770SBS-SD42.5-47.51.43E+062.76E+030.380.8968547.5-52.57.99E+051.27E+030.450.9060452.5-57.54.64E+055.28E+020.550.9029657.5-62.52.82E+053.50E+020.600.89663PR-BJ47.5-52.51.56E+062.67E+030.380.8592652.5-57.51.09E+061.58E+030.450.8913657.5-62.58.14E+051.24E+030.500.85650

4模型对比分析

4.1新规范方法计算车辙

《公路沥青路面设计规范》(征求意见稿)在绪论部分提到按新规范的方法进行车辙计算，将造成季冻区的车辙存在较大的偏差。现按新规范的各项要求，进行与前面预估季冻区车辙时相同的荷载、温度、路面条件下的车辙发展试算，将两种模型进行对比，分析其差别。

计算沥青层永久变形时，新规范建议采用分层计算法，逐层计算各层的永久变形量，具体分层要求如表2。

每层永久变形量按照公式(5)算得，各分层变形量总和便为沥青层的永久变形量。

(5)

式中：R为计算的各分层永久变形量，mm；T0、p0、N0、V0、h0为通过室内轮辙试验时对应的沥青混合料试验温度，℃、压强，MPa 、加载次数，次 、试件空隙率，%和厚度，mm；T为计算时的永久变形等效温度，℃；p为各分层的正压应力，MPa；Ne4为累计标准轴载作用次数，次；V为沥青层施工完成后的初始空隙率，%；h为分层的厚度，mm；μ为设计车道路上轮迹的横向分布系数，高速公路取0.5，其他等级公路取0.45；R0为沥青混合料轮辙试验的总变形量，mm；K为综合修正系数。

T0、p0、N0、V0、h0可取50 ℃时动态蠕变试验结果，根据前面收集的气象资料得哈尔滨地区的最热月平均气温为23.5 ℃，最冷月平均气温为-17.3 ℃，年平均气温为5.3 ℃。代表温度值，初始空隙率取5%，分层按15+15+10+20+20+20+80+基层(mm)分为8层，荷载为标准轴载，各分层的竖向压应力需通过程序计算而得。

算得三种混合料的总车辙量为1.609 mm、1.064 mm、0.893 mm。

4.2模型对比与分析

两种模型在设计使用年限内的车辙发展如图3所示。

可以看出，两种模型在达到设计使用年限后，规范给出的模型与新模型相比，三种混合料路面车辙量的差别分别为-52%，-37%，+44%，具体原因如下。

图3　两种模型在设计年限内的车辙预估发展对比

(1)规范模型不能有效的结合混合料的抗车辙性能，结果中SBS-SD与PR-BJ类型的路面的车辙结果算得很接近，这与动态蠕变试验结果明显不同，不能有效区分各混合料抗车辙能力的差异性，含粘弹参数的新模型能有效反映、明显区分三种混合料变形能力的差异。

(2)规范模型认为该地区任意时刻的代表温度都是一样的，从而算得各阶段的发展速度一致，不能有效地反映温度变化造成的车辙发展变化，而实际上在计算各时间段的车辙累积量是不同的；仅通过年平均气温、年平均气温年极差、层厚计算代表温度值，没有确定车辙发展的有效温度区间，也没有对各温度区间进行处理，温度的影响考虑的不充分。

(3)规范采用的是Miner线性叠加法，认为各时刻及所处的发展阶段对叠加的效应都是一致的，而车辙在发展的不同阶段其发展速率和叠加效应是不相同的。

5结论

针对新规范在计算车辙时对温度区间不加区分的问题，利用粘弹原理对合理的车辙预估模型方法及车辙有效温度进行了研究。分析了适合沥青混合料变形特性的粘弹参数和永久变形预估公式，结合季冻区的气候环境特点，建立了季冻区的沥青路面车辙预估模型方法，并与新规范对比，指出了新规范在计算季冻区路面车辙时存在的不足。

参考文献：

[1]中交路桥技术有限公司. 公路沥青路面设计规范(征求意见稿).

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Prediction method of asphalt pavement rutting in seasonal frozen area CI Dan-duo-ji1，MA Song-lin2

(1.Tibet Transportation Surveying & Design Institute，Lasa，Tibet 850001,China；

2.Harbin Institute of Technology,Harbin,Heilongjiang 150006,China)

Abstract:Rutting is one of the major failures of asphalt pavement. According to the seasonal frozen zone parameters such as big annual changes in low temperature for a long time，based on the permanent deformation of asphalt mixture the temperature, wheel pressure and the speed on the model were analyzed，the calculation method suited to the characteristics of temperature range and rutting accumulation were determined. The rutting prediction model of seasonal frozen area were established.

Keywords:seasonal frozen area；HMA；rutting；prediction model

中图分类号：U416.217

文献标识码：C

文章编号：1008-3383(2016)01-0010-03

作者简介：次旦多吉(1980-)，男，工程师，研究方向：道路桥梁。

收稿日期：2015-09-12