基于路面车辙性能的长大纵坡划分方法研究

李勇刚

(陕西省交通建设集团公司，陕西西安710000)

基于路面车辙性能的长大纵坡划分方法研究

李勇刚

(陕西省交通建设集团公司，陕西西安710000)

首先就长大纵坡路段沥青路面损坏进行调查，然后进行车速变化和水平荷载下长大纵坡路段的路面性能分析，最后就长大纵坡划分标准进行了研究。综上研究，提出根据行车车速作为长大纵坡的划分指标，优化连续纵坡行车车速预估模型，并提出长大纵坡路段的划分标准。

长大纵坡;车辙性能;沥青路面;划分方法及标准;沥青混合料

1 长大纵坡路段损坏特点

图1为我国一典型山区高速公路的上坡、下坡沥青路面的损坏比例情况，可以看出上坡路段的损坏面积明显大于下坡路段，特别是车辙和推拥病害情况，上坡路段的车辙和推拥达总病害面积的75%以上，按单位里程车辙面积计算，2%～5%纵坡路段分别是0%～2%和－5%～0%路段的4.8倍和4.7倍。

图1 某一山区高速公路沥青路面上坡、下坡路段各种病害比例

图2 为我国一典型山区高速公路车辙深度随纵坡而变化情况，可见随着纵坡增加，沥青路面车辙在－5%～2%内基本接近，但一旦纵坡大于2%，车辙深度明显增加，较－5%～2%的路段相应值超出近1倍，且车辙波动显著增加。

图2 某一山区高速公路沥青路面纵坡－车辙关系

2 沥青路面长大纵坡路段损坏分析

长大纵坡路段是沥青路面产生车辙的频发部位，主要是由于交通荷载在这些路段的通行状况与正常路段不同，速度逐渐降低、水平作用荷载增大，由此带来路面材料性能变化和路面力学行为的差异，表现为荷载作用时间变长、沥青混合料模量降低、结构剪应变的增加等，这些都不利于沥青路面抵抗车辙变形和推拥等破坏。图3为典型货车在较大纵坡路段车速降低和水平荷载变化情况。

图3 在上坡路段货车的速度衰减与水平荷载增加情况

(1)纵坡路段车速变化对沥青路面性能影响分析

车速对沥青路面的结构性能影响很大，主要是由于车速的变化会影响行车荷载作用时间，进而影响沥青混合料性能。

可按式(1)计算得到不同车速下的等效荷载频率

式中:hac为沥青层厚度，mm;V为车速，km/h;f为等效荷载频率，Hz。

按照典型半刚性结构(15 cm沥青层+20 cm半刚性基层+30 cm半刚性底基层)，计算某一高温日在8∶00(日最低温度)和14∶00(日最高温度)时刻的温度场下沥青层的剪切应变。其中沥青层模量按照深度方向划分为1 cm、1 cm、2 cm、2.5 cm、2.5 cm和3 cm，按AASHTO 2002动态模量预估模型，根据不同深度处的温度和荷载频率计算相应动态模量;而半刚性基层和底基层分别取动态模量6 300 MPa和3 600 MPa;荷载图式为标准100 kN双圆荷载。

图4 40km/h和20 km/h车速相对80 km/h时沿深度方向最大剪应变变化情况

不同车速条件下沥青层沿深度方向的剪应变变化率结果见图4。可以看出，相对于80km/h，40km/h、20km/h下结构的最大剪应变平均增加18.6%～23.2%、41.6%～51.8%，因此路面结构产生流动剪切变形风险显著增加，即结构抗车辙性能下降。同时可以看出，路面体温度越高，由于车速的降低导致结构剪应变增加越大。

(2)纵坡路段水平荷载变化对沥青路面性能影响分析

纵坡路段水平应力对沥青路面性能影响可以通过路面结构剪应变进行分析。按照前面的典型半刚性结构和温度场条件，在标准100 kN双圆荷载图式上增加水平方向的荷载，按式(2)计算不同纵坡情况下的水平荷载

式中:P2为水平荷载，kN;f为摩擦系数，取0.2;P为轴重，100 kN;θ为纵坡坡度。

计算得到我国典型结构在3%、5%纵坡条件下相对0%纵坡下沿深度方向最大剪应变变化情况，结果见图5。相对于0%纵坡，3%和5%纵坡下的结构最大剪应变仅增加了2.5%和4.5%。因此纵坡段水平荷载对于结构内部的车辙变形影响不太显著。但是纵坡路段水平荷载对0～3.5 cm表面层剪应变影响非常大，特别是路表面剪应变增加显著，3%、5%纵坡相对0%纵坡，剪应变相应增加8.4%～11.5%和15%～19%，因此纵坡路段水平荷载增加是导致这一路段产生推挤、拥包等浅层变形损坏的主要原因。

图5 3%、5%纵坡在不同时刻相对0%纵坡下沿深度方向最大剪应变变化情况

3 高速公路长大纵坡路段划分方法和指标

长大纵坡路段是沥青路面产生车辙的频发部位，主要是速度降低、水平作用荷载增大两方面，由前面的分析可见，两个主要因素中速度降低影响结构车辙深度，而水平荷载主要是影响表面层的推拥变形，而长大纵坡路段车辙破坏是主要的，因此长大纵坡路段车速对沥青路面性能影响是最主要的因素。因此，长大纵坡对路面性能的影响，可转化为行车车速对路面性能的影响。

纵坡上车速的变化具有连续性，在同一纵坡上，不同位置其车速是不一样的，相应的车辙等损坏也不一样。图6为高速车辆驶入一连续纵坡不同位置时的车速、车辙变形示意图，车辆上坡受到重力沿纵坡方向的阻力而车速逐渐降低，在A路段，车速降低较小，整体车速仍然较高，因此A路段路面的车辙损坏很小;车辆继续上坡，随着爬坡距离增加车速迅速下降，到达B路段车速较低，因而B路段会产生一定车辙;车辆继续爬坡，由C路段达到D路段直到连续纵坡的顶点，车速从C路段到D路段逐渐降低直到达到最低值，而相应路面车辙逐渐增大。当车辆达到顶点继续前进，进入一个下坡路段，此时车速开始增加，但是车速增加需要一个过程，E路段虽为下坡路段，但由于此路段车速较低，因此E路段仍然会产生较大的车辙变形。

长大纵坡上的车辙损坏不仅仅与作用路段的纵坡坡度有关，还与爬坡长度有关，纵坡越大、坡长越大，车辙损坏可能越大;同时还与前后多个纵坡的衔接有关。因此长大纵坡的划分必须考虑连续纵坡的情况，通过车速连续性来描述长大纵坡路段的连续纵坡对沥青路面的车辙影响，因此可采用车速指标来进行长大纵坡路段的划分。

图6 连续上坡路段货车车速、车辙变形示意图

4 长大纵坡路段的划分标准

美国SHRP技术标准中根据不同路段车速进行胶结料选择，包括标准速度(＞70 km/h，对应正常路段)、慢速(20～70 km/h，对应长大纵坡路段)和怠速(≤20 km/h，对应交叉路口)三个速度标准;而AASHTO 2002路面设计指南中针对不同路段提出了4个车速标准，州际公路、州主要公路、城市道路和交叉路口对应的车速分别为96 km/h、72 km/h、24 km/h和0.8 km/h，在结构设计时根据此速度标准确定混合料的设计参数。此标准对于我们确定长大纵坡的划分标准，有一定的借鉴意义。但是，一方面车速标准必须与车速的确定方法一致，另一方面SHRP中20～70 km/h范围太宽，而且国外与我国的实际荷载情况差异较大，由于我国公路沥青路面的重载、超载情况比较突出，因此还不能完全照搬国外的标准。

建立基于车辙性能的长大纵坡的车速划分标准还需从车速对沥青路面结构性能影响进行分析、综合考虑。图7为某一高速上坡路段20 m一处重型货车车速与车辙情况，根据车辙的水平，路面车辙可以分为三个区，＞70 km/h、40～70 km/h和40 km/h以下。车速＞70 km/h车辙较为集中;40～70 km/h分散增大，车辙量也增加;而车速降低到40 km/h以下，波动范围更大，车辙明显增加。从图8单位里程车辙损坏面积看，车速低于40 km/h的路段车辙损坏率是40～70 km/h和＞70 km/h的6.7倍和7.9倍;单位里程推拥损坏面积看，相应比例甚至达到11倍和19.6倍。因此可以通过调查分析确定不同条件下高速公路的车辙深度等损坏具有显著变化的临界车速作为长大纵坡路段的划分标准，即连续车速低于某一车速标准值的连续路段确定为长大纵坡路段。

图7 某一高速公路车速与车辙深度情况

图8 某一高速公路不同车速与车辙、推拥损坏率情况

应该说长大纵坡路段的车辙等病害不仅仅与车速有关，还与交通量、气候条件等因素有关。因此在确定长大纵坡的划分标准值时，需要同时考虑这些因素。通过大量数据分析，最终提出了确定长大纵坡车速划分标准。

长大纵坡车速划分标准值按照式(3)计算确定

式中:V为长大纵坡路段的划分车速标准值，km/h; N为15年的交通荷载标准轴次，百万次，范围为6～30百万次;Teff为年日平均温度的等效温度，°F，按下式(4)计算

式中:Ti为一年内第i天的日平均气温，°F;n为一年内的总天数，为365。

5 结语

长大纵坡路段是沥青路面车辙的频发部位，主要是速度降低、水平作用荷载增大两方面，其中车速是长大纵坡路段沥青路面性能的最主要影响因素。通过研究提出了基于沥青路面车辙性能的行车车速的长大纵坡路段划分方法和标准。

［1］中华人民共和国交通运输部.公路沥青路面施工技术规范(JTG F40－2004)［S］.北京:人民交通出版社，2000.

［2］李福普，严二虎，等.沥青稳定碎石与级配碎石结构设计与施工技术应用指南［M］.北京:人民交通出版社，2009.

［3］沈金安，李福普，等.高速公路沥青路面早期损坏分析与防治对策［M］.北京:人民交通出版社，2004.

A dissertaion on the delimitation method for long sustained slope based on permanent deformation of pavements

LI Yong－gang
(Shanxi Transportation Construction Group Corporation，Xi＇an，Shanxi 710000，China)

Then the change of truck speed and load is described and its impaction on rutting failure is analyzed.Finally，the study on delimitation criterion for long sustained slope sections based on permanent deformation of asphalt pavements is carried out.From the results obtained，continuous speed of heavy truck is point out to used as the delimitation criterion，a new model of continuous speed of heavy truck is developed and optimized according to permanent deformation and speed value of delimitation criterion which based on the new model is determined.

long sustained slope;permanent deformation;asphalt pavements;delimitation method and criterion;asphalt mixtures

U412

C

1008－3383(2017)04－0001－03

2016－07－05

李勇刚(1982－)，男，陕西大荔人，工程师，研究方向:道路工程。