疏港道路服役特性及典型破坏特征分析

刘 明，高 茜

（1.青岛市交通科学研究院，山东 青岛 266102；2.青岛交通科技信息有限公司，山东 青岛 266102）

引言

随着港口吞吐量的剧增，进出港区的车辆也不断增加，特别是大型集装箱运输车辆的快速增长。青岛疏港道路交通运输车辆以重载为特征，车辆普遍存在超限、超载情况。大量疏港车辆进出港区不仅给周边道路造成了较大的交通压力，而且在大型车辆的反复作用下，通车几年后严重造成了传统的沥青路面不同类型、不同程度的早期损害，降低了路面的使用寿命和服务水平。港区及疏港道路路面病害出现以后即使经过反复维修，各种病害仍然无法得到有效控制，另外，频繁地修补一方面大大增加了后期的养护费用，另一方面也对交通造成很大的干扰，严重影响了港口效益。

1 疏港、临港道路定义

有关疏港道路、临港道路的定义，国内外目前并无明确的界定，本文从起讫点区域功能和交通运输特性角度初步进行分类。疏港道路是指通往港口或者码头，主要供港口车辆进出的交通要道，从外部货源、集装箱箱站（堆场）和港口之间的关系角度分析，疏港道路分类：（1）内部疏港道路-位于港区内部，承担集装箱箱站和港口之间货运交通的道路。（2）外部疏港道路-位于港区外部，与内部疏港道路衔接，直接承担港区货运的道路。（3）临港道路-与外部疏港道路衔接或邻近的道路，或因为这些道路都承担了疏港道路的交通分流任务，都有疏港道路铺面的设计需求。

2 病害及服役特性分析

通过区域路网特性病害调查发现，中心区域直接承载货流运输的主干路主要表现为早期的车辙、泛油病害（黄岛区道路这一病害现象表征较明显）；随着运输的分流，在距离货运源头一定距离后主干道路出现短期内疲劳破坏，即道路出现纵缝、横缝、网裂、坑槽和车辙；以及长期的疲劳破坏。以黄岛区为中心其RDI 数值在远离货物源时呈增大趋势，不考虑黄岛区其PCI 数值也呈增大趋势，即相同养护条件下，路网在远离货物源时，由于各区域分流作用，随着运输距离的增大其路网破损和车辙逐渐变好并趋于稳定。见图1、图2。

图1 以黄岛区为中心向北各行政区路网状况

图2 以黄岛区为中心向西各行政区路网状况

通过调查分析发现，青岛地区疏港道路通行重载车辆类型较为单一，实际通行五轴及以上特大型车辆（即8 类+9 类车）比例在15 %～47 %范围内变化，其中重载车约为大型车辆的63 %，重载车集中通行往往发生在夜间21 ∶00 以后的几个小时内。检测路段通行的特重型货车通行往往呈集中、连续的状态，疏港路工程路段存在重载车辆，夜间排队出行的情况，慢速、渠化行驶严重。通过现场观测发现部分疏港道路上下行方向的车辆荷载存在明显差异，即驶出港口的车辆荷载远高于驶入车辆的荷载，路面出现单方向的严重车辙病害。

通过对几条疏港道路荷载实测发现，重载车辆均存在不同程度的超载现象，超载车辆比重平均为38.3 %，最高达96.8 %，六轴车最高超载73 t，最大荷载为123.3 t。轮胎接地压力跟轴重呈线性关系，通过调查发现疏港道路上的重载车辆接地压力最大为1.27 MPa。

通过疏港道路轴载谱与高速公路轴载谱对比分析发现，对于相同类型的重载车辆，疏港道路所行驶车辆轴载的最大值和平均值，均比高速公路高。疏港道路单轴轴载约为高速公路车辆单轴轴载的1.5 倍。

3 有限元分析

针对重载道路服役特点，利用有限元软件ABAQUS 建立疏港道路典型路面结构模型，模型尺寸：长6 m、宽6 m、高3 m。

3.1 同一荷载不同车速条件下力学响应计算

轴载取标准轴载对应的荷载强度0.7 MPa，车速分别为20 km/h、40 km/h、60 km/h、80 km/h、100 km/h、120 km/h，计算得到各力学计算点处的相应指标。见图3～图6。

图3 不同荷载强度下沥青混合料层底拉应变

图4 不同荷载强度下路基顶面竖向应变

图5 不同荷载强度下无机结合料层底拉应力

图6 不同荷载强度下路面结构内剪应力

3.2 同一车速不同轴载条件下力学响应计算

行车速度选取40 km/h，轴载取100 kN、140kN、170 kN、200 kN 下对应的荷载强度，分别为0.7 MPa、1.0 MPa、1.2 MPa、1.4 MPa。计算得到各力学计算点处的相应指标，见图7～图10。

图8 路基顶面竖向应变最大值

图9 无机结合料层底拉应力最大值

图10 路面结构内剪应力变化情况

3.3 结果分析

同一荷载强度等级下路面内力学响应随车速变化较大的是沥青层底拉应变。无机结合料层底拉应力以及路基顶面竖向压应变、沥青层顶竖向压应力、剪应力随车速的变化范围不大，说明沥青层底拉应变对车速的敏感性较大。

不同轴载条件下路面结构内各力学响应变化范围相对于不同车速条件下的变化程度要大，说明轴载对路面结构力学响应影响很大。疏港道路的服役环境特殊性在于车辆普遍超载超重，车辆轴载能达到240 kN，并且行驶车速集中在40 km/h，在车速低、超载和温度等因素的作用下，疏港道路处于一种超极限的工作状态，加速路面损坏累计往往不到使用寿命期限就发生了大量的病害。

4 基于新型沥青混合料的典型结构组合

根据有限元分析结果，为满足重载交通路面、沿海地区出港路重载交通特性（车型单一、车流密度大、单轴偏重），兼顾结构承载要求、抗裂要求、排水要求、抗疲劳要求，推荐四种典型路面结构组合形式，见图11。

图11 推荐典型结构组合（优化1、优化2）

对四种结构进行基于车辙力学-经验模型的路面结构性能预估，5 a 及10 a 的车辙预估量见图12、图13。

图12 四种路面结构5 a 车辙预估

从图12、图13 可以看出，使用高模量沥青混合料的路面车辙预估量明显少于常见路面结构，在服役寿命期间能够表现出更好地路面使用性能，节约后期的养护费用，保证路面通畅。

图13 四种路面结构10 a 车辙预估

5 结语

结合疏港道路交通轴载特性及典型路面破坏特性分析，利用数值分析软件对重载和环境因素耦合作用下的疏港道路典型路面结构响应进行计算，基于青岛地区的典型石料对不同沥青混合料的动态模量和贯入强度参数试验，通过不同结构组合方案对比，优化了路面结构，最终提出适应疏港道路交通特性、使用环境要求及基于耐久性的路面典型结构组合与材料设计方案。