公路抗车辙沥青路面结构设计探讨

谢卓昊

（华设设计集团股份有限公司 常州分公司，江苏 常州 213000）

0 引言

国内沥青路面主要为半刚性路面结构，整体强度高，故结构性车辙和磨耗性车辙发生的可能性并不大，常见的车辙形式主要是失稳性车辙，即因荷载及温度耦合作用使沥青面层发生剪切破坏后所表现出的永久侧向流动变形，这种车辙形式与交通渠化存在密切关系且失稳性车辙也主要出现在车道轮迹区域，轮迹带沥青面层逐渐下陷并持续向两侧推移，久而久之便形成“W”形车辙。当前，解决沥青路面失稳性车辙问题的主要措施是使用高性能改性沥青及优化沥青碎石级配，通过双层改性沥青路面结构的应用及骨架密实性级配设计，起到有效控制沥青路面车辙病害的效果。然而，这种使用价格相对高昂、施工和易性相对较低的高性能改性沥青，或是掺加抗车辙剂的处理方法必然会增大沥青路面施工难度，增加施工造价。此外，这种处理方法也缺乏对沥青路面整体结构的考虑：一方面，沥青路面中面层抗车辙性能定位对所有路面结构均适用，但事实上却是根据沥青路面剪应力分布情况确定抗车辙层位；另一方面，这种处理方法并未考虑沥青路面交通渠化所引起的车道交通轴载双峰特征［1］，单纯地通过高性能混凝土全幅等厚摊铺，必将造成路面非主要轮载区域内高温性能过度设计［2］。按照现有设计，抗车辙沥青路面高温车辙设计使用年限不超过10 a，使用寿命仍然较短。为此，必须采用全新的思路进行沥青路面结构设计，克服以上问题的同时，提升沥青路面抗车辙性能，延长其使用寿命。

1 工程概况

341省道溧阳段路线起自上黄镇东侧溧阳与宜兴交界处，与宜兴段终点相接，实施起点桩号为K0-098.751，路线向西经239省道沿上黄镇北侧下穿常溧高速后，沿矿区南侧向西穿越长荡湖保护区，最终与老241省道相交，终点桩号为 K11+098.270，路线全长约 11.197 km。项目区地处长江下游的北亚热带季风气候区，表现出明显的温暖湿润、热量丰富、雨量充沛的气候特点。根据气象统计结果，年平均气温在15.4 ℃，极端最高和最低气温分别为41.5 ℃和 -15.5 ℃。该公路段自运行以来交通量持续增大，起讫桩号K3+245.27～K8+987.40段部分车道因重载交通的反复作用而出现路面下陷、软化、车辙、拥包等病害，这种现象在江苏省内高速公路运行中普遍存在。为此，考虑到沥青路面承受交通荷载的同时还受到温度荷载影响的事实，结合高速公路交通量增长趋势，在路面结构设计时重视高温抗车辙设计，以提升路面抗车辙性能。

2 抗车辙沥青路面结构设计

2.1 设计思路

《公路沥青路面设计规范》（JTG D50—2017）中通过规定沥青路面高温永久变形量验算，将沥青路面结构竖向变形控制在沥青混合料所容许的竖向变形范围内，为抗车辙沥青路面结构设计提出了具体要求，即提升沥青混合料竖向变形量，通过材料及结构优化设计使路面整体处于较低的受力水平，并达到控制路面结构整体竖向变形的目的。

按照以下思路进行抗车辙公路沥青路面结构设计：首先，根据所初步确定的路面结构组合及相关原材料性能，应用ABAQUS有限元软件进行行车荷载下沥青路面结构层剪切应力分布情况的模拟和计算，确定剪切应力对路面结构作用的深度范围，并明确抗车辙设计层位。其次，结合公路段交通量预测进行路面横向范围内车道轮迹的可能分布宽度，明确抗车辙沥青路面设计的宽度范围。最后，基于以上步骤，进行抗车辙沥青路面结构设计断面区域的确定，并据此调整和优化原材料性能，明确抗车辙沥青路面设计方案。

2.2 模型构建

应用观测法对所研究路段实际交通量进行调查，调查结果显示，临近硬路肩的宽度为3.75 m的重车道（即第3车道）轮迹横向分布表现出明显的双峰特征（如图1所示），车道宽度 0.5～1.5 m 及 2.25～3.25 m 均属于轮迹分布频率较大的区域。该公路沥青路面高温抗车辙设计的车道宽度范围即左右轮迹带实际宽度。结合工程实际，采用ABAQUS工程模拟有限元软件进行该公路路面结构模型构建，路基底完全固定，则路基和路面两边均仅承受水平约束。厚4 cm的SMA-13上面层弹性模量为12 000 MPa，泊松比为0.25；厚6 cm的AC-20C中面层和厚8 cm的AC-25C下面层弹性模量均为11 000 MPa，泊松比均为0.25；36 cm厚、水泥掺量5%的水稳级配碎石基层弹性模量为 10 000 MPa，泊松比为 0.25 ；20 cm 厚、水泥掺量4%的水稳石屑底基层弹性模量为8 000 MPa，泊松比为 0.25；路基弹性模量为 60 MPa，泊松比为 0.4。

图1 重车道（即第3车道）轮迹横向分布频率曲线

2.3 沥青路面结构力学响应特点

根据静力学分析可以得到，沥青路面剪应力受轮载作用后的分布情况。沥青路面结构剪应力随着深度的增大而呈递减趋势，沥青面层以下18 cm的范围内的剪应力在0.336～0.520 MPa范围内变化，平均降速为0.34 MPa/m；沥青面层以下18～55 cm基层范围内的剪应力基本稳定在0.50 MPa；底基层和土基结构中剪应力降速均值在0.47 MPa/m；土基120 cm以下剪应力基本稳定在0.054 MPa。此外，沥青中面层结构剪应力表现出急剧递减的趋势，平均降速达到1.51 MPa/m，上面层范围内结构剪应力取值在 0.418～0.521 MPa 的范围内，并且上面层剪应力应当在路面结构层中位于最高层位，而中面层结构内的剪应力变动趋势较为急剧，说明应将该沥青路面上中面层抗剪性能设计作为路面结构设计及材料性能控制的重点［3］，此结论也与公路改性沥青路面抗车辙设计思路吻合。分析结果还表明，下面层在标准轴载作用下剪应力取值在 0.340～0.398 MPa 在进行相应路面结构设计时必须结合力学分析，计算不同结构层剪应力水平，据此指导路面结构设计，确保结构层抗剪性能符合设计。

采用相同的分析思路，得到行车荷载作用下沥青路面结构层压应力竖向分布曲线，上、中面层深度范围内竖向压应力始终处于较高水平，变动趋势也较为复杂。下面层、基层和底基层结构内竖向压应力随着深度的增大而呈降低趋势，路基结构内的竖向压应力变化始终不超出0.12 MPa。

2.4 模型优化分析

结合以上对沥青路面各结构层应力特征的分析可以得出，沥青路面结构中中面层是既承受剪应力又承受竖向压应力的结构层。为此，必须在充分考虑轮迹带分布宽度的基础上，基于沥青路面抗车辙性能要求，进行抗车辙沥青路面结构设计，具体如图2所示。对于车道宽度0.5～1.5 m 和 2.25～3.25 m 等轮迹分布频率较大的区域，必须将原中面层沥青混合料改为抗车辙结构条带，并以素混凝土浇筑，深度按照6.0 cm的中面层设计厚度确定。为避免抗车辙结构条带出现裂缝、干缩，应按照5 cm的纵向间隔、5 cm宽度和2 cm深度切缝，并在上面层施工前，采用热沥青进行结构条带和中面层纵横向接缝处灌缝处理，同时压贴宽度为5 cm的裂缝带。

图2 抗车辙沥青路面结构优化设计

为进行优化后的抗车辙路面结构方案与初拟方案的对比，对优化后的路面结构进行了二维有限元仿真分析，在有限元模型中将中面层轮迹带处抗车辙结构条带弹性模量设定为31 000 MPa，泊松比设定为0.2，其余参数不变。根据有限元分析，抗车辙条带增设后沥青路面结构应力便表现出明显的围绕车道中心线对称分布的趋势特征，所以在分析路面结构剪应力竖向分布情况时，只需要对左侧或右侧轮迹带处抗车辙条带剪应力进行提取和分析即可。本文仅分析左侧轮迹带处路面剪应力及竖向压应力分布情况，具体如图3所示。从图3（a）中可知，在对沥青路面结构初拟设计方案增设抗车辙结构条带后，路面结构剪应力表现出明显的下降趋势，取值在 0.18～0.54 MPa范围内，比初拟方案的结构剪应力平均降低20%；基层及底基层结构剪应力降低幅度更加明显［4］。从图3（b）中可知，在沥青路面结构初拟方案基础上增设抗车辙结构条带后，结构竖向压应力降低，降幅最大达37%。

图3 左侧轮迹带处路面剪应力及竖向压应力分布

3 方案验证

为进行341省道溧阳段沥青路面抗车辙方案高温抗车辙性能及抵抗永久变形性能的验证，依据《公路沥青路面设计规范》（JTG D50—2017）所规定的路面结构永久变形验算方法，计算初拟方案和优化后的方案下沥青结构层永久变形量。该公路工程资料显示，造成其沥青混合料永久变形的等效温度为25.18 ℃，工程所在地年气温均值为23 ℃，月气温均值极差为7.6 ℃。上、中及抗车辙条带均按照20 mm的厚度分层，下面层单独为一层，上、中及下面层试验温度均控制在60 ℃，试验压强均为0.8 MPa，加载次数均为2 520次，所得到的上、中面层及下面层车辙永久变形量分别为 2.5 mm、3.0 mm、3.5 mm，而抗车辙结构条带无车辙变形［5］。沥青路面结构层发生永久变形后的抗车辙性能见表1，公路段通车后首次针对车辙养护时优化后的抗车辙方案下当量设计轴载作用次数累计值为4.136×109次，而初拟方案为0.064×109次；通过增设抗车辙结构条带进行抗车辙方案优化后路面混合料使用寿命约为初拟方案的65.7倍。可见，抗车辙方案优化后沥青路面结构抗车辙性能及寿命均显著改善。

表1 沥青路面结构层永久变形发生后的抗车辙性能

在进行抗车辙沥青路面结构优化设计的基础上，得到的路面结构原材料性能优化方案见表2。

表2 路面结构原材料性能优化方案

本文通过有限元分析得到的沥青路面结构优化设计方案及原材料设计方案，为高温多雨地区沥青路面抗车辙问题的解决提供了可行思路，但是相关成果仍处于理论研究和试验阶段，其工程应用效果仍有待进一步实践和验证。结合当前高速公路路面工程普遍存在的工期紧、施工成本控制严格等问题，可以在施工成本允许的基础上将设计车道内的中面层全部更换为抗车辙结构，以避免因分别增设抗车辙结构条带增加施工工序而延误工期。

4 结论

综上所述，公路沥青路面在长期运行过程中会表现出十分明显的交通渠化特征，左右两侧轮迹分布范围可能并不以车道中线为对称轴而对称分布，而是向车道一侧偏移，为此必须在沥青路面抗车辙结构设计前，通过实地调查准确掌握轮迹分布情况和范围。对341省道溧阳段沥青路面结构层剪应力及竖向压应力沿深度方向分布情况的分析得出，应以其上、中面层为抗剪切变形和抗竖向受压变形的主要控制层位。通过增设抗车辙结构条带，沥青结构面层剪应力和竖向压应力均明显降低，路面混合料抗车辙寿命显著延长。总之，按照设计要求在沥青路面增设抗车辙条带后混合料动稳定度下降，使混合料设计要求随之降低，沥青路面建造成本下降，工程效益与经济效益显著。