交通荷载对沥青路面抗滑性能衰减特征的影响

曹明明 黄晚清 叶建 陈阳 左贵宁

摘 要：依托四川省內典型高速公路，在对其逐年交通量特征进行调研的基础上，分析了累计当量轴次与沥青路面抗滑性能的关系，进而研究了不同交通组成下路龄与沥青路面抗滑性能的规律性.结果表明，交通量以小型车辆为主时，沥青路面抗滑性能与路龄间基本服从反S曲线特征，在加铺罩面后的第2～3年衰减幅度较大；沥青路面抗滑性能与累计当量轴次间规律性不佳，车辆构成对沥青路面抗滑性能衰减规律有一定的影响，交通量以小型车辆为主时，路面养护维修措施实施时机可能不受路面抗滑性能指标的制约，但以大型车辆为主时，路面抗滑性能是主控指标之一.车辆荷载对沥青路面抗滑性能衰减规律影响的研究有助于从本质上认清其演化特征，为沥青路面智能化养护抉择和处治方案实施时机提供依据，提高车辆行驶安全性.

关键词：道路工程；沥青路面；抗滑性能；交通量；衰减特征

中图分类号：U416.217

文献标志码：A

0 引 言

近年来，公路交通量逐年增加，交通安全事故时有发生，而车辆的行车安全与沥青路面的抗滑特征息息相关，但随着沥青路面运营时间的延长，在自然环境和交通荷载的作用下，路面提供的抗滑性能会逐渐衰减^[1].

沥青路面抗滑性能的衰减主要是由路面集料磨损、沥青品质降低、混合料级配不合理及交通运营环境恶劣等综合因素导致的，具有时间依赖性与变异性.交通荷载的变异性来源于试验误差的限制、时间依赖性、忽略因子之间的相关性及统计分布不能完全反映实际状况造成的偏差等^[2-3].张智慧等^[4]对AC-13C、SMA-13和OGFC-13 3种级配的摆值和动摩擦系数在通车运营4年内的衰减规律进行了研究，但并未对交通荷载与其相关性进行分析.孙洪利^[5]总结认为，沥青路面抗滑性能前期快速衰减的原因主要是压密和迁移变形，后期的稳定衰减则是以磨光和磨损作用为主.压密和迁移变形过程针对的是宏观构造深度变化的过程，磨光和磨损作用则是针对微观构造变化的过程.

众多学者探讨了集料、级配和温度等因素与沥青路面抗滑性能衰减规律的相关性^[6-7]，但对交通荷载与其相关性的分析多借助室内试验^[8-9]，与现场复杂的运营环境和频繁的养护干扰工况并不一致.虽路面损坏状况指数（PCI）等指标的衰减特征较为明确，但路面抗滑衰减规律并不明确^[10].交通荷载作用下路面集料颗粒棱角受到大幅磨损，路表摩擦力急剧下降，但由于车辆荷载与运营环境的复杂性与时变性，使得道路抗滑性能预测具有较大的难度.累计当量轴次并不能反映交通量的组成情况，也不能直观揭示车辆荷载对路面抗车辙、平整度和耐磨抗滑等性能衰减的影响.鉴于此，本研究优选四川省内典型高速公路，对其在2010—2020年间的养护历程和交通特征进行分析的基础上，优选典型路段分析交通荷载累计轴载作用次数、路龄和路面抗滑性能指数（SRI）测值间的相关性，对沥青路面抗滑衰减特征进行分析.

1 工程概况

成雅高速于1999年底建成通车，路线全长140.661 km，路面结构为4 cm抗滑表层AK-13A+5 cm中粒式沥青混凝土AC-20I+6 cm粗粒式沥青混凝土AC-25Ⅱ+20 cm水泥稳定碎石基层+30～36 cm水泥稳定碎石（或砂砾）底基层.成雅高速公路在2010—2012年进行了全线加铺罩面（加铺了4 cm细粒式改性沥青混凝土AC-13C），但由于沿线交通荷载和施工质量等因素的影响，不同路段路面技术状况衰减存在明显差异，局部路段多次进行了养护维修.成渝高速公路全线于1995年9月建成通车，成渝高速公路已通车近30年，全线绝大多数段落都进行了大规模的大修整治，路面结构类型、厚度及材料均比较复杂，表面层为4 cm细粒式改性沥青混凝土AC-13C.为便于分析，本文优选2条高速公路典型路段进行分析，具体见表1.同时，选取的成渝高速公路上行K2053+000～K2057+000、上行K2194+000～K2198+000、下行K2122+000～K2126+000、下行K2040+000～K2044+000在2010—2012年加铺了4 cm改性沥青AC-13C罩面，至分析期末再未进行加铺罩面.另外，选取交通量以大型货车为主的川北某高速公路进行路龄与沥青路面抗滑性能的相关性对比分析，该高速公路全长57.080 km，双向4车道，设计速度80 km/h，于2011年5月23日全线建成通车，分析路段于2016年年底加铺了4 cm沥青玛蹄脂碎石SMA-13.

2 交通量特征分析

根据成雅高速和成渝高速沿线交通量实测数据，成雅高速自2010—2020年11年间设计车道累计2轴6轮及以上车辆的交通量为1.66×10⁷辆，达到了重交通等级.成渝高速公路自2014—2020年7年间设计车道累计2轴6轮及以上车辆的交通量为6.15×10⁷辆，交通量较大，但2条高速公路车型均以中、小客车为主，详见表2.

3 交通荷载对沥青路面抗滑性能影响

现有交通量数据来源主要依托于JTG D50—2017《公路沥青路面设计规范》相关部分，对各种车型换算成当量轴次，并未有关于抗滑的折算.同时，沥青路面疲劳破坏多受制于大客车和货车等轴重较大的交通荷载的影响，但小客车的反复磨耗作用对沥青路面抗滑性能的衰减也不容忽视，交通量折算数考虑到不同车型对路面作用次数的差异，因此，为便于计算并具有一定的代表意义，拟采用双向日交通量的折算数×车道系数（0.5）×方向系数（0.5）作为当年的轴载作用次数，逐年累加作为累计轴载作用次数.

3.1 成雅高速公路

成雅高速典型路段累计轴载作用次数和SRI测值沿时数据如图1所示，逐年累计轴载作用次数与SRI测值关系如图2所示，计算起点采用2010年.

由图1可知，成雅高速累计轴载作用次数随运营时间的延长基本呈线性增加趋势，尤其在2014—2018年基本呈等步距增加，即成雅高速公路在经过多年运营后，交通量的增长趋势基本稳定.图1（A）中累计轴载作用次数均大于3个典型路段，全线累计轴载作用次数是根据各路段交通量的加权平均数折算而来，而靠近成都段K1812+500～K1837+132交通量较大.同时，2012—2013年是沥青路面抗滑性能指数SRI衰减最快的2年，显然，各路段采用4 cm改性沥青AC-13C罩面初期2年沥青路面抗滑性能指数SRI基本保持稳定，根据变化趋势推测，2012年开始出现衰减，2012—2013年衰减幅度最大，2014年开始分路段对沥青路面抗滑性能恢复，下行K1932+000～K1942+000段2015年后才实施沥青路面抗滑性能恢复的维修处治.另外，以维修养护前2013年为例，下行K1932+000～K1942+000交通量最大，2013年累计轴载作用次数为6.65×10⁶（次/车道），SRI=83.82，2015年时累计轴载作用次数为1.16×

10⁷（次/车道），SRI=78.41，累计轴载作用次数近似翻倍的情况下，SRI在2年间降低了5，衰减幅度基本等同于2011—2013年间，但交通量增加幅度更大.2016—2018年间受局部养护维修、检测单位更换或测试仪器标定等因素影响，沥青路面抗滑性能指数SRI衰变的规律性较差.即文献[11]认为，新建沥青道路在通车1年后由于集料表层沥青薄膜的破损，路面摩擦因数有所提高；当集料表面的微观纹理提供摩擦因数后，就过渡到集料的磨损和磨光阶段，表现为路面摩擦因数的衰减，路面摩擦因数开始不断减小，年降低幅度在20%左右；随着沥青道路的建设与投入使用，由于路面材料衰变性、运营环境变化及车辆参数变异性使得路表抗滑性能存在很大的时间依赖性.本研究基于多年路况检测数据的跟踪调查，得到结论与此基本一致.

受制于维修养护处治历史的限制，典型路段累计轴载作用次数和抗滑性能衰减关系并不强烈（见图2），但累计轴载作用次数达到3.92×10⁶（次/车道）左右时，沥青路面抗滑性能指数SRI出现了衰变突变点.下行K1932+000～K1942+000段累计轴载作用次数从2.95×10⁶（次/车道）增加至1.16×10⁷（次/车道），沥青路面抗滑性能指数SRI基本服从线性递减，SRI从88.94降至78.41，即累计轴载作用次数每增加8.18×10⁵（次/车道）时，SRI降低1.

3.2 成渝高速公路

成渝高速公路典型路段累计轴载作用次数和SRI测值沿时数据如图3所示，逐年累计轴载作用次数与SRI测值关系如图4所示，计算起点均采用2014年.由于2014年前交通量数据并未收集到，无法从养护维修起点开始分析SRI与累计轴载作用次数的关系，只能以2014年作为起点计算累计轴载作用次数，SRI的衰减分析采用相对衰减速率分析.

由图3可知，成渝高速累计轴载作用次数随运营时间的延长基本呈线性增加趋势，基本呈等步距增加，即成渝高速公路在经过多年运营后，交通量的增长趋势基本稳定.从回归曲线斜率看，成雅高速公路累计轴载作用次数斜率大于成渝高速公路，即其年折算交通量大于成渝高速公路.该路段2014—2020年大客车及中型及以上货车的总量由大到小排序为简阳段>隆昌段>资阳段>资中段>内江段>成都段，折算数计算的累计轴载作用次数由大到小排序为简阳段>资阳段>成都段>资中段>隆昌段>内江段.累计轴载作用次数最大的为简阳段（如上行K2168+000～K2171+000段），该路段2014—2020年大客车及中型及以上货车的总量也大于其他路段；而成都段主要以中小客车为主，2014—2020年大客车及中型及以上货车的总量也远小于其他路段，但折算数计算的累计轴载作用次数最小的为内江段.但受制于成渝高速养护维修沥青和路面结构的复杂性、养护维修措施的实施及测试单位的更替等干扰，抗滑衰减速率与交通轴载作用次数的一致性并不佳（见图4）.交通轴载作用次数较大的上行K2168+000～K2171+000段2014—2016年SRI的年衰减速率达到了5.77%，其他各段的衰减速率基本在每年2%左右，结合成雅高速公路分析看，若从维修养护后第2年开始统计分析，整体上呈现随交通荷载作用次数增加，路面抗滑性能逐步下降的趋势.

4 路龄与沥青路面抗滑性能的相关性

4.1 成雅高速公路

成雅和成渝高速公路沥青路面抗滑性能衰减规律与累计当量轴次的规律性不强，但大部分路段可发现，随着沥青路面抗滑性能衰减与运营年份有一定的规律性.为取消养护维修措施的干扰，重新在成雅高速公路选取2018年前未进行养护维修的路段进行分析，如图5所示.由图5可知，加铺4 cm细粒式改性沥青混凝土AC-13C在运营2～3年会出现明显衰减，后保持在相对稳定的水平，且运营8年后SRI均维持在80左右，抗滑性能衰减较小，路面抗滑性能指标不是路面养护维修措施实施时机的主控指标.成雅和成渝高速公路沥青路面抗滑性能衰减后稳定期较长，可能与成雅和成渝高速公路均以小客车为主，大货车较少，對沥青路面集料的磨耗作用进程较慢，导致沥青路面抗滑性能衰减速度较大型、超重车辆的磨耗速率更慢.

4.2 川北某高速公路

四川川北某高速公路大型及以上车型占比达到了60.19%（见表3），尤其特大货车占比达到了55.35%.2016年年底加铺了4 cm沥青玛蹄脂碎石SMA-13，运营3年后，沥青路面抗滑性能开始出现显著衰减趋势（见图6），且未见明显稳定阶段，2021年对部分路段进行了路面抗滑性能专项整治工程，预测2022年SRI均值可能低于80，加铺罩面后运营4～5年内需要再次实施抗滑性能改善措施，路面抗滑性能指标是路面养护维修措施实施时机的主控指标之一.一般而言，沥青玛蹄脂碎石SMA-13比细粒式沥青混凝土AC-13C抗滑性能衰减更慢^[12]，但通过比较发现，川北某高速公路的4 cm沥青玛蹄脂碎石SMA-13抗滑性能衰减更快于AC-13C，大型重车对沥青路面抗滑性能衰减的影响更为显著，大型货车轮胎和刹车等作用，使集料微观特征的磨耗更为严重（见图7），可能导致后期该路交通事故率明显提升.

综上，沥青路面抗滑性能的分析不仅要考虑累计轴载作用次数，更应考虑交通组成的影响，建议在抗滑性能衰减预测模型中引入大型及以上货车占比参数，以更为准确地预测抗滑性能的衰减.

5 结 论

1）交通量以小型车辆为主时，4 cm改性沥青AC-13C加铺罩面路表抗滑性能表现为前2年基本保持不变，2～3年出现大幅度衰退，后逐渐保持在一个相对稳定的水平，衰减规律具有一定的反S曲线特征，且衰变突变点出现在累计轴载作用次数达到3.92×10⁶（次/车道）左右时.

2）由于路面材料衰变性、运营环境变化及车辆参数变异性，使得路表抗滑性能存在很大的时间依赖性；交通量中车辆组成的差异、车辆行驶轨迹、养护干扰等导致路面抗滑性能与累计当量轴次间具有弱相关性，建议后续进一步分析不同车辆构成下，交通量与路面抗滑性能衰减的关系分析.

3）交通量以小型车辆为主时，路面抗滑性能指标不是路面养护维修措施实施时机主控指标，但以大型车辆为主时，路面抗滑性能衰减较快，成为路面养护维修措施实施时机主控指标的概率相对较大.

参考文献：

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[11]黄晓明，郑彬双.沥青路面抗滑性能研究现状与展望[J].中国公路学报，2019， 32（4）：36-53.

[12]谭巍.基于沥青路面抗滑特性的实验系统开发与石灰岩优选关键技术研究[D].重庆：重庆交通大学，2017.

（实习编辑：罗 媛）

Influence of Traffic Load on Skid Resistance Attenuation Characteristics of Asphalt Pavement

CAO Mingming¹，HUANG Wanqing¹，YE Jian²，CHEN Yang²，ZUO Guining¹

（1.Sichuan Communication Surveying and Design Institution，Chengdu 61004l，China;

2.Sichuan Chengdu-Chongqing Expressway Company Co.，Ltd.，Chengdu 61002l China）

Abstract：The relationship between the cumulative equivalent axis and asphalt pavement anti-slip performance is analyzed based on an investigation of its yearly traffic characteristics by typical highways in Sichuan Province，and then the regularity of asphalt pavement anti-slip performance with different traffic compositions is also studied.The study shows that the anti-slip performance of the asphalt pavement and the road age are basically subject to the characteristics of a reverse S curve when the traffic volume is mainly composed of small vehicles，and the decay is large in the second to third years after the overlay.The regularity between the anti-slip performance and the cumulative equivalent axis of the asphalt pavement is not good with the traffic volume，but obviously the vehicle composition has a certain impact on the decay law of the anti-slip performance of the asphalt pavement.The timing of implementation of road maintenance measures may not be restricted by the road anti-slip performance indicators when the traffic volume is mainly composed of small vehicles，but the road surface anti-slip performance may be one of the main control indicators when the traffic volume is made up of large vehicles.The study on the influence of vehicle loads on the decay law of asphalt pavement anti-slip performance is conducive to identifying its evolutionary characteristics，and this study can provide a basis for the implementation of intelligent maintenance decisions and treatment plans for asphalt pavement，and enhancing vehicle driving safety.

Key words：road engineering;asphalt pavement;skid resistance;traffic volume;attenuation characteristics