王 磊

(遼寧省交通運(yùn)輸事業(yè)發(fā)展中心 沈陽(yáng)市 110005)

近年來(lái)重載交通瀝青路面的車轍問(wèn)題日趨嚴(yán)峻，降低路面壽命的同時(shí)也影響行車安全，目前我國(guó)《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D50-2017)采用基于動(dòng)穩(wěn)定度的車轍預(yù)估模型進(jìn)行設(shè)計(jì)。自2017版瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范推出，國(guó)內(nèi)開(kāi)始對(duì)此進(jìn)行深入研究，李夢(mèng)琪[1]解釋了規(guī)范中新修訂的設(shè)計(jì)參數(shù)、材料參數(shù)和環(huán)境參數(shù)。余四新等人[2]選取山東省部分一級(jí)路路段為試驗(yàn)段，采用新規(guī)范進(jìn)行試驗(yàn)，分析了面層厚度與結(jié)構(gòu)強(qiáng)度間的關(guān)系。姚曉陽(yáng)[3]對(duì)新規(guī)范中的改建設(shè)計(jì)進(jìn)行了解析并考察加鋪層的承載能力。羅立峰[4]以廣東省內(nèi)高速公路為例，對(duì)新規(guī)范中路面材料的設(shè)計(jì)參數(shù)和測(cè)試方法提出建議。王亨庭等人[5]針對(duì)新版規(guī)范中低溫開(kāi)裂指數(shù)與路面狀態(tài)之間的關(guān)系以及指數(shù)的發(fā)展規(guī)律進(jìn)行了分析研究。但是對(duì)于車轍預(yù)估模型中各個(gè)參數(shù)的敏感性分析，并沒(méi)有相關(guān)的工作。本文探究車轍破壞對(duì)應(yīng)的參數(shù)敏感性以及正負(fù)相關(guān)性，并依據(jù)參數(shù)敏感性分析的結(jié)論和當(dāng)前技術(shù)提出針對(duì)性的解決方法。

1 參數(shù)敏感性試驗(yàn)方法

路面設(shè)計(jì)參數(shù)較多，且各參數(shù)對(duì)瀝青路面設(shè)計(jì)的影響程度不同，通過(guò)參數(shù)模擬分析，可得出各指標(biāo)的主要因素和次要因素。對(duì)于考察因素多、參考值范圍大的試驗(yàn)，若考慮全部因素水平，則試驗(yàn)次數(shù)將過(guò)多，且難以操作。而正交試驗(yàn)分析法可以從大量試驗(yàn)點(diǎn)中取出極具代表性的部分試驗(yàn)點(diǎn)，再采用正交表的方法安排并進(jìn)行試驗(yàn)，在保證試驗(yàn)準(zhǔn)確的同時(shí)還會(huì)極大地減少試驗(yàn)量，現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用。車轍預(yù)估模型敏感性分析方法可采用正交試驗(yàn)分析法[6-8]。

正交試驗(yàn)結(jié)果分析采用方差法，輸出結(jié)果包含主體間因子、各因素水平對(duì)應(yīng)指標(biāo)的平均值和主體間效應(yīng)檢驗(yàn)，主體間因子表明試驗(yàn)因素和水平的數(shù)量，主體間效應(yīng)檢驗(yàn)包含平方和、自由度、均方、F值、R2和顯著性六大類。其中參數(shù)敏感性最直觀的數(shù)據(jù)是Sig值(顯著性)，Sig越小則影響程度越大，顯著性越大，以0.01和0.05為分界點(diǎn)。

本研究中瀝青路面的設(shè)計(jì)方法及程序根據(jù)《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D50-2017)確定，以我國(guó)最為普遍的半剛性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，對(duì)車轍預(yù)估模型的關(guān)鍵參數(shù)敏感性特點(diǎn)進(jìn)行研究。最后根據(jù)敏感性分析結(jié)果，有針對(duì)性地提出了可行的工程改善措施，從而控制或降低嚴(yán)重車轍病害現(xiàn)象。

2 瀝青路面車轍模型正交試驗(yàn)計(jì)算

2.1 正交試驗(yàn)因素和水平確定

在無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定類基層瀝青路面中，瀝青路面車轍參數(shù)敏感性試驗(yàn)采用混合水平正交試驗(yàn)(不考慮交互作用)，主要考慮了四個(gè)主要因素，分別為交通荷載等級(jí)因素(軸載次數(shù))、瀝青混合料層厚度因素、等效溫度因素、瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度因素，且均采用五水平，采用L25(54)等水平正交表分析。

擬定公路為高速公路，將2軸6輪及以上車輛的雙向年平均日交通量擬定為200輛/日、1600輛/日、5000輛/日、18000輛/日和70000輛/日，即設(shè)計(jì)交通荷載等級(jí)因素分成五水平分別為輕、中等、重、特重、極重；年增長(zhǎng)率為5.0%,方向系數(shù)為0.55，車道系數(shù)為0.6，車輛類型為TTC2類，設(shè)計(jì)使用年限為15年，2～11類車輛非滿載車占比如圖1所示，車輛類型分布系數(shù)如圖2所示。

計(jì)算得出瀝青混合料層初始年設(shè)計(jì)車道日平均當(dāng)量軸次N1分別為165輛/日、1319輛/日、4122輛/日、14837輛/日、57701輛/日；當(dāng)量設(shè)計(jì)軸載累積作用次數(shù)N2分別為1298467次、10387736次、32461674次、116862026次、454463435次。

基準(zhǔn)等效溫度為4.7～29.3℃，瀝青混合料層厚度為150～250mm，計(jì)瀝青路面結(jié)構(gòu)組合形式為：將瀝青面層視為一層，上基層和下基層均為水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石，底基層為級(jí)配碎石。

2.2 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

主體間因子及水平組合見(jiàn)表1，對(duì)于車轍深度，按照規(guī)范，選取A、B、C、D四點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算，在永久變形量選取時(shí)，僅計(jì)入A、B、C、D四點(diǎn)中最大的點(diǎn)。

表1 主體間因子

2.3 正交試驗(yàn)結(jié)果分析

各主體間效應(yīng)檢驗(yàn)見(jiàn)表2。結(jié)果表明：根據(jù)方差分析原理，R2=0.798，說(shuō)明試驗(yàn)擬合優(yōu)度高。等效溫度因素的Sig值(顯著性)為0.008，小于0.01，對(duì)瀝青路面車轍影響程度極大，顯著性極高；瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度因素和交通荷載等級(jí)(軸載次數(shù))因素的Sig值(顯著性)分別為0.024和0.043，均大于0.01且小于0.05，對(duì)瀝青路面車轍的影響程度大，顯著性高；而瀝青混合料層厚度因素的Sig值(顯著性)為0.949，大于0.05，所以對(duì)瀝青路面車轍的影響程度小，顯著性低。

表2 主體間效應(yīng)檢驗(yàn)

R2=0.935(調(diào)整后R2=0.798)

對(duì)設(shè)計(jì)因素中的等效溫度、交通荷載等級(jí)和瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度三種因素與車轍深度進(jìn)行相關(guān)性分析，由于瀝青混合料層厚度因素對(duì)瀝青路面車轍的影響程度小，顯著性低，所以瀝青混合料厚度因素不參與相關(guān)性分析。分析結(jié)果見(jiàn)圖3～圖5。

由圖3可知，等效溫度(溫度)在4.7～29.3℃整體區(qū)間內(nèi)，與瀝青路面車轍總體呈正相關(guān)，特別是等效溫度在17～23.5℃區(qū)間內(nèi)的增長(zhǎng)速率要大于4.7～17℃區(qū)間內(nèi)及23.5～29.3℃內(nèi)的增長(zhǎng)速率。

由圖4可知，交通荷載等級(jí)(軸載次數(shù))在輕交通與中等交通區(qū)間內(nèi)車轍深度急劇增加，在交通荷載等級(jí)(軸載次數(shù))為中等交通與重交通區(qū)間內(nèi)車轍深度增加趨勢(shì)有所減慢，在交通荷載等級(jí)(軸載次數(shù))為重交通與特重交通區(qū)間內(nèi)增加趨勢(shì)較中等交通與重交通區(qū)間內(nèi)有所減慢，但相差不大，在交通荷載等級(jí)(軸載次數(shù))為特重交通和極重交通區(qū)間內(nèi)增加趨勢(shì)又有衰減。

由圖5可知，瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度在800～12000次/mm區(qū)間內(nèi)，隨著動(dòng)穩(wěn)定度的增大，車轍深度總體上呈減小趨勢(shì)，與瀝青路面車轍總體呈負(fù)相關(guān)。同時(shí)，當(dāng)瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度增加到一定程度后，車轍深度變化不大。

3 工程改善建議

面層對(duì)于提高整體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度方面較弱，但也是形成車轍的特殊層位，不可能完全消除車轍，但可以適當(dāng)控制。從施工角度出發(fā)，攤鋪碾壓時(shí)要注意路基碾壓的控制或坡面控制，當(dāng)瀝青料和基層接觸時(shí)，溫度急劇降低，因攤鋪或人工操作影響，會(huì)形成空隙，所以必須要控制瀝青料的殘余孔隙率大小。

從養(yǎng)護(hù)角度出發(fā)，當(dāng)環(huán)境溫度偏高時(shí)，可采取降溫措施保護(hù)路面。此外，國(guó)內(nèi)近些年還研制出設(shè)置熱反射涂層的方法，可有效緩解夏季路面溫度過(guò)高問(wèn)題，甚至可降低10℃。

從路面設(shè)計(jì)角度出發(fā)，與車轍直接相關(guān)主要包括溫度參數(shù)、交通量以及材料自身的性質(zhì)等參數(shù)。在一定范圍內(nèi)等效溫度參數(shù)、瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度和交通荷載等級(jí)參數(shù)敏感性強(qiáng)，可采用堅(jiān)硬多棱角的粗集料或增大料中礦粉的用量來(lái)提高路面抗車轍性能。目前研究發(fā)現(xiàn)，在中面層，可使用高溫穩(wěn)定性較高、粘度較大的瀝青材料，及部分復(fù)合高模量瀝青混合料，這種瀝青混合料的抗變形性和粘附性遠(yuǎn)超過(guò)普通的瀝青混合料，當(dāng)前也可通過(guò)使用瀝青添加劑的方式提高瀝青混合料的性能。

從溫度和荷載等外因角度出發(fā)，理論研究上可以通過(guò)調(diào)整溫度方面入手，但是實(shí)際操作比較困難，可在養(yǎng)護(hù)階段采用人工物理方法維護(hù)，但荷載問(wèn)題可以從路線設(shè)計(jì)方面進(jìn)行改善調(diào)節(jié)，重視渠化交通設(shè)計(jì)，既能降低或分散單路線的作用強(qiáng)度，又能保證道路運(yùn)行效率。

4 結(jié)論

本文研究對(duì)象為無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定類基層(粒料類底基層)的路面車轍問(wèn)題，選取了交通荷載等級(jí)(軸載次數(shù))、等效溫度、動(dòng)穩(wěn)定度和瀝青混合料厚度四種指標(biāo)，并選用等水平和混合水平正交試驗(yàn)法進(jìn)行分析，依據(jù)《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D50-2017)設(shè)計(jì)并計(jì)算多種工況，并確定出各項(xiàng)指標(biāo)對(duì)車轍的參數(shù)敏感性，結(jié)論如下：

(1)等效溫度敏感性最強(qiáng)，當(dāng)?shù)刃囟仍?.7～29.3℃時(shí)，隨著等效溫度的增大，路面車轍深度逐漸增大。

(2)瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度敏感性強(qiáng)，當(dāng)動(dòng)穩(wěn)定度在800～12000次/mm時(shí)，隨著動(dòng)穩(wěn)定度的增大，車轍深度呈減小趨勢(shì)。

(3)交通荷載等級(jí)(軸載次數(shù))敏感性較強(qiáng)，當(dāng)交通荷載等級(jí)(軸載次數(shù))在輕、中等、重、特重和極重條件下，隨著交通荷載等級(jí)(軸載次數(shù))的增大，車轍深度逐漸增大。

(4)瀝青混合料層厚度因素在150～250mm范圍內(nèi)對(duì)瀝青路面車轍的影響程度小，參數(shù)敏感性弱。

(5)基于分析結(jié)果，從路面設(shè)計(jì)、等效溫度和行車荷載三方面出發(fā)，提出了提升路面結(jié)構(gòu)抗車轍性能的工程建議。