结构组合对沥青路面行驶质量的影响

2010-09-06狄志,祝捷

黑龙江交通科技 2010年11期

关键词：刚性面层路面

狄志,祝捷

(1.黑龙江省公路工程质量监督站;2.黑龙江华龙公路工程咨询监理公司)

1 研究变量的确定

1.1 研究的目标和范围

本文研究的主要目的在于探讨随着使用年限的增长、荷载和自然因素的重复作用,路面行驶质量的变化规律,模型主要用于行驶质量趋势的定量预测。在此基础上,定量分析路面结构对行驶质量的不同影响。

在研究过程中,本文采用了以空间代时间法,即简单认为不同时期修建的,相同结构的路面具有相同的行驶质量衰变过程。

1.2 模型指标的选取

衡量路面功能性能的指标主要有两个：国际平整度指数(IRI)和路面行驶质量指数(RQI)。LRI是利用平整度仪测量到的路面物理指标(平整度),而 RQI是人们对路面功能状况的主观评分。人们对 RQI研究相对较多,对其发展规律也较为了解。因此,为了便于与以往的研究成果相衔接,本文选用 RQI作为衡量路面功能性能状况的指标。

路面平整度是影响行驶质量的最主要的因素,在计算RQI时,本文仅仅考虑了国际平整度指数(IRI)。北京地区的数据库仅仅提供了 IRI的数值,参照以前研究成果,并与目前流行的评价方法统一,文中采用以下方程将客观量测的IRI值转化为 RQI值。

1 .3 影响因素分析

(1)面层厚度

面层直接同车轮和大气相接触,它承受行车荷载(竖直力、水平力和冲击力)的直接作用,同时还受到降雨的侵蚀和气温变化的不利影响,对路面的使用品质有较大影响,分析表明：面层厚度对路面行驶质量有较大影响,而不同面层类型间的差别并不显著。因此,本文仅考虑面层厚度的影响。为了分析面层的影响,根据面层厚度将其他为：0、3.3、5.5、8.8、12及＞12(cm)五类。

(2)基层类型

基层主要承受由面层传递下来的车辆竖向荷载,并把它扩散到垫层或土基中,具有足够强度和刚度的基层是高水平行驶质量的必要保证。简单地说基层有两大类：半刚性基层和碎砾石基层。两种类型基层的作用机理存在着本质上的差异,而同一类基层不同材料间性能相似。因此,根据路面的基层类型将路面分为半刚性和碎砾石两类。

(3)结构强度

一定的结构强度是路面具有良好行驶质量的必要保证,结构强度足够的路面可以有效地抵抗多种因素的不良影响,进而延缓行驶质量的衰变进程;结构强度不足时,路面结构的抵抗能力降低,荷载和温度等因素综合作用产生的应力对路面使用性能影响加剧,RQI衰变速率加快。

通常,以路面的初始弯沉来衡量结构强度的大小,根据路面初始弯沉值的大小,将路面强度划分为：0～30,30～45,45～60,60～90,＞90(0.01mm,标 -60)五类。

(4)交通荷载

交通荷载是影响路面使用性能的外在决定因素,在交通荷载的重复作用下,路面的总体结构性能减弱。路面上行驶的车辆车型繁多,各车到达时间不一,为方便起见,仅考虑交通量大小的影响,对作用时间上的差异造成的不同影响不作考虑。

北京地区的数据库中将货车、客车、人力畜车、拖拉机等车型分别登录,给出了整条道路年平均日标准轴次(60kN)。考虑轮迹横向分布系数等因素的影响,利用表 1中参数将交通量转化为各条车道上的分布交通量。

根据设计车道交通量差异可以将交通划分为四个等级：特轻(≤500)、轻(500～ 1000)、中等(1000～ 2000)和重(≥2000)(以标准轴载作用次数计,次/日/车道)。

表1 车辆轮迹横向分布系数

2 模型形式的选择

吸收国内外先进的建模经验,分析我国路面行驶质量发展变化的实际模式,在选用了标准化方程的基础上,确定路面行驶质量的预测方程。

参数 A、B分别反映了路面的寿命和路面变化的过程(性能曲线的形状),根据所选取指标对行驶质量发展的不同影响,将参数 A、B规定为RQI为现时路面行驶质量指数(RidingQualityIndex);RQIO为新建或新近一次改建后的初始行驶质量指数;Y为新建路面或路面新近一次改建距今的使用年数;ESAL为日当量轴载作用次数(次/日/车道);L为初始弯沉。

A,B,a1,a2,a3,a4,b1,b2,b3,b4为回归常数。

RQI评分采用 5分制,即最大值为 5,最小值为 0。一般情况下,方程中的RQI0为 5,有时略小于 5,表明在使用初期路面行驶质量状况;A,B是两个回归参数,具有明确的物理含义。

3 模型参数的标定

综合各个影响因素的交叉组合,共得到 200类路面状态组合。同时,考虑到半刚性基层与碎砾石基层作用机理的差异,将数据分为两大类,每一类均含有 100组有效分析数据。在分析过程中,为保证统计分析结果的代表性,对数据量小于 5或数据离散性较大的组合均不予考虑。利用 TSP统计分析软件,经过多次合理回归,最终得到参数 A、B的各个影响系数见表 2。

表 2 A、B中各回归参数值

4 结构组合的影响

4.1 基层类型的影响

在其它条件相同或相似的情况下,半刚性基层的于薄面层路面,RQI值总是略高于碎砾石,但两种路面的差距不大,对现得尤为突出,采用相同初始弯沉,两者使用寿命差距约为 1.7%。即使考虑到半刚性基层具有较强的抗变形能力(文中半刚性基层采用30,碎砾石基层采用 45),两者的差距也仅为 11%。但随着面层厚度的增加,二者差距加大,尤其在路面使用后期更为明显。半刚性基层由于掺加了水硬性材料,刚度和强度提高,改善了基层材料的无粘结性,提高了基层的水稳定性,可以提供较高的承载能力,良好的抗疲劳性能,路面结构在使用期间保持良好的整体性。因此,半刚性基层具有较高的行驶质量就不以为奇了,并且历里愈久愈能显示出承受繁重交通的能力。

4.2 面层厚度的影响

随着面层最大限度度的增加,参数 A、B均呈增强趋势,无论对于半刚性基层还是碎砾石基层,面层厚度对 RQI的衰变过程都有较大影响,面层厚度较小,参数 A、B值较小,曲线衰变曲率较大,道路的早期损坏严重,RQI衰变速率也较大;随着面层厚度的增大,参数 A、B值较大,衰变曲线曲率变小,RQI衰变速率变缓,路面可以在较长时期内保持较高的服务水平;薄面层(面层厚度为 4cm)与厚面层(面层厚度为 12cm)的使用寿命差距达 30%。薄面层板体性能差,路面的早期损坏严重,面层厚度的增加改善了路面的板体性能,提高了路面抗变形能力,减小了传递到下面结构层的应力;一定厚度的面层还是基层和土基正常工作的必要保证。总的来说,面层厚度的增加延缓早期损坏的发生和发展,进而有效地延长了道路的使用寿命。

4.3 结构强度的影响

结构强度状况对半刚性基层的路面影响较大,薄面层(面层厚度为 4cm),结构强度状况良好(L=30)与结构强度较差(L=75)的路面使用寿命差距为 24%。面层厚度的增大使其影响更为显著。同时,随着初始弯沉 L的增大,两种基层类型路面间性能差异减小(对于面层厚度较大的路面结构,这种趋势更为明显),参数B值甚至会出现碎砾石基层大于半刚性基层的情况。结构强度的增加,提高了路面应力和变形性能,相同环境条件下,相同荷载所引起的破坏作用降低,路面能承受更大的累计轴载作用次数。

4.4 结构组合的影响

根据行驶质量模型,进一步分析不同结构组合对行驶质量的影响。不同结构组合路面性能表现为不同发展趋势,面层厚、结构强度高的路面行驶质量变化较为缓慢,薄面层低强度的路面行驶质量衰变速率较快;比较厚面层低强度和薄面层高强度路面可以发现：厚面层路面的早期性能较好而薄面层高强度路面的后期性能较好。表明有这样一条规律存在：面层厚度对早期行驶质量影响较大,而结构强度决定了使用后期行驶质量的发展状况。