基于车辙等效的轴载换算关系研究

郑志龙，袁美俊

(1.陕西省公路勘察设计院，西安710068;2.江苏省交通技师学院，江苏镇江212006)

车辙病害极大地影响了道路的使用安全及行车舒适性，是沥青路面较为严重的病害。随着公路运输量的日益增长和轴载的重型化，尤其是高等级公路交通的渠化运行，车辙已成为沥青路面的主要病害类型。有研究表明［1－3］:交通渠化会引起路表车辙的显著增加，在40℃、70 kN的HVS双轮轴载作用11万次后，渠化交通段车辙深度为13 mm，混合交通段为7 mm。车辆荷载的重型化也加速了车辙的发生，重载产生的车辙比轻型荷载大得多，轴载增加1倍，其车辙要达到10～15倍。另外，环境温度也是引发车辙的重要因素，沥青混合料抗蠕变能力随温度升高而下降，在轴载作用下容易产生高温永久剪切变形而导致车辙的产生，在40℃～60℃范围内，温度每升高5℃，车辙深度将增加2倍［4－5］。在交通运输发达的国家，沥青路面永久变形观测或有关参数值已成为路面设计中的一项重要控制指标。鉴于车辙病害的严重性及车辙预估工作的复杂性，本文通过室外相关加速加载试验对不同路面结构进行车辙等效的轴载换算进行了初步研究。

1 足尺加速加载试验系统

本文采用澳大利亚生产的ALF加速加载设备对3种路面结构进行了高温车辙加速加载试验、常温疲劳加速加载试验以及路面结构动力力学响应试验。澳大利亚设计的ALF是直线形试验道上加速加载设备的代表。直线式加速加载足尺试验系统对铺筑的路面结构进行研究，不但能较好的模拟路上实际车辆荷载作用，能在短时间内得出路面结构的抗车辙能力与疲劳寿命，具有高效、准确等特点，但其设备价格昂贵，对试验场地的要求也较高，目前在我国的使用范围较有限。

加速加载试验系统施加的荷载为半轴双轮荷载，轮载可从40～100kN，以10kN为一个等级(相当于轴载从80～200kN，以20kN为一等级)任意选定，每9秒对路面表面施加一次单向选定的轮载，加载速度为20km/h，加载带的长度为12m，每天可向路面施加约9000次单向选定轮载。路面的温度可以由加热系统进行加热，通过温度传感器进行控制，在路面结构内各层埋设温度传感器，通过配套仪器可以进行温度场的测试。温度场温度的测试每30min一次，测试的频率高，试验数据准确。通过车辙仪、弯沉仪将采集的数据变为脉冲信号输送给加速加载的采集系统［6］(如图1所示)，因此采集的车辙与温度数据具有很高的精度。

图1 ALF设备在甘肃武威试验场Fig.1 ALF in Wuwei testing ground of Gansu province

1.1 测点布置

试验期间在9m长的加载带范围内，对每个结构段进行7个断面的表面横断面车辙试验，每个横断面之间的距离及车辙测定断面的位置如图2所示，竖线与中心线交点的位置，共21个断面，可以反映测量断面位置处的路表面的形变情况并生成曲线，车辙试验时得到车辙横断面曲线，采用自动路面车辙仪测定每一个横断面车辙曲线，每种路面结构共需测定7个断面如图3所示。图3为一典型的横断面车辙图，表示的是同一断面在不同加载次数时的车辙曲线，最大车辙深度为最高隆起高度与最大压陷深度之和。温度是影响车辙的一个十分重要的因素，加速加载试验时除了埋设温度控制传感器外，还埋设了温度场传感器，用来记录加速加载试验的温度场变化情况。

图2 ALF试验车辙采集断面 (cm)Fig.2 Sections of track acquisition by ALF test(units:cm)

图3 横断面车辙曲线Fig.3 Cross－sectional rut curve

2 路面结构方案

进行加速加载实验前，首先拟定试验路面结构方案。确定该方案的过程中重点考虑我国现行常用路面结构，以及近年来各省新推出的新型路面结构，柔性路面结构。为了能够体现轴载换算指数的普遍性，加速加载车辙试验共设计了3种路面结构(见表1)，分别为:结构1为甘肃省现阶段常用的半刚性基层沥青路面结构;结构2为柔性基层沥青路面结构;结构3为高性能基层薄沥青层路面结构。在甘肃省武威市重载交通加速加载试验场进行了为期1年的加速加载试验，最终得出了试验路面结构的车辙数据。

表1 加速加载试验路面结构组成Tab.1 Pavement structure in accelerated loading test

2.1 车辙等效轴载换算理论

美国各州公路工作者协会AASHTO通过环道试验［7－8］，研究了超载对路面结构的破坏作用，得出如下结论:车辆对路面的破坏性与轴载的m次方成正比 (路面的破坏程度相同的前提下，不同轴载与加载次数关系)，即:

式中:p，n，为标准轴载及其作用次数;pi，ni，为某一种轴载及其作用次数;m为试验系数。

2.2 车辙数据整理及指数计算

三种路面结构在同种温度条件下，分别进行轴重为100kN及160kN的两次加载试验，加载温度为控制路表3cm处温度为50℃。三种路面结构的加载次数与车辙深度关系见表2～表4，本文采用公式 (1)进行同一路面结构的车辙等效的轴载换算系数的计算。公式 (1)中描述的是当路面结构达到破坏状态时，路面遭受的荷载与荷载作用次数关系。现取车辙深度作为特定的破坏形式，当同一路面结构其车辙深度相同时，所采用轴载及加载次数符合公式 (1)中的关系，将已知的加载次数及加载轴载的数据带入公式 (1)计算得出系数m，此时m值仅能代表以车辙等效的轴载换算系数。实验数据及处理结果见表2～表4。

表2 结构一车辙等效轴载换算指数Tab.2 Conversion index of rutting equivalent axle load in structure one

表3 结构二车辙等效轴载换算指数Tab.3 Conversion index of rutting equivalent axle load in structure two

表4 结构三车辙等效轴载换算指数Tab.4 Conversion index of rutting equivalent axle load in structure three

由表2～4的计算结果可以看出，车辙深度在1cm以内时，轴载换算指数较小，原因是车辙深度发展过程中首先是路面处于压密阶段，在此阶段轴载的轻重的区别没有体现出来。轴载换算系数的计算应该取车辙深度发展稳定后进行计算分析，本次加速加载试验表明在50℃下，车辙深度发展到3cm后趋于平缓增长。此外，还发现了柔性基层的指数略小，半刚性基层的指数较大，这可能与柔性基层固有的特点有关。根据加速加载试验结果，轴载换算指数的选用常规半刚性结构取2.41～2.57，面层较薄的半刚性基层取值应在1.9～2.09，柔性基层取1.85～1.9。

3 室内车辙等效的轴载换算

室内车辙等效轴载换算关系，采用车辙板试验。温度为60℃，通过调节车辙仪上的加载力，建立车辙深度与轴载的关系，试验材料为SMA－13，车撤等效轴载换算采用公式 (1)。

在随车辙深度相同时，行走次数与换算指数的关系见表5。

表5 室内车辙等效轴载换算指数Tab.5 Conversion index of rutting equivalent axle load in laboratory

通过表5数据可以发现，车辙深度在0.9cm时车辙就已经趋于稳定发展阶段，后续随着加载的增加车辙深度增加均不明显，故轴载换算可以选择0.9cm时的加载次数为基本参数。通过计算得出，室内车辙等效换算指数为1.47。可见基于车辙等效的轴载换算系数在室内与室外环境条件下还是有较大差异的，不能简单的通过室内试验得出相关轴载换算系数。

4 结论

通过加速加载试验，得出了三种类型路面结构在不同轴载下车辙的发展变化规律，通过计算分析得出了三种路面结构基于车辙等效的轴载换算系数分别为:常规半刚性结构取2.41～2.57，面层较薄的半刚性基层取1.9～2.09，柔性基层取1.85～1.9。另外，室内小型车辙模拟试验的换算指数为1.47，其仅能在一定程度上表征特定材料的抗车辙特性，与正常路面结构的换算系数之间无明显联系。

［1］郑南翔.重载沥青路面车辙预估的温度－轴载－轴次模型［J］.中国公路学报，2009，22(3):7 －15.

［2］孟书涛.半刚性基层沥青路面性能的加速加载试验研究［J］.公路交通科技，1997(3):59－64.

［3］黄 勇.重载沥青路面合理设计方法的分析研究［D］.西安:长安大学，2007.

［4］刘红瑛.不同级配对沥青混合料车辙性能的影响［J］.长安大学学报(自然科学版)2004，24(5):11－15.

［5］徐永丽，程培峰.荷载模型对沥青路面路表弯沉计算的影响［J］.森林工程，2008，24(4):5 －67.

［6］马荣贵.路面车辙多路传感器检测误差分析［J］.长安大学学报(自然科学版)2007，27(3):34－36.

［7］李怀璋.半刚性基层沥青路面车辙的预估方法和试验分析［J］.农业机械学报，2002，33(6):8 －11.

［8］徐世法.高等级道路沥青路面车辙的预估、控制和防治［D］.上海:同济大学，1992.