不同交通量下沥青面层整体动稳定度控制标准确定方法探讨

杨　涛, 李植淮,崔志勇,关宏信,单　楠,

(1.长沙理工大学，湖南　长沙　410004；2.温州市交通投资集团有限公司，浙江　温州　325003；3.中国路桥工程有限责任公司,北京　100011；4.河北省高速公路管理局，河北　石家庄　050051；5.广东省长大公路工程有限公司，广东　广州　510620)



不同交通量下沥青面层整体动稳定度控制标准确定方法探讨

杨涛1,2, 李植淮3,崔志勇4,关宏信1,单楠1,

(1.长沙理工大学，湖南长沙410004；2.温州市交通投资集团有限公司，浙江温州325003；3.中国路桥工程有限责任公司,北京100011；4.河北省高速公路管理局，河北石家庄050051；5.广东省长大公路工程有限公司，广东广州510620)

为了便于对不同交通量下半刚性基层沥青路面结构的抗车辙性能进行控制，在某高速公路改扩建工程选取不同路段(交通量不同)、不同车辙深度处进行了全厚式沥青面层现场取样，并模拟实际路面内部的温度场对现场取样进行了全厚式车辙试验；分析了动稳定度与取样处主车道车辙深度的关系，为各路段确定了适应已通行交通量的动稳定度控制标准，即15mm车辙深度对应的动稳定度；收集和计算了各路段已通行的累计当量轴次，分析了各路段动稳定度控制标准与累计当量轴次的关系，得到了两者的拟合方程。利用该拟合方程，为重交通等级公路推荐了沥青路面的整体动稳定度控制标准。最后，总结提出了不同交通量下沥青面层整体动稳定度控制标准的确定方法。

道路工程；沥青面层；确定方法；动稳定度控制标准；取样；交通量

0　引言

目前我国通过车辙试验来检验沥青混合料的动稳定度是否达标，但这并不能反映沥青面层整体抗车辙性能的好坏。将沥青面层甚至路面当作一个整体，直接测试其抗车辙性能是最直接的方法，其中环道试验、直道试验和可移动式加速加载试验是最有效的方法[1-3]。但是，这些试验设备数量有限，费用高昂，而且多用于对比不同路面结构车辙深度随加载次数的发展规律。车辙试验(也称轮辙试验)是我国规范规定的测试单层沥青混合料抗车辙性能的方法，试验设备已经在工程单位得到普及,将该设备加以改进，增加设备的净空高度并增设温度梯度控制系统[4]，即可以用作多层式沥青面层组合结构的车辙试验[5]。但要实现对沥青面层结构整体抗车辙性能的控制，除了需要测试沥青面层结构的整体动稳定度外(关宏信[4]、石立万[6]、张倩[7]等开展过温度梯度下多层式沥青混合料试件的车辙试验)，还需要设定动稳定度控制标准(关宏信曾经进行过有益探索[8-9]，但推荐的沥青面层结构的整体动稳定度只适用于该文依托工程的交通状况)。我国规范目前只对沥青混合料设定了动稳定度控制标准，还没有为沥青路面结构设定动稳定度控制标准，而且我国规范设定的沥青混合料的动稳定度控制标准与交通量无关。实际上，交通量大小直接影响车辙深度及其发展，那么动稳定度控制标准也应该与交通量大小有关，而在这方面国内外还鲜有研究报道。

本文将以某高速公路改扩建工程为依托，通过现场取样测试全厚式沥青面层试件的整体动稳定度，再结合该工程的交通状况和已经出现的车辙深度，来综合分析不同交通状况下沥青面层的动稳定度控制标准。

1　全厚式沥青面层现场取样

某高速公路于1997年12月建成通车，当时路面结构为4cmSLH-20+5cmLH-30+6cmLH-35+19cm水泥稳定碎石+34cm二灰土。通车7a后路面产生了较为严重的病害，在2005—2006年进行了大修，加铺了4cm的改性沥青AC-13F。2013年初，该高速公路改扩建工程正式启动。

封闭交通后的路况调查发现，该高速公路部分路段存在不同严重程度的车辙病害。为了达到本文的研究目的，按照“光照条件相同以使路面内部温度场相同，无长大纵坡以使车辆行驶速度相当，各路段两端有互通出入口以保证各路段之间交通量有别”的原则，笔者在该高速公路选择了5个不同的路段，并在每个路段按照不同的车辙深度范围选择了7～8个取样点位置(横断面)，即车辙深度范围分别为0～5mm，5～10mm，10～15mm，15～20mm，20mm以上。各路段取样点所在横断面主车道车辙深度测试值见表1。按照选定的取样横断面，在其硬路肩切割和开挖路面；考虑平行试验的需要，将现场选取全厚式板式试件的平面尺寸为70cm×70cm，运回实验室后再切割成4块30cm×30cm尺寸的试件，现场取样图片如图1所示。

图1　现场取样Fig.1　Excavating sample on site表1　各取样横断面主车道车辙深度Tab.1　Rut depths in cross-section of main lane forexcavating sample

区间段各取样点所在横断面主车道车辙深度/mm12345678路段14.36.17.59.111.513.214.5—路段23.247.39.71112.516.818路段34.15.28.71317.221.522.5—路段43.84.29.112.313.116.717.3—路段54.97.68.912.117.820.221—

2　现场取样的车辙试验与结果

目前我国规范尚没有制订沥青面层结构车辙试验方法，也没有规定相应的试验设备。笔者长期从事沥青面层结构抗车辙性能研究，并且自行研制了一台适用于多层式试件的车辙试验机(见图2)。该设备的试验轮与试验箱底板之间的净空达到30cm，而且能够在全厚式试件内部形成自上而下的温度梯度[4]。本文就采用该试验机对现场所取全厚式试件进行车辙试验。

图2　试验设备Fig.2　Testing equipment

试件内部温度场控制方法与文献[4]相同，即在4层式试件与钢模之间的4个侧面用隔热材料进行隔温(隔绝试件侧面与热风之间的热交换)，将钢模放置在水槽中(水槽中水不能没过钢模底板)，水槽中的水通过水循环维持在设定的温度；钢模顶部直接暴露在试验机的热风环境，维持在设定的温度。

笔者曾于2013年7月7日在依托工程现场埋设了温度传感器(见图3)，对沥青面层内部的温度场进行了实测，测试前当地已经连续晴热多日，当天最高气温为36 ℃，温度场测试结果见图4。考虑到依托工程所在地极端最高气温曾达到43.3 ℃，而且我国目前在确定沥青混合料车辙试验温度时也采用相对极端温度(没有考虑路面实际温度在不同季节的区别)，可以理解为代表温度，因此本文在室内车辙试验时采用的代表温度场是：19cm厚试件的表面温度为60 ℃，试件底面温度为45 ℃。

图3　沥青层内部温度场实测Fig.3　On-site testing internal temperature field of asphalt layer

图4　取样处沥青面层内部实测温度场Fig.4　Measured temperature field in asphalt surface course at sample cutting transect

目前我国规范推荐的轮碾成型机是为单层沥青混合料车辙试验而配套开发的，其最大压实厚度有限。为此，笔者改进了常规的轮碾成型机(见图2)，增加了其碾压净空高度，能够压实厚度达到30cm的试件。

利用上述试验设备，参考程小亮等的相似性分析结果[10]，在0.7MPa轮压、42次/min往返速度下对现场取回的4层式试件进行了温度梯度下的车辙试验，试验结果见图5。

图5　取样的动稳定度与取样处主车道车辙深度Fig.5　Dynamic stability of samples and rut depth at sample cutting transect of main lane

由图5可见：

(1) 同一路段主车道内的车辙深度增加时，其对应路肩沥青面层的整体动稳定度随之变小。这表明了沥青路面沿道路纵向的抗车辙性能并非一成不变，而同一路段内交通量以及交通组成相同，道路结构和其内部温度场也相同，道路纵向动稳定度的变化是由施工过程中沥青混合料级配波动导致的；而且，若以路肩沥青面层的整体动稳定度代表主车道沥青面层的初始抗车辙性能，则说明路面初始抗车辙性能越弱，车辙发展越快，这与人们的常规认识一致。

(2)不同路段内大致相同的初始动稳定度对应主车道车辙深度不同，甚至区别比较大，这反映出交通量对路面车辙的影响不容忽视。

3　各路段临界车辙深度对应的沥青面层动稳定度

我国规范为高速公路沥青路面设定的车辙维修临界深度为15mm，本文也将以15mm车辙深度作为确定动稳定度控制标准值的依据。由于在现场很难直接选取到主车道车辙深度为15mm的横断面，也就是说不能直接得到每个路段的动稳定度控制标准值。下面通过分析试验获得的(DS，RD)数据，寻找DS随RD的变化规律，具体见图6。

图6　各区段试样的动稳定度随其取样横断面主车道车辙深度的变化规律Fig.6　Dynamic stability of sample from each section varying with depth of sample cutting transect of main lane

图6(f)为利用所有试验数据进行的拟合，代表的意义是不考虑各区段交通量差别情况下的动稳定度随车辙深度的变化趋势。对图6中各数据进行拟合，发现各路段DS随RD的变化规律都可以用指数函数进行拟合，拟合相关系数都在0.94以上。将15mm作为自变量赋值代入各拟合公式，可以计算得到15mm车辙深度对应的动稳定度，就可以将其视为适应该路段交通量下的动稳定度控制标准值，计算结果见表2。

依托工程1998年开始通车运营，当时的4cm厚表面层开始经受阳光照射而逐渐老化；2005年经加铺一层后，原表面层被覆盖而停止老化，但新加铺的4cm厚表面层则开始老化，直至改扩建工程启动。因此，笔者从现场取回的全厚式试件的上两层都经过了7～8a的日照老化。根据文献[11]的试验结果，沥青混合料经紫外光照射后的动稳定度下降幅度约为20%，故本文认为可以将现场取样的上两层沥青混合料的动稳定度提高20%以消除老化带来的影响。但是，层位沥青混合料的动稳定度并不是多层式试件整体的动稳定度，根据文献[8]的研究结果，上面层动稳定度增加20%时，试件整体动稳定度约增加15%。因此，若考虑阳光照射老化对试件动稳定度的影响，本文将现场取样试件的整体动稳定度试验结果提高15%。对图6中各动稳定度原始数据均增大15%后进行拟合，然后计算出的15mm车辙深度对应的动稳定度，结果见表2。表中各路段的动稳定度控制标准值之间的差别体现了交通量的影响。

表2　适应各路段已通行交通量的动稳定度控制标准值Tab.2　Dynamic stability controlling criterion for fittingactual traffic volume on each section

4　不同当量轴次下的动稳定度控制标准确定方法

为得到不同交通量下的动稳定度控制标准，还需要统一交通量统计方法，即将不同车辆的通行次数转化成标准轴载通行次数，也就是需要进行轴载等效换算。

根据收集到的2006—2012年取样路段每个月的交通量数据，笔者统计得到了各个路段近7a的各类车累计通行次数，如表3所示。然后采用AASHTO提出的基于车辙的轴载等效换算方法[12]进行当量轴次的计算，计算时6类车的代表车型分别依次取为红旗CA630、会客JT692A、北京BJ130、东风EQ144、太脱拉81553和五十铃EXR181。

将表2中各个路段的动稳定度数据和表3中各个路段的当量轴次数据综合起来，列于图7，图中实线为拟合趋势线。

对图7中的([DS]，Ner)数据进行拟合，可以得到[DS]随Ner的变化方程。

未考虑老化影响时：

[DS]=554.203 87e0.449 67×10-7Ner。

(1)

表3　2006—2012年取样路段实际交通量与累计当量轴次Tab.3　Actual traffic volume and accumulative equivalent axles of sample cutting sections from 2006 to 2012

图7　动稳定度控制标准随当量轴次的变化规律Fig.7　Dynamic stability controlling criterion varying with accumulative equivalent axles

考虑老化影响后：

[DS]=637.748 38e0.449 41×10-7Ner。

(2)

利用式(2)，理论上可以计算出不同累计当量轴次对应的动稳定度控制标准。由于表3中各路段的累计当量轴次跨度并不大，所以式(2)的外延性还需要进一步验证。不过，笔者认为这种得到[DS]-Ner方程的方法是值得推荐的，如果按照这种方法对不同交通量(当量轴次)级别道路开展试验分析，将能够得到更多的数据和扩大样本空间，进一步修正[DS]-Ner方程的系数，届时该方程将更具有工程应用价值。

对以上试验分析进行总结，得到不同交通量下沥青面层结构整体动稳定度控制标准的具体确定方法如下：

①在旧路不同路段(对应不同当量轴次)实测车辙深度RD，同时挖取全厚式沥青面层整体式试件，并测试得到全厚式试件的整体动稳定度DS，试验时需要模拟实际路面内部的代表性温度场，在试件内部形成温度梯度。

②对每个路段DS～RD数据进行拟合，根据各拟合关系式计算出15mm车辙深度对应的动稳定度，并将其作为适应该路段已通行累计交通量的动稳定度控制标准值[DS]i。

③通过基于抗车辙的轴载等效换算方法得到各路段的累计当量轴次Neri。

④建立[DS]i-Neri之间的拟合方程，根据该方程可以计算得到不同当量轴次时的沥青面层整体动稳定度控制标准值。

5　结论

(1)从依托工程5个不同的路段、主车道不同车辙深度的横断面上路肩位置进行了沥青面层的现场整体取样，并对取回的试件开展了室内车辙试验，得到了不同路段(交通量不同)的 RD-DS 曲线，试验时模拟实际路面内部的温度场在试件内部形成了温度梯度。

(2)考虑到我国规范为高速公路沥青路面设定的车辙维修临界深度为15mm，基于前述RD-DS试验结果，为每个路段计算出了15mm车辙深度对应的动稳定度，并将其作为适应各路段已通行交通量的动稳定度控制标准值[DS]i；收集了5个路段历年来各类车的实际通行次数，并进行轴载等效换算得到了各路段的累计当量轴次Neri；利用得到的5组数据，建立了[DS]-Ner之间的联系方程。

(3)总结上述试验研究过程，提出了不同当量轴次下的动稳定度控制标准确定方法。

不同交通量下沥青路面的整体动稳定度控制标准是一个新概念，其值的确定涉及到许多方面，如试验设备和试验条件、基于车辙的轴载等效换算方法、交通量的统计和预估等。本文只是利用依托工程改扩建的契机进行了沥青路面整体动稳定度控制标准值确定方法上的探索，要得到适用范围更广的动稳定度控制标准，还需要加大现场取样工作量，并在全国不同地区、不同交通量等级的道路上开展类似本文的研究。

References:

[1]JI Xiao-peng, ZHENG Nan-xiang，HOU Yue-qin，et al. Application of Asphalt Mixture Shear Strength to Evaluate Pavement Rutting with Accelerated Loading Facility (ALF)[J]. Construction and Building Materials, 2013，41：1-8.

[2]SUH Y C, CHO N H. Development of a Rutting Performance Model for Asphalt Concrete Pavement Based on Test Road and Accelerated Pavement Test Data[J]. KSCE Journal of Civil Engineering,2014,18(1):165-171.

[3]武金婷,叶奋. 基于MLS66加速加载试验的沥青路面车辙变形分析[J]. 建筑材料学报,2014,17(3):406-413

WU Jin-ting, YE Fen. Analysis for Rutting Deformation of Asphalt Pavement Based on Accelerated Pavement Testing with MLS66 [J]. Journal of Building Materials,2014,17(3):406-413.

[4]关宏信,张起森,罗增杰.考虑温度梯度沥青路面面层全厚式车辙试验[J].土木工程学报,2011,44(6):143-147.

GUAN Hong-xin, ZHANG Qi-sen, LUO Zeng-jie. Total-thickness Laboratory Rut Tests for Asphalt Surface Course under Temperature Gradient[J]. China Civil Engineering Journal,2011,44(6):143-147.

[5]MOHAMED E S, MORIYOSHI A, PARTL M N, et al. New Wheel Tracking Test to Analyze Movements of Aggregates in Muti-layered Asphalt Specimens[J]. Journal of the Japan Petroleum Institute,2006,49(5): 274-279.

[6]石立万,王端宜,吴瑞麟. 温度荷载联合作用下沥青路面全厚度车辙研究[J]. 华中科技大学学报:自然科学版, 2013,41(11):37-40.

SHI Li-wan, WANG Duan-yi, WU Rui-lin. Common Effects of Temperature and Load on Total Thickness Rutting of Asphalt Pavement[J]. Journal of Huazhong University of Science and Technology：Nature Science Edition, 2013,41(11):37-40.

[7]张倩,张尚龙,李彦伟,等. 考虑温度场和可变荷载的沥青面层全厚式车辙试验[J].公路交通科技,2013,30(10):18-22.

ZHANG Qian, ZHANG Shang-long, LI Yan-wei, et al. Total Thickness Rutting Test of Asphalt Pavement Surface Considering Temperature Field and Load Changes[J]. Journal of Highway and Transportation Research and Development, 2013,30(10):18-22.

[8]关宏信,张起森,徐暘,等.全厚式沥青面层车辙控制标准探讨[J].土木工程学报,2011,44(7):124-129.

GUAN Hong-xin, ZHANG Qi-sen, XU Yang, et al. Rut Control Standard for Asphalt Surface Total-thickness Samples [J]. China Civil Engineering Journal,2011,44(7):124-129.

[9]关宏信,徐一鸣，易尚鹏,等. 基于现场取样整体动稳定度的沥青面层结构组合优选[J].公路交通科技,2015,32(1):30-34.

GUAN Hong-xin, XU Yi-ming, YI Shang-peng, et al. An Optimization Method for Structure Combination of Asphalt Surface Course Based on Total Dynamic Stability of Field Sample[J]. Journal of Highway and Transportation Research and Development, 2015,32(1):30-34.

[10]程小亮,董泽蛟,谭忆秋,等. 室内车辙试验的相似性分析[J]. 哈尔滨工业大学学报,2009,41(9):59-64.

CHENG Xiao-liang, DONG Ze-jiao, TAN Yi-qiu, et al. Similarity Analysis of Rutting Test [J]. Journal of Harbin Institute of Technology,2009,41(9):59-64.

[11]王聪. 强紫外线地区沥青混合料耐候性级配优化研究[D]. 西安：西安建筑科技大学,2013.

WANG Cong. Research on Weather Ability and Aggregate Gradation Optimum for Asphalt Mixture in Strong Ultraviolet Region [D]. Xi’an: Xi’an University of Architecture and Technology,2013.

[12]AASHTO. Guide for Mechanistic Empirical Design of New and Rehabilitated Pavement Structures Final Report[R].Washington，D.C.: National Cooperative Highway Research Program, 2004.

Discuss on Dynamic Stability Control Criterion for Asphalt Surface Course under Different Traffic Volumes

YANG Tao1,2, LI Zhi-huai3,CUI Zhi-yong4,GUAN Hong-xin1, SHAN Nan1

(1.ChangshaUniversityofScience&Technology,ChangshaHunan410004，China; 2.WenzhouCommunicationsInvestmentGroupCo.,Ltd.,WenzhouZhejiang325003,China;3.ChinaRoadandBridgeCorporation,Beijing100011，China;4.HebeiProvincialExpresswayManagementBureau,ShijiazhuangHebei050051,China; 5.GuangdongProvincialChangdaEngineeringCo.,Ltd.,GuangzhouGuangdong510620，China)

Inordertocontrolruttingresistanceperformanceofsemi-rigidbaseasphaltpavementunderdifferenttrafficvolumes,ruttingtestisconductedtosimulatetheactualpavementinternaltemperaturefieldonfulldepthasphaltsurfacecoursesamplesexcavatedfromdifferentsections(correspondingdifferenttrafficvolumes)anddifferentruttingdepthsinanexpresswayreconstructionandextensionproject.Therelationshipbetweendynamicstabilityandruttingdepthinmainlaneisanalyzed.Thedynamicstabilitycontrolcriteriatofitthetrafficvolumesofdifferentsectionsaredeterminedrespectively,whicharethedynamicstabilitiescorrespondingto15mmrutdepth.Theaccumulativeequivalentaxlesofthedifferentsectionsarecollectedandcalculated.Therelationshipbetweendynamicstabilitycontrolcriterionofeachsectionanditsaccumulativeequivalentaxlesisanalyzedtoobtaintheirfittingequation.Basedonthefittingequation,thedynamicstabilitycontrolcriterionforasphaltpavementstructureofheavytrafficlevelissuggested.Finally,awayfordeterminingthewholedynamicstabilitycontrolcriterionforasphaltsurfacecourseindifferenttrafficvolumesissuggested.

roadengineering;asphaltsurfacecourse;determinationmethod;dynamicstabilitycontrolcriterion;excavatingsample;trafficvolume

2015-10-09

国家自然科学基金项目(51478052)； 河北省交通运输科技计划项目(Y-2012059)

杨涛(1977-),男,浙江温州人,博士,高级工程师.(ytcdhswz@163.com)

U416.217

A

1002-0268(2016)08-0006-06

doi:10.3969/j.issn.1002-0268.2016.08.002