山区高速公路长大纵坡全路幅沥青路面使用性能的衰减规律研究

禹海伟 罗雅丹 李江涛 陆久飞

(1.云南省交通规划设计研究院有限公司 昆明 650000； 2.中国电建集团昆明勘测设计研究院有限公司 昆明 650000)

在我国西南山区，长大纵坡是高速公路最常见的纵坡形式之一。由于其坡段长、坡度大的特点，使爬坡车辆行驶速度减慢，车辆荷载对路面作用时间增长[1]，加之沥青的“时温等效”效应的影响，使沥青与集料黏附性减弱，降低了沥青混合料抵抗塑性变形的能力，因此较其他路段更容易产生车辙等路面病害[2]。目前，对于长大纵坡的研究主要集中于对长大纵坡路段爬坡路幅车辙病害和长大纵坡施工工艺[3-4]的研究，且研究成果大多基于室内试验和数值模拟得出，缺少与实际工程之间的有效结合，研究结论还需进一步验证[5]。基于检测指标对下坡路幅及路面整体使用性能指标的研究较少。然而，检测数据显示，下坡幅路面使用性能的衰减同样明显，且个别关键指标的衰减程度大于上坡幅，指标的衰减也呈现一定的规律。因此，本文利用高速公路渠化交通的特点，对云南省某山区高速公路具有代表性的几段长大纵坡爬坡幅和下坡幅的路面使用性能衰减规律进行研究，并结合驾驶员驾驶习性进行分析，研究山区高速公路长大纵坡全路幅的沥青路面使用性能衰减特性。

1 工程概况

元磨高速公路是昆明至曼谷国际大通道的重要组成部分，也是国道213线云南省境内的一段，是云南省南部各地的经济运输大动脉。在东南亚地区，更是中国云南与缅甸、老挝、泰国及整个东南亚进行经济贸易往来的国际运输大通道。元磨高速公路主要技术指标见表1。

表1 元磨高速主要技术指标表

2 路面使用性能衰减性分析

为更好地研究长大纵坡路段路面使用性能的衰变规律，本文挑选了元磨高速公路中相邻的2段长大纵坡作为研究对象。研究段落的交通量、气候分区、平面线型相同，经大、中修后，路面结构均为：4 cm改性沥青AC-13C上面层+5 cm改性沥青AC-20C中面层+6 cm基质沥青AC-25C下面层+34 cm水泥稳定碎石基层+15 cm级配碎石底基层。研究路段坡长及平均纵坡坡度见表2。

表2 研究路段参数表

此次研究的路面使用性能数据为2018-2020年度路面使用性能定期检测数据。路面病害(PCI)、平整度(RQI)、车辙(RDI)指标的检测设备为多功能检测车，采用高速摄像机检测病害，采用激光检测平整度和车辙；抗滑指标(SRI)的检测设备为英国Mu-meter双轮式横向力检测车，检测车道分幅各1条主要行车道。研究路段路面使用性能检测结果见图1。

图1 研究路段检测周期使用性能检测结果

显然，虽然每个检测周期的检测结果均有不同，但各段落路面使用性能在3年检测周期内均有不同程度的衰减。为量化分析路面使用性能衰变规律，结合几种典型的衰变模型进行分析，分别是线性函数、S形曲线函数、多项式函数、指数型函数及对数型函数[6]。由于本文研究数据为3年周期，因此二次多项式可准确拟合3年的路面使用性能指数PQI数据。但若要对各段落衰变速率进行比较分析，则需选择单一自变量函数。通过对以上4个段落采用几种单一自变量函数回归后，确定对数函数为整体相关性最高的回归函数。研究路段检测周期内PQI指标拟合结果见表3。

表3 研究路段检测周期PQI拟合结果

以上拟合曲线在检测周期内均为单调递减，因此对数函数拟合公式中的自变量系数可表征PQI的衰减速率。结合数据拟合结果进一步分析，检测周期内研究路段衰减性参数见表4。

表4 研究路段PQI衰减性参数表

由表4数据可知，长纵1路面使用性能衰减速率大于长纵2，下坡幅衰减速率大于爬坡幅，衰减幅度也呈现同样的规律。为了深入分析原因，以下对影响路面使用性能权重最大的2个分项指标PCI(权值0.35)和RQI(权值0.3)进行分析[7-8]，分析数据见表5。

表5 研究路段PCI和RQI衰减性参数表

由表5可知，同路段分析，长纵1的PCI指标整体衰减速率小于长纵2，长纵1的RQI指标整体衰减速率大于长纵1，衰减幅度均随着衰减速率的减小而减小，但规律不明显。由于高速公路的渠化交通特性，同路段不同路幅的交通量并不相同，因此深入分析后同路段检测数据并未呈现明显规律。因此，以下将交通量特性相同的同路幅段落归为一类，并对不同路幅路面使用性能指标的变化情况进行分析，得到以下结论。

1) 从指标均值来看，爬坡幅的PCI和RQI指标普遍大于下坡幅。

2) 爬坡幅与下坡幅的PCI指标衰减速率和衰减幅度相当。

3) 爬坡幅的RQI指标衰减速率约为下坡幅的1/3，衰减幅度约为下坡幅的1/2.8。

3 衰减原因分析

以上数据显示，随着公路运营时间增长，各个研究路段的路面使用性能指标均有不同程度的下滑。影响路面使用性能的2个关键指标的分析结果显示，下坡幅RQI指标的衰减速率和衰减幅度明显大于爬坡幅，而不同路幅的PCI指标的衰减性基本相当。由此可知，车辆对长大纵坡下坡段路面平整度的影响明显大于车辆对路面损坏状况的影响。虽然长大纵坡爬坡幅车辆行驶速度减慢，致使车辆对路面的持续荷载作用时间增长，从而对路面车辙指标产生影响，但车辙指标在路面使用性能中的权重仅为0.15，因此对整体PQI的影响并不明显。下坡幅虽然车辙指标相对较好，但由于驾驶员出于安全考虑的频繁点刹和不同力度的持续刹车，使路表承受瞬时冲击力，导致路面使用性能中权重最大的RQI指标大幅下滑，进而出现了下坡幅路面使用性能衰减更严重的现象。

为验证驾驶员频繁点刹和不同力度的持续刹车导致长大纵坡下坡幅路面使用性能下滑，我方在检测过程中对经停服务区或停车区的车辆进行了问卷调查，询问驾驶员职业、驾龄及驾驶习惯等信息，整理后的调查结果见表6。

表6 研究路段车辆驾驶习性调查结果汇总表

由表6调查结果可见，虽然不同车型在长大纵坡爬坡幅行驶时均有不同程度的减速，但驾驶员都有入坡前的提前加速行为，以减小爬坡过程的速度衰减。下坡幅的车辆均有入坡前的减速行为，驾驶员在下坡过程中均通过点刹或不同力度的持续刹车维持低于入坡前的驾驶速度。由于点刹及不同力度刹车过程中车辆的变速运动，导致车轮轮胎表面对路表产生不同程度的冲击力，随着这种冲击力作用次数的增加，导致沥青路面局部推移或出现坑槽等严重影响RQI指标的病害。现场病害调查数据显示：长纵1和长纵2爬坡幅均未出现坑槽病害，但下坡幅仅2018年度就有4处，且集中于下坡幅前半段。这进一步验证了下坡幅由于车辆点刹和不同力度刹车对RQI指标的影响大于爬坡幅，因此路面使用性能总体指标的衰减速度及衰减幅度也大于爬坡幅。

路面使用性能的衰减受车辆荷载、车轮作用、沿线气候等多种因素影响。虽然本文已选出2段纵坡坡度相等、交通量相同、平面线型相同的路段进行比较研究，但由于研究条件限制，采用现场问卷调查验证检测结果的方式仍有一定局限性。

4 结语

基于对元磨高速3年路面使用性能检测周期的检测数据及现场问卷调查数据，对山区高速公路长大纵坡路段的使用性能衰减原因进行研究，并着重分析了以往研究较少的长大纵坡路段下坡幅使用性能的衰减原因。研究发现：

1) 爬坡幅与下坡幅的PCI指标衰减速率和衰减幅度相当，但下坡幅的RQI指标衰减速率和衰减幅度明显大于爬坡幅。

2) 经问卷调查及病害调查数据分析，下坡幅RQI衰减速率和衰减幅度大的原因主要是驾驶员在下坡幅行驶时出于安全考虑的点刹及不同力度刹车减速，致使行驶中的车辆轮胎对路面产生不同程度的冲击力，从而使路面局部推移和出现坑槽等病害，影响RQI指标，使其衰减性明显强于爬坡幅。