疏港道路服役特性及典型破壞特征分析

劉 明，高 茜

（1.青島市交通科學研究院，山東 青島 266102；2.青島交通科技信息有限公司，山東 青島 266102）

引言

隨著港口吞吐量的劇增，進出港區的車輛也不斷增加，特別是大型集裝箱運輸車輛的快速增長。青島疏港道路交通運輸車輛以重載為特征，車輛普遍存在超限、超載情況。大量疏港車輛進出港區不僅給周邊道路造成了較大的交通壓力，而且在大型車輛的反復作用下，通車幾年后嚴重造成了傳統的瀝青路面不同類型、不同程度的早期損害，降低了路面的使用壽命和服務水平。港區及疏港道路路面病害出現以后即使經過反復維修，各種病害仍然無法得到有效控制，另外，頻繁地修補一方面大大增加了后期的養護費用，另一方面也對交通造成很大的干擾，嚴重影響了港口效益。

1 疏港、臨港道路定義

有關疏港道路、臨港道路的定義，國內外目前并無明確的界定，本文從起訖點區域功能和交通運輸特性角度初步進行分類。疏港道路是指通往港口或者碼頭，主要供港口車輛進出的交通要道，從外部貨源、集裝箱箱站（堆場）和港口之間的關系角度分析，疏港道路分類：（1）內部疏港道路-位于港區內部，承擔集裝箱箱站和港口之間貨運交通的道路。（2）外部疏港道路-位于港區外部，與內部疏港道路銜接，直接承擔港區貨運的道路。（3）臨港道路-與外部疏港道路銜接或鄰近的道路，或因為這些道路都承擔了疏港道路的交通分流任務，都有疏港道路鋪面的設計需求。

2 病害及服役特性分析

通過區域路網特性病害調查發現，中心區域直接承載貨流運輸的主干路主要表現為早期的車轍、泛油病害（黃島區道路這一病害現象表征較明顯）；隨著運輸的分流，在距離貨運源頭一定距離后主干道路出現短期內疲勞破壞，即道路出現縱縫、橫縫、網裂、坑槽和車轍；以及長期的疲勞破壞。以黃島區為中心其RDI 數值在遠離貨物源時呈增大趨勢，不考慮黃島區其PCI 數值也呈增大趨勢，即相同養護條件下，路網在遠離貨物源時，由于各區域分流作用，隨著運輸距離的增大其路網破損和車轍逐漸變好并趨于穩定。見圖1、圖2。

圖1 以黃島區為中心向北各行政區路網狀況

圖2 以黃島區為中心向西各行政區路網狀況

通過調查分析發現，青島地區疏港道路通行重載車輛類型較為單一，實際通行五軸及以上特大型車輛（即8 類+9 類車）比例在15 %～47 %范圍內變化，其中重載車約為大型車輛的63 %，重載車集中通行往往發生在夜間21 ∶00 以后的幾個小時內。檢測路段通行的特重型貨車通行往往呈集中、連續的狀態，疏港路工程路段存在重載車輛，夜間排隊出行的情況，慢速、渠化行駛嚴重。通過現場觀測發現部分疏港道路上下行方向的車輛荷載存在明顯差異，即駛出港口的車輛荷載遠高于駛入車輛的荷載，路面出現單方向的嚴重車轍病害。

通過對幾條疏港道路荷載實測發現，重載車輛均存在不同程度的超載現象，超載車輛比重平均為38.3 %，最高達96.8 %，六軸車最高超載73 t，最大荷載為123.3 t。輪胎接地壓力跟軸重呈線性關系，通過調查發現疏港道路上的重載車輛接地壓力最大為1.27 MPa。

通過疏港道路軸載譜與高速公路軸載譜對比分析發現，對于相同類型的重載車輛，疏港道路所行駛車輛軸載的最大值和平均值，均比高速公路高。疏港道路單軸軸載約為高速公路車輛單軸軸載的1.5 倍。

3 有限元分析

針對重載道路服役特點，利用有限元軟件ABAQUS 建立疏港道路典型路面結構模型，模型尺寸：長6 m、寬6 m、高3 m。

3.1 同一荷載不同車速條件下力學響應計算

軸載取標準軸載對應的荷載強度0.7 MPa，車速分別為20 km/h、40 km/h、60 km/h、80 km/h、100 km/h、120 km/h，計算得到各力學計算點處的相應指標。見圖3～圖6。

圖3 不同荷載強度下瀝青混合料層底拉應變

圖4 不同荷載強度下路基頂面豎向應變

圖5 不同荷載強度下無機結合料層底拉應力

圖6 不同荷載強度下路面結構內剪應力

3.2 同一車速不同軸載條件下力學響應計算

行車速度選取40 km/h，軸載取100 kN、140kN、170 kN、200 kN 下對應的荷載強度，分別為0.7 MPa、1.0 MPa、1.2 MPa、1.4 MPa。計算得到各力學計算點處的相應指標，見圖7～圖10。

圖8 路基頂面豎向應變最大值

圖9 無機結合料層底拉應力最大值

圖10 路面結構內剪應力變化情況

3.3 結果分析

同一荷載強度等級下路面內力學響應隨車速變化較大的是瀝青層底拉應變。無機結合料層底拉應力以及路基頂面豎向壓應變、瀝青層頂豎向壓應力、剪應力隨車速的變化范圍不大，說明瀝青層底拉應變對車速的敏感性較大。

不同軸載條件下路面結構內各力學響應變化范圍相對于不同車速條件下的變化程度要大，說明軸載對路面結構力學響應影響很大。疏港道路的服役環境特殊性在于車輛普遍超載超重，車輛軸載能達到240 kN，并且行駛車速集中在40 km/h，在車速低、超載和溫度等因素的作用下，疏港道路處于一種超極限的工作狀態，加速路面損壞累計往往不到使用壽命期限就發生了大量的病害。

4 基于新型瀝青混合料的典型結構組合

根據有限元分析結果，為滿足重載交通路面、沿海地區出港路重載交通特性（車型單一、車流密度大、單軸偏重），兼顧結構承載要求、抗裂要求、排水要求、抗疲勞要求，推薦四種典型路面結構組合形式，見圖11。

圖11 推薦典型結構組合（優化1、優化2）

對四種結構進行基于車轍力學-經驗模型的路面結構性能預估，5 a 及10 a 的車轍預估量見圖12、圖13。

圖12 四種路面結構5 a 車轍預估

從圖12、圖13 可以看出，使用高模量瀝青混合料的路面車轍預估量明顯少于常見路面結構，在服役壽命期間能夠表現出更好地路面使用性能，節約后期的養護費用，保證路面通暢。

圖13 四種路面結構10 a 車轍預估

5 結語

結合疏港道路交通軸載特性及典型路面破壞特性分析，利用數值分析軟件對重載和環境因素耦合作用下的疏港道路典型路面結構響應進行計算，基于青島地區的典型石料對不同瀝青混合料的動態模量和貫入強度參數試驗，通過不同結構組合方案對比，優化了路面結構，最終提出適應疏港道路交通特性、使用環境要求及基于耐久性的路面典型結構組合與材料設計方案。