城市道路與公路規范中車轍計算方法的對比分析

崔永日,趙善德

(延吉市規劃設計研究院有限公司,吉林 延吉 133000)

1 前 言

隨著我國經濟的高速發展,城市交通基礎設施建設日益完善,并且新能源汽車在我國得到了大力推廣,雖然近兩年疫情對我國的經濟發展有一定影響,但汽車保有量一直穩定增長,據公安部統計,2022年汽車保有量達3.19億輛,比2021年增加1 752萬輛,增長5.81%。汽車保有量的增長,對我國城市交通的建設也帶來了很大的考驗。

隨著城鎮交通量的不斷增大,交通信號燈控制成為疏導城鎮道路的主要手段,而且很多城市為了緩解交通壓力也分別修建了BRT等快速交通系統。但隨著交通信號燈以及公交車站的建設,在交叉口及公交車站附近汽車會頻繁地制動以及啟動,對路面結構產生較大的剪力,導致車轍、擁包現象非常嚴重,現階段車轍現象已經成為主要的問題。

目前我國的城鎮道路瀝青路面設計依然采用2012年版的《城鎮道路路面設計規范》,《公路瀝青路面設計規范》在2017年發布了新的版本,并且更新了瀝青路面的計算方法,同時也增加了車轍方面的計算。以延吉市城市路面結構設計為例,對車轍現象進行分析。

2 城鎮車轍現象的原因分析

目前城鎮道路瀝青路面車轍主要出現在城鎮交叉口及公交車?？空咎?其原因主要有以下四個方面。

在車輛進出交叉口或公交車站的時候,經常需要減速,在減速過程中車輛的荷載會進行重分配,導致前軸變重,后軸變輕,在這個過程中路面的水平力和剪應力都會大大增強,從而使瀝青路面發生橫向變形和剪切變形。

在交叉口與公交車?？空緟^域,車輛需要經常地啟動和制動,在啟動和制動過程中會對路面產生非常大的水平力,尤其是在緊急剎車的時候,會對路面產生非常大的拉應力和剪應力,當重型車較多,在豎向力和水平力共同作用下,容易使剪應力超過抗剪強度,使路面出現車轍、擁包等破壞。

在夏季,尤其在南方城市,在室外溫度達到40 ℃左右時,瀝青路面的溫度已經達到60～65 ℃,根據《城鎮道路路面設計規范》表C.1,在溫度上升到60 ℃時,路面瀝青材料的抗壓模量和抗剪強度都會急劇下降,此時在重型車的反復作用下,路面更容易發生車轍、擁包等破壞。

車輛在交叉口與公交車?？空緟^域的車速相對緩慢,且需要等待紅綠燈,因此路面長時間承受荷載的作用,更容易發生車輛車轍、擁包等病害。[1]

3 計算方法

在路面變形方面(如車轍、擁包等)的計算上,《城鎮道路路面設計規范》是以剪應力進行控制,而在《公路瀝青路面設計規范》中則采用永久變形量進行計算控制,雖然都是對路面的變形及車轍方面的計算,但計算方法并不相同。

3.1 《城鎮道路路面設計規范》(CJJ 169—2012)

根據《城鎮道路路面設計規范》,瀝青混合料結構層容許抗剪強度按公式(1)計算。

(1)

式中:τs為瀝青面層材料的60 ℃抗剪強度,MPa;Kr為抗剪強度結構系數。

對于一般行駛路段Kr=1.2/Ac;對于公交車停車站、交叉口等地點,抗剪強度結構系數Kr如下。

Kr=0.39Np0.15/Ac

(2)

式中:Np為公交車停車站或交叉口設計基準期內同一位置停車的累計當量軸次,次;Ac為道路等級系數。

容許抗剪強度與瀝青混合料結構層 60 ℃抗剪強度成正比,與抗剪強度結構系數Kr成反比,而Kr在一般行駛路段只與道路等級相關,在公交車停車站及交叉口處與累計當量軸次直接相關。

根據《城鎮道路路面設計規范》相關規定,瀝青面層剪應力最大值計算點位置應取荷載外邊緣路表距單圓荷載中心點0.9δ點D或離路表0.1h1距單圓荷載中心點δ點E,并取較大值作為面層剪應力,位置見圖1、圖2。

圖1 路面荷載與計算點豎向位置

圖2 路面荷載與計算點平面位置

根據《城鎮道路路面設計規范》有關公式[2],

(3)

(4)

水平力系數對于一般路段為0.5,對于公交車停車站、交叉口等緩慢制動地點為0.2。其余參數說明詳見《城鎮道路路面設計規范》(CJJ 169—2012)[2]。

3.2 《公路瀝青路面設計規范》(JTG D50—2017)

根據《公路瀝青路面設計規范》相關規定,車轍方面的計算采用瀝青混合料層永久變形量進行控制,按下列公式進行驗算。

(5)

(6)

kRi=(d1+d2·zi)·0.9731zi

(7)

(8)

(9)

(10)

(11)

(12)

式中:各參數說明詳見《公路瀝青路面設計規范》(JTG D50—2017)中B.3[3]。

4 計算及分析

4.1 路面結構的選擇

目前我國道路路面結構組合大部分都是半剛性基層瀝青路面,表面層選用的材料主要有AC-C和SMA瀝青混合料,而基層和墊層材料的選擇樣式比較多,基層的變化對車轍的變化影響不大,因此為了能更直接更清楚地表達結果,主要探討結構面層變化對車轍現象的影響,基層組合見表1。

表1 基層結構組合

在不改變基礎和墊層的情況下,選用三種不同的面層材料進行計算對比分析,結構組合見表2。

表2 路面結構組合

4.2 計算參數的選擇

因為兩種規范的計算方法完全不同,城鎮道路規范以剪應力來控制計算,而公路規范中以瀝青混合料層永久變形量來控制車轍計算,因此以延吉市的路面結構為例,根據相應路面選取參數見表3。

表3 路面結構參數

城市道路等級系數Ac取1.0,路基回彈模量為60 MPa,瀝青混合料層永久變形等效溫度為13.9 ℃。

4.3 城鎮道路剪應力計算

表4 一般路段容許抗剪強度 單位:MPa

由以上結果可知,在一般路段,容許抗剪強度只與瀝青表面60 ℃抗剪強度有關,而與交通量無關,在道路等級系數Ac為1.0時,所有的路面結構的容許抗剪強度都大于計算剪應力0.483 MPa,路面結構滿足設計要求。

在公交車停車站或交叉口處的容許抗剪強度計算結果見圖3。

圖3 容許抗剪強度

公交車停車站或交叉口處計算的最大剪應力為0.261 MPa,圖3可知,當面層采用 AC-13C時,路面結構最大累計當量軸次為1.4×105次;采用 SBS AC-13C時,路面結構最大累計當量軸次為10×105次;采用SMA-13時,路面結構最大累計當量軸次為80×105次。累計當量軸次對容許抗剪強度的影響非常大,即交通量的大小直接影響路面結構的設計使用年限[4]。

4.4 公路瀝青路面永久變形量計算

根據《公路瀝青路面設計規范》(JTG D50—2017)可知,一級公路容許永久變形量為15 mm[3],在結構層厚度不變的情況下,車轍試驗永久變形量R0i對永久變形量的結果有直接影響,而車轍試驗永久變形量對應的動穩定度DS可作為瀝青混合料的質量要求和施工控制指標,通過調整面層的動穩定度DS以及設計車道上當量設計軸載累計作用次數Ne3對永久變形量進行計算,結果見圖4。

圖4 永久變形量Ra

從圖4可以看出,當量設計軸載累計作用次數Ne3對永久變形量的影響明顯,因此在進行路面設計時,由于計算的交通量相對穩定,因此通過調整路面瀝青材料的質量及施工控制指標等手段提高動穩定度DS,可以降低永久變形量的數值從而增加路面結構的使用年限。

4.5 計算結果分析

通過以上的結果對比可知,在城市道路抗剪計算中,一般路段只與瀝青表面60 ℃抗剪強度及道路等級有關,與交通量無關。而公交車停車站或交叉口處的路面與瀝青表面60 ℃抗剪強度相關,并且道路的交通量直接影響路面結構的使用年限。

在公路瀝青路面計算中,永久變形量與各瀝青層厚度、動穩定度、當量設計軸載累計作用次數及永久變形等效溫度有關,由于道路所在地區的永久變形等效溫度是固定的,各瀝青層厚度相對變化不大,因此在設計中動穩定度及當量設計軸載累計作用次數直接影響永久變形量的計算結果[5],所以在設計及施工時增加路面結構的動穩定度,將直接影響路面結構的使用年限。

5 城市道路與公路的區別

(1)關于車轍計算,《城鎮道路路面設計規范》采用的是剪應力,而《公路瀝青路面設計規范》中采用的是壓應力。

(2)我國幅員遼闊,根據7月平均最高氣溫及氣候分區可分為夏炎熱區、夏熱區及夏涼區[6]。根據分區不同,夏季的最高溫度也不同,《城鎮道路路面設計規范》容許剪應力只考慮了瀝青表面60 ℃抗剪強度,采用的是全國統一的標準,未對全國不同的溫分區進行調整。而在《公路瀝青路面設計規范》中采用了永久變形等效溫度參數,對不同分區進行了溫度調整。

(3)《城鎮道路路面設計規范》對一般道路的剪應力計算,只考慮道路等級而不考慮交通量,只有在交叉口及公交車停車站處需要按交通量進行計算,而《公路瀝青路面設計規范》中的永久變形量與交通量的0.48次方成正比。

(4)《城鎮道路路面設計規范》中的抗剪強度主要是由表層瀝青面層材料的60 ℃抗剪強度來控制[7],而《公路瀝青路面設計規范》可由路面瀝青材料的質量及施工控制指標等提高每一層瀝青混合料的動穩定度DS,以降低永久變形量。

(5)城市道路中車輛的制動及啟動比較頻繁,尤其是在公交車站及交叉口處,因此路面受水平力較大。而在公路中大部分路段上的車輛都正常行駛,水平作用力不大,但是由于公路汽車荷載較大,路面所受壓應力比較大。

6 結 論

通過以上分析比較,可以看出導致瀝青路面車轍現象的主要原因是路面受的剪應力及壓應力過大,在交通量日益增長的情況下,要想保證路面的設計使用年限,應提高路面設計的累計當量軸次。城市道路中提高路面設計累計當量軸次的主要指標分別有增加材料層厚度、路面材料的抗壓回彈模量以及瀝青混合料結構層 60 ℃抗剪強度三個指標[8],而其中瀝青混合料結構層 60 ℃抗剪強度對計算結果影響最大,也最明顯,因此在進行交叉口及公交車停車站路面結構設計時,應優先采用如改性瀝青混凝土或SMA等60 ℃抗剪強度較大的路面材料。在公路設計中,提高路面設計累計當量軸次的主要指標分別有增加材料層厚度、路面材料的抗壓回彈模量以及瀝青混合料結構動穩定度三個指標,因此采用動穩定度較高的路面材料及施工工藝對延長路面的設計使用年限效果明顯。

2017版《公路瀝青路面設計規范》在永久變形量的計算中首次提出了計算當量設計軸載累計作用次數,可采用道路設計使用年限內的累計作用次數或采用通車至首次針對路面車轍維修的期限內的累計作用次數,也就是說,可以考慮在設計使用年限內對出現車轍的路面進行維修后繼續使用,這也是城市路面結構設計的一種思路。在城市車流量越來越大,重載汽車也越來越多的情況下,很多既有的城市道路路面結構已經發生車轍現象,可對路面結構進行維修后繼續使用。

在城市道路中,由于交叉口及公交車站附近的車輛需要經常啟動和制動,在啟動和制動過程中對路面將產生非常大的水平力,因此城鎮道路采用剪應力進行計算非常合理,而公路中由于車輛行駛平穩,且車輛荷載較大,因此新的公路規范采用壓應力進行計算,并且公路規范在一般路段考慮了等效溫度、交通量及各層瀝青混合料對永久變形量的影響,考慮的因素更加全面,但是在二級及以下的公路,也存在大量與其他等級道路相交的交叉口,在交叉口處車輛頻繁地啟動及制動,在這個過程中也會產生較大的剪應力,導致路面由于剪應力過大而產生車轍。

《城鎮道路路面設計規范》于2012年頒布至今已有11年之久,而《公路瀝青路面設計規范》是于2017年頒布的,且對于一般路段的設計方法更為合理。但是公路規范中缺少對于交叉口及公交車站這種頻繁啟動及制動的路段的設計方法,因此在設計中對于一般路段可參考公路規范進行設計,并根據《城鎮道路路面設計規范》對交叉口及公交車站路段進行剪應力設計。