城市道路与公路规范中车辙计算方法的对比分析

崔永日,赵善德

(延吉市规划设计研究院有限公司,吉林 延吉 133000)

1 前 言

随着我国经济的高速发展,城市交通基础设施建设日益完善,并且新能源汽车在我国得到了大力推广,虽然近两年疫情对我国的经济发展有一定影响,但汽车保有量一直稳定增长,据公安部统计,2022年汽车保有量达3.19亿辆,比2021年增加1 752万辆,增长5.81%。汽车保有量的增长,对我国城市交通的建设也带来了很大的考验。

随着城镇交通量的不断增大,交通信号灯控制成为疏导城镇道路的主要手段,而且很多城市为了缓解交通压力也分别修建了BRT等快速交通系统。但随着交通信号灯以及公交车站的建设,在交叉口及公交车站附近汽车会频繁地制动以及启动,对路面结构产生较大的剪力,导致车辙、拥包现象非常严重,现阶段车辙现象已经成为主要的问题。

目前我国的城镇道路沥青路面设计依然采用2012年版的《城镇道路路面设计规范》,《公路沥青路面设计规范》在2017年发布了新的版本,并且更新了沥青路面的计算方法,同时也增加了车辙方面的计算。以延吉市城市路面结构设计为例,对车辙现象进行分析。

2 城镇车辙现象的原因分析

目前城镇道路沥青路面车辙主要出现在城镇交叉口及公交车停靠站处,其原因主要有以下四个方面。

在车辆进出交叉口或公交车站的时候,经常需要减速,在减速过程中车辆的荷载会进行重分配,导致前轴变重,后轴变轻,在这个过程中路面的水平力和剪应力都会大大增强,从而使沥青路面发生横向变形和剪切变形。

在交叉口与公交车停靠站区域,车辆需要经常地启动和制动,在启动和制动过程中会对路面产生非常大的水平力,尤其是在紧急刹车的时候,会对路面产生非常大的拉应力和剪应力,当重型车较多,在竖向力和水平力共同作用下,容易使剪应力超过抗剪强度,使路面出现车辙、拥包等破坏。

在夏季,尤其在南方城市,在室外温度达到40 ℃左右时,沥青路面的温度已经达到60～65 ℃,根据《城镇道路路面设计规范》表C.1,在温度上升到60 ℃时,路面沥青材料的抗压模量和抗剪强度都会急剧下降,此时在重型车的反复作用下,路面更容易发生车辙、拥包等破坏。

车辆在交叉口与公交车停靠站区域的车速相对缓慢,且需要等待红绿灯,因此路面长时间承受荷载的作用,更容易发生车辆车辙、拥包等病害。[1]

3 计算方法

在路面变形方面(如车辙、拥包等)的计算上,《城镇道路路面设计规范》是以剪应力进行控制,而在《公路沥青路面设计规范》中则采用永久变形量进行计算控制,虽然都是对路面的变形及车辙方面的计算,但计算方法并不相同。

3.1 《城镇道路路面设计规范》(CJJ 169—2012)

根据《城镇道路路面设计规范》,沥青混合料结构层容许抗剪强度按公式(1)计算。

(1)

式中:τs为沥青面层材料的60 ℃抗剪强度,MPa;Kr为抗剪强度结构系数。

对于一般行驶路段Kr=1.2/Ac;对于公交车停车站、交叉口等地点,抗剪强度结构系数Kr如下。

Kr=0.39Np0.15/Ac

(2)

式中:Np为公交车停车站或交叉口设计基准期内同一位置停车的累计当量轴次,次;Ac为道路等级系数。

容许抗剪强度与沥青混合料结构层 60 ℃抗剪强度成正比,与抗剪强度结构系数Kr成反比,而Kr在一般行驶路段只与道路等级相关,在公交车停车站及交叉口处与累计当量轴次直接相关。

根据《城镇道路路面设计规范》相关规定,沥青面层剪应力最大值计算点位置应取荷载外边缘路表距单圆荷载中心点0.9δ点D或离路表0.1h1距单圆荷载中心点δ点E,并取较大值作为面层剪应力,位置见图1、图2。

图1 路面荷载与计算点竖向位置

图2 路面荷载与计算点平面位置

根据《城镇道路路面设计规范》有关公式[2],

(3)

(4)

水平力系数对于一般路段为0.5,对于公交车停车站、交叉口等缓慢制动地点为0.2。其余参数说明详见《城镇道路路面设计规范》(CJJ 169—2012)[2]。

3.2 《公路沥青路面设计规范》(JTG D50—2017)

根据《公路沥青路面设计规范》相关规定,车辙方面的计算采用沥青混合料层永久变形量进行控制,按下列公式进行验算。

(5)

(6)

kRi=(d1+d2·zi)·0.9731zi

(7)

(8)

(9)

(10)

(11)

(12)

式中:各参数说明详见《公路沥青路面设计规范》(JTG D50—2017)中B.3[3]。

4 计算及分析

4.1 路面结构的选择

目前我国道路路面结构组合大部分都是半刚性基层沥青路面,表面层选用的材料主要有AC-C和SMA沥青混合料,而基层和垫层材料的选择样式比较多,基层的变化对车辙的变化影响不大,因此为了能更直接更清楚地表达结果,主要探讨结构面层变化对车辙现象的影响,基层组合见表1。

表1 基层结构组合

在不改变基础和垫层的情况下,选用三种不同的面层材料进行计算对比分析,结构组合见表2。

表2 路面结构组合

4.2 计算参数的选择

因为两种规范的计算方法完全不同,城镇道路规范以剪应力来控制计算,而公路规范中以沥青混合料层永久变形量来控制车辙计算,因此以延吉市的路面结构为例,根据相应路面选取参数见表3。

表3 路面结构参数

城市道路等级系数Ac取1.0,路基回弹模量为60 MPa,沥青混合料层永久变形等效温度为13.9 ℃。

4.3 城镇道路剪应力计算

表4 一般路段容许抗剪强度 单位:MPa

由以上结果可知,在一般路段,容许抗剪强度只与沥青表面60 ℃抗剪强度有关,而与交通量无关,在道路等级系数Ac为1.0时,所有的路面结构的容许抗剪强度都大于计算剪应力0.483 MPa,路面结构满足设计要求。

在公交车停车站或交叉口处的容许抗剪强度计算结果见图3。

图3 容许抗剪强度

公交车停车站或交叉口处计算的最大剪应力为0.261 MPa,图3可知,当面层采用 AC-13C时,路面结构最大累计当量轴次为1.4×105次;采用 SBS AC-13C时,路面结构最大累计当量轴次为10×105次;采用SMA-13时,路面结构最大累计当量轴次为80×105次。累计当量轴次对容许抗剪强度的影响非常大,即交通量的大小直接影响路面结构的设计使用年限[4]。

4.4 公路沥青路面永久变形量计算

根据《公路沥青路面设计规范》(JTG D50—2017)可知,一级公路容许永久变形量为15 mm[3],在结构层厚度不变的情况下,车辙试验永久变形量R0i对永久变形量的结果有直接影响,而车辙试验永久变形量对应的动稳定度DS可作为沥青混合料的质量要求和施工控制指标,通过调整面层的动稳定度DS以及设计车道上当量设计轴载累计作用次数Ne3对永久变形量进行计算,结果见图4。

图4 永久变形量Ra

从图4可以看出,当量设计轴载累计作用次数Ne3对永久变形量的影响明显,因此在进行路面设计时,由于计算的交通量相对稳定,因此通过调整路面沥青材料的质量及施工控制指标等手段提高动稳定度DS,可以降低永久变形量的数值从而增加路面结构的使用年限。

4.5 计算结果分析

通过以上的结果对比可知,在城市道路抗剪计算中,一般路段只与沥青表面60 ℃抗剪强度及道路等级有关,与交通量无关。而公交车停车站或交叉口处的路面与沥青表面60 ℃抗剪强度相关,并且道路的交通量直接影响路面结构的使用年限。

在公路沥青路面计算中,永久变形量与各沥青层厚度、动稳定度、当量设计轴载累计作用次数及永久变形等效温度有关,由于道路所在地区的永久变形等效温度是固定的,各沥青层厚度相对变化不大,因此在设计中动稳定度及当量设计轴载累计作用次数直接影响永久变形量的计算结果[5],所以在设计及施工时增加路面结构的动稳定度,将直接影响路面结构的使用年限。

5 城市道路与公路的区别

(1)关于车辙计算,《城镇道路路面设计规范》采用的是剪应力,而《公路沥青路面设计规范》中采用的是压应力。

(2)我国幅员辽阔,根据7月平均最高气温及气候分区可分为夏炎热区、夏热区及夏凉区[6]。根据分区不同,夏季的最高温度也不同,《城镇道路路面设计规范》容许剪应力只考虑了沥青表面60 ℃抗剪强度,采用的是全国统一的标准,未对全国不同的温分区进行调整。而在《公路沥青路面设计规范》中采用了永久变形等效温度参数,对不同分区进行了温度调整。

(3)《城镇道路路面设计规范》对一般道路的剪应力计算,只考虑道路等级而不考虑交通量,只有在交叉口及公交车停车站处需要按交通量进行计算,而《公路沥青路面设计规范》中的永久变形量与交通量的0.48次方成正比。

(4)《城镇道路路面设计规范》中的抗剪强度主要是由表层沥青面层材料的60 ℃抗剪强度来控制[7],而《公路沥青路面设计规范》可由路面沥青材料的质量及施工控制指标等提高每一层沥青混合料的动稳定度DS,以降低永久变形量。

(5)城市道路中车辆的制动及启动比较频繁,尤其是在公交车站及交叉口处,因此路面受水平力较大。而在公路中大部分路段上的车辆都正常行驶,水平作用力不大,但是由于公路汽车荷载较大,路面所受压应力比较大。

6 结 论

通过以上分析比较,可以看出导致沥青路面车辙现象的主要原因是路面受的剪应力及压应力过大,在交通量日益增长的情况下,要想保证路面的设计使用年限,应提高路面设计的累计当量轴次。城市道路中提高路面设计累计当量轴次的主要指标分别有增加材料层厚度、路面材料的抗压回弹模量以及沥青混合料结构层 60 ℃抗剪强度三个指标[8],而其中沥青混合料结构层 60 ℃抗剪强度对计算结果影响最大,也最明显,因此在进行交叉口及公交车停车站路面结构设计时,应优先采用如改性沥青混凝土或SMA等60 ℃抗剪强度较大的路面材料。在公路设计中,提高路面设计累计当量轴次的主要指标分别有增加材料层厚度、路面材料的抗压回弹模量以及沥青混合料结构动稳定度三个指标,因此采用动稳定度较高的路面材料及施工工艺对延长路面的设计使用年限效果明显。

2017版《公路沥青路面设计规范》在永久变形量的计算中首次提出了计算当量设计轴载累计作用次数,可采用道路设计使用年限内的累计作用次数或采用通车至首次针对路面车辙维修的期限内的累计作用次数,也就是说,可以考虑在设计使用年限内对出现车辙的路面进行维修后继续使用,这也是城市路面结构设计的一种思路。在城市车流量越来越大,重载汽车也越来越多的情况下,很多既有的城市道路路面结构已经发生车辙现象,可对路面结构进行维修后继续使用。

在城市道路中,由于交叉口及公交车站附近的车辆需要经常启动和制动,在启动和制动过程中对路面将产生非常大的水平力,因此城镇道路采用剪应力进行计算非常合理,而公路中由于车辆行驶平稳,且车辆荷载较大,因此新的公路规范采用压应力进行计算,并且公路规范在一般路段考虑了等效温度、交通量及各层沥青混合料对永久变形量的影响,考虑的因素更加全面,但是在二级及以下的公路,也存在大量与其他等级道路相交的交叉口,在交叉口处车辆频繁地启动及制动,在这个过程中也会产生较大的剪应力,导致路面由于剪应力过大而产生车辙。

《城镇道路路面设计规范》于2012年颁布至今已有11年之久,而《公路沥青路面设计规范》是于2017年颁布的,且对于一般路段的设计方法更为合理。但是公路规范中缺少对于交叉口及公交车站这种频繁启动及制动的路段的设计方法,因此在设计中对于一般路段可参考公路规范进行设计,并根据《城镇道路路面设计规范》对交叉口及公交车站路段进行剪应力设计。