结构组合对沥青路面行驶质量的影响

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结构组合对沥青路面行驶质量的影响

来源：中国论文下载中心发布日期：2007-4-5

摘要：路面在使用过程中，承受着行车荷载和环境因素的双重作用，行驶质量会不断降低，不同路面结构组合的行驶质量衰变速率存在着差异。本文在已提出的路面使用性能标准衰变方程基础上，以面层厚度、基层类型、初始弯沉和交通量作为影响变量，根据北京地区的路况数据，利用分析标定法，标定出路面行驶质量衰变方程。在此基础上，比较不同路面结构的哀变方程，定量分析了结构组合对行驶质量的影响，并进一步给出了累计轴载作用次数(ESAL)、结构强度(L)和行驶质量指数(ROI)的关系曲线图。
关键词：路面结构组合沥青路面行驶质量影响

1　引言
　　路面使用性能有功能性能和结构性能之分，而功能性能又包含行驶质量和安全性两方面的内容。本文主要研究路面行驶质量及其发展变化规律。
　　路面使用性能的预测是路面设计、路面管理、路面养护以及行车费用评估等工作的前提和基础。与路面设计方法相比，国内外对于路面使用性能的研究显得相对薄弱，对行驶质量的研究更是少之又少。目前，随着路面管理系统的推广与普及，许多国家和地区依据各自的需要和不同的客观条件，建立了不同形式的预测模型。这些模型可以比较准确地预测整个路网中路面性能变化规律，但就特定路段而言，不能分析路面结构组合对路面使用性能的影响。
　　在路面使用性能衰变方程［1］的基础上，本文以面层厚度、基层类型、交通量和路表初始弯沉等作为影响变量，借助北京地区的路况数据，利用分析标定(Analyzing Calibrating)法，建立了行驶质量衰变方程。具体过程如下：
　　(1)影响变量的确定；
　　(2)模型形式的选取；
　　(3)模型参数的标定；
　　(4)结构因素的影响。

2　研究变量的确定
2.1　研究的目标和范围
　　本文研究的主要目的在于探讨随着使用年限的增长、荷载和自然因素的重复作用，路面行驶质量的变化规律，模型主要用于行驶质量趋势的定量预测。在此基础上，定量分析路面结构对行驶质量的不同影响。
　　在研究过程中，本文采用了以空间代时间法，即简单认为不同时期修建的，相同结构的路面具有相同的行驶质量衰变过程。
2.2　模型指标的选取
　　衡量路面功能性能的指标主要有两个：国际平整度指数(IRI)和路面行驶质量指数(RQI)。LRI是利用平整度仪测量到的路面物理指标(平整度)，而RQI是人们对路面功能状况的主观评分。人们对RQI研究相对较多，对其发展规律也较为了解。因此，为了便于与以往的研究成果相衔接，本文选用RQI作为衡量路面功能性能状况的指标。
　　路面平整度是影响行驶质量的最主要的因素，在计算RQI时，本文仅仅考虑了国际平整度指数(IRI)。北京地区的数据库仅仅提供了IRI的数值，参照以前研究成果，并与目前流行的评价方法统一，文中采用以下方程将客观量测的IRI值转化为RQI值。
RQI=5-0.34*IRI

2.3　影响因素分析
2.3.1　面层厚度
　　面层直接同车轮和大气相接触，它承受行车荷载(竖直力、水平力和冲击力)的直接作用，同时还受到降雨的侵蚀和气温变化的不利影响，对路面的使用品质有较大影响，分析表明：面层厚度对路面行驶质量有较大影响，而不同面层类型间的差别并不显著。因此，本文仅考虑面层厚度的影响。为了分析面层的影响，根据面层厚度将其分为：0、3.3、5.5、8.8、12及＞12(cm)五类。
2.3.2　基层类型
　　基层主要承受由面层传递下来的车辆竖向荷载，并把它扩散到垫层或土基中，具有足够强度和刚度的基层是高水平行驶质量的必要保证。简单地说基层有两大类：半刚性基层和碎砾石基层。两种类型基层的作用机理存在着本质上的差异，而同一类基层不同材料间性能相似。因此，根据路面的基层类型将路面分为半刚性和碎砾石两类。
2.3.3　结构强度
　　一定的结构强度是路面具有良好行驶质量的必要保证，结构强度足够的路面可以有效地抵抗多种因素的不良影响，进而延缓行驶质量的衰变进程；结构强度不足时，路面结构的抵抗能力降低，荷载和温度等因素综合作用产生的应力对路面使用性能影响加剧，RQI衰变速率加快。
　　通常，以路面的初始弯沉来衡量结构强度的大小，根据路面初始弯沉值的大小，将路面强度划分为：0～30，30～45，45～60，60～90，＞90(0.01mm，标-60)五类。
2.3.4　交通荷载
　　交通荷载是影响路面使用性能的外在决定因素，在交通荷载的重复作用下，路面的总体结构性能减弱。路面上行驶的车辆车型繁多，各车到达时间不一，为方便起见，仅考虑交通量大小的影响，对作用时间上的差异造成的不同影响不作考虑。
　　北京地区的数据库中将货车、客车、人力畜车、拖拉机等车型分别登录，给出了整条道路年平均日标准轴次(60KN)。考虑轮迹横向分布系数等因素的影响，利用表1 中参数将交通量转化为各条车道上的分布交通量。
　　根据设计车道交通量差异可以将交通划分为四个等级：特轻(≤500)、轻(500～1000)中等(1000～2000)和重(≥2000)(以标准轴载作用次数计，次/日/车道)。

车辆轮迹横向分布系数　　表1

路面宽度(m)	交通量(次/日/车道)
≤6	0.40*ESAL
6～7	0.30*ESAL
7～9	0.25*ESAL
9～12	0.225*ESAL
12～18	0.275*ESAL/2
≥18	0.225*ESAL/2

3　模型形式的选择

　　吸收国内外先进的建模经验，分析我国路面行驶质量发展变化的实际模式，在选用了标准化方程的基础上，确定路面行驶质量的预测方程如下：

　　参数A，B分别反映了路面的寿命和路面变化的过程(性能曲线的形状)，根据所选取指标对行驶质量发展的不同影响，将参数A，B规定为：

　　式中：RQI—— 现时路面行驶质量指数(Riding Quality Index)；
　　　　　RQI0——新建或新近一次改建后的初始行驶质量指数；
　　　　　Y——新建路面或路面新近一次改建距今的使用年数；
　　　　ESAL——日当量轴载作用次数(次/日/车道)；
　　　　　MC——面层厚度(cm)；
　　　　　L——初始弯沉。
　　A，B，a1，a2，a3，a4，b1，b2，b3，b4为回归常数。
　　RQI评分采取5分制，即最大值为5，最小值为0。一般情况下，方程中的RQI0为5，有时略小于5，表明在使用初期路面行驶质量状况；A，B是两个回归参数，具有明确的物理含义。

4　模型参数的标定

综合各个影响因素的交叉组合，共得到200类路面状态组合。同时，考虑到半刚性基层与碎砾石基层作用机理的差异，将数据分为两大类，每一类均含有100组有效分析数据。在分析过程中，为保证统计分析结果的代表性，对数据量小于5或数据离散性较大的组合均不予考虑。利用TSP统计分析软件，经过多次合理回归，最终得到参数A、B的各个影响系数见表2。

A、B中各回归参数值　　　表2

半刚性基层								碎砾石箕层
A				B				A				B
a1	a2	a3	a4	b1	b2	b3	b4	a1	a2	a3	a4	b1	b2	b3	b4
30. 06 6	0.2 39	- 0.2 38	- 0.1 19	0.5 04	0.1 50	- 0.16 4	-0.0 50	22. 38 0	0.2 16	- 0.2 11	-0.0 87	0.3 46	0.2 30	-0.1 34	- 0.0 37

5　结构组合的影响

　　长期以来，道路研究和设计人员一直试图通过控制路面的力学性质进而掌握使用性能的衰变规律，但有关的力学理论同路面的实际情况存在着较大差异，力学分析与使用性能间的关系是间接的，不确定的，纯粹的理论模式难以提供良好的分析工具，分析可知，参数(A、B)与路面行驶质量的变化过程是一一对应的，这就使人们对于行驶质量发展的定量认识成为可能。借助模型，我们可以对各种影响因素的不同作用进行具体分析。
5.1　基层类型的影响
　　在其它条件相同或相似的情况下，半刚性基层的于薄面层路面，体RQI值总是略高于碎砾石，但两种路面的差距不大，对现得尤为突出，采用相同初始弯沉，两者使用寿命差距约为1.7%。即使考虑到半刚性基层具有较强的抗变形能力(文中半刚性基层采用30，碎砾石基层采用45)，两者的差距也仅为11%。但随着面层厚度的增加，二者差距加大，尤其在路面使用后期更为明显。半刚性基层由于掺加了水硬性材料，刚度和强度提高，改善了基层材料的无粘结性，提高了基层的水稳定性，可以提供较高的承载能力，良好的抗疲劳性能，路面结构在使用期间保持良好的整体性。因此，半刚性基层具有较高的行驶质量就不以为奇了，并且历时愈久愈能显示出承受繁重交通的能力。

5.2　面层厚度的影响
　　随着面层厚度的增加，参数A、 B均呈增强趋势，无论对于半刚性基层还是碎砾石基层，面层厚度对RQI的衰变过程都有较大影响，面层厚度较小，参数A、B值较小，曲线衰变曲率较大，道路的早期损坏严重，RQI衰变速率也较大；随着面层厚度的增大，参数A、B值较大，衰变曲线曲率变小，RQI衰变速率变缓，路面可以在较长时期内保持较高的服务水平；薄面层(面层厚度为4cm)与厚面层(面层厚度为12cm)的使用寿命差距达30%。薄面层板体性能差，路面的早期损坏严重，面层厚度的增加改善了路面的板体性能，提高了路面抗变形能力，减小了传递到下面结构层的应力；一定厚度的面层还是基层和土基正常工作的必要保证。总的来说，面层厚度的增加延缓早期损坏的发生和发展，进而有效地延长了道路的使用寿命。

5.3　结构强度的影响
　　结构强度状况对半刚性基层的路面影响较大，薄面层(面层厚度为4cm)，结构强度状况良好(L=30)与结构强度较差(L=75)的路面使用寿命差距为24%。面层厚度的增大使其影响更为显著。同时，随着初始弯沉L的增大，两种基层类型路面间性能差异减小(对于面层厚度较大的路面结构，这种趋势更为明显)，参数B值甚至会出现碎砾石基层大于半刚性基层的情况。结构强度的增加，提高了路面应力和变形性能，相同环境条件下，相同荷载所引起的破坏作用降低，路面能承受更大的累计轴载作用次数。

5.4　结构组合的影响
　　根据行驶质量模型，进一步分析不同结构组合对行驶质量的影响。不同结构组合路面性能表现为不同发展趋势，面层厚、结构强度高的路面行驶质量变化较为缓慢，薄面层低强度的路面行驶质量衰变速率较快；比较厚面层低强度和薄面层高强度路面可以发现：厚面层路面的早期性能较好而薄面层高强度路面的后期性能较好。表明有这样一条规律存在：面层厚度对早期行驶质量影响较大，而结构强度决定了使用后期行驶质量的发展状况。
5.5　功能曲线
　　根据方程进一步分析可以得到累计轴载作用次数(ESAL)、结构强度(L)和行驶质量指数(RQI)的关系曲线图。

6　结论

　　(1)将行驶质量的衰变过程与简单参数A、B联系起来，使人们对路面行驶质量的动态定量预测成为可能，为准确预测路面行驶质量发展趋势提供了强有力的理论依据。
　　(2)面层厚度对路面使用前期的行驶质量有较大影响；结构强度对路面使用后期的行驶质量影响较大。
　　(3)在行驶质量的衰减过程中，结构组合起着重要影响，不同的影响因素其作用又不尽相同，按其影响程度的差异可有以下排序：面层厚度＞初始弯沉＞基层类型。