結(jié)構(gòu)組合對瀝青路面行駛質(zhì)量的影響

1　引言??

　　路面使用性能有功能性能和結(jié)構(gòu)性能之分，而功能性能又包含行駛質(zhì)量和安全性兩方面的內(nèi)容。本文主要研究路面行駛質(zhì)量及其發(fā)展變化規(guī)律。?
　　路面使用性能的預(yù)測是路面設(shè)計、路面管理、路面養(yǎng)護(hù)以及行車費(fèi)用評估等工作的前提和基礎(chǔ)。與路面設(shè)計方法相比，國內(nèi)外對于路面使用性能的研究顯得相對薄弱，對行駛質(zhì)量的研究更是少之又少。目前，隨著路面管理系統(tǒng)的推廣與普及，許多國家和地區(qū)依據(jù)各自的需要和不同的客觀條件，建立了不同形式的預(yù)測模型。這些模型可以比較準(zhǔn)確地預(yù)測整個路網(wǎng)中路面性能變化規(guī)律，但就特定路段而言，不能分析路面結(jié)構(gòu)組合對路面使用性能的影響。?
　　在路面使用性能衰變方程?［1］的基礎(chǔ)上，本文以面層厚度、基層類型、交通量和路表初始彎沉等作為影響變量，借助北京地區(qū)的路況數(shù)據(jù)，利用分析標(biāo)定(Analyzing Calibrating)法，建立了行駛質(zhì)量衰變方程。具體過程如下：?
　　(1)影響變量的確定；?
　　(2)模型形式的選取；?
　　(3)模型參數(shù)的標(biāo)定；?
　　(4)結(jié)構(gòu)因素的影響。

2　研究變量的確定

2.1　研究的目標(biāo)和范圍?
　　本文研究的主要目的在于探討隨著使用年限的增長、荷載和自然因素的重復(fù)作用，路面行駛質(zhì)量的變化規(guī)律，模型主要用于行駛質(zhì)量趨勢的定量預(yù)測。在此基礎(chǔ)上，定量分析路面結(jié)構(gòu)對行駛質(zhì)量的不同影響。?
　　在研究過程中，本文采用了以空間代時間法，即簡單認(rèn)為不同時期修建的，相同結(jié)構(gòu)的路面具有相同的行駛質(zhì)量衰變過程。?
2.2　模型指標(biāo)的選取
　　衡量路面功能性能的指標(biāo)主要有兩個：國際平整度指數(shù)(IRI)和路面行駛質(zhì)量指數(shù)(RQI)。LRI是利用平整度儀測量到的路面物理指標(biāo)(平整度)，而RQI是人們對路面功能狀況的主觀評分。人們對RQI研究相對較多，對其發(fā)展規(guī)律也較為了解。因此，為了便于與以往的研究成果相銜接，本文選用RQI作為衡量路面功能性能狀況的指標(biāo)。?
　　路面平整度是影響行駛質(zhì)量的最主要的因素，在計算RQI時，本文僅僅考慮了國際平整度指數(shù)(IRI)。北京地區(qū)的數(shù)據(jù)庫僅僅提供了IRI的數(shù)值，參照以前研究成果，并與目前流行的評價方法統(tǒng)一，文中采用以下方程將客觀量測的IRI值轉(zhuǎn)化為RQI值。?

RQI=5-0.34*IRI

2.3　影響因素分析
2.3.1　面層厚度
　　面層直接同車輪和大氣相接觸，它承受行車荷載(豎直力、水平力和沖擊力)的直接作用，同時還受到降雨的侵蝕和氣溫變化的不利影響，對路面的使用品質(zhì)有較大影響，分析表明：面層厚度對路面行駛質(zhì)量有較大影響，而不同面層類型間的差別并不顯著。因此，本文僅考慮面層厚度的影響。為了分析面層的影響，根據(jù)面層厚度將其分為：0、3.3、5.5、8.8、12及＞12(cm)五類。?
2.3.2　基層類型
　　基層主要承受由面層傳遞下來的車輛豎向荷載，并把它擴(kuò)散到墊層或土基中，具有足夠強(qiáng)度和剛度的基層是高水平行駛質(zhì)量的必要保證。簡單地說基層有兩大類：半剛性基層和碎礫石基層。兩種類型基層的作用機(jī)理存在著本質(zhì)上的差異，而同一類基層不同材料間性能相似。因此，根據(jù)路面的基層類型將路面分為半剛性和碎礫石兩類。?
2.3.3　結(jié)構(gòu)強(qiáng)度
　　一定的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度是路面具有良好行駛質(zhì)量的必要保證，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度足夠的路面可以有效地抵抗多種因素的不良影響，進(jìn)而延緩行駛質(zhì)量的衰變進(jìn)程；結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不足時，路面結(jié)構(gòu)的抵抗能力降低，荷載和溫度等因素綜合作用產(chǎn)生的應(yīng)力對路面使用性能影響加劇，RQI衰變速率加快。?
　　通常，以路面的初始彎沉來衡量結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的大小，根據(jù)路面初始彎沉值的大小，將路面強(qiáng)度劃分為：0～30，30～45，45～60，60～90，＞90(0.01mm，標(biāo)-60)五類。?
2.3.4　交通荷載?
　　交通荷載是影響路面使用性能的外在決定因素，在交通荷載的重復(fù)作用下，路面的總體結(jié)構(gòu)性能減弱。路面上行駛的車輛車型繁多，各車到達(dá)時間不一，為方便起見，僅考慮交通量大小的影響，對作用時間上的差異造成的不同影響不作考慮。
　　北京地區(qū)的數(shù)據(jù)庫中將貨車、客車、人力畜車、拖拉機(jī)等車型分別登錄，給出了整條道路年平均日標(biāo)準(zhǔn)軸次(60KN)。考慮輪跡橫向分布系數(shù)等因素的影響，利用表1 中參數(shù)將交通量轉(zhuǎn)化為各條車道上的分布交通量。?
　　根據(jù)設(shè)計車道交通量差異可以將交通劃分為四個等級：特輕(≤500)、輕(500～1000)中等(1000～2000)和重(≥2000)(以標(biāo)準(zhǔn)軸載作用次數(shù)計，次/日/車道)。

車輛輪跡橫向分布系數(shù)　　表1

3　模型形式的選擇

　　吸收國內(nèi)外先進(jìn)的建模經(jīng)驗(yàn)，分析我國路面行駛質(zhì)量發(fā)展變化的實(shí)際模式，在選用了標(biāo)準(zhǔn)化方程的基礎(chǔ)上，確定路面行駛質(zhì)量的預(yù)測方程如下：?

　　參數(shù)A，B分別反映了路面的壽命和路面變化的過程(性能曲線的形狀)，根據(jù)所選取指標(biāo)對行駛質(zhì)量發(fā)展的不同影響，將參數(shù)A，B規(guī)定為：?

　　式中：RQI—— 現(xiàn)時路面行駛質(zhì)量指數(shù)(Riding Quality Index)；
　　　　　RQI0——新建或新近一次改建后的初始行駛質(zhì)量指數(shù)；?
　　　　　Y——新建路面或路面新近一次改建距今的使用年數(shù)；
?　　　　ESAL——日當(dāng)量軸載作用次數(shù)(次/日/車道)；?
　　　　　MC——面層厚度(cm)；?
　　　　　L——初始彎沉。?
　　A，B，a1，a2，a3，a4，b1，b2，b3，b4為回歸常數(shù)。?
　　RQI評分采取5分制，即最大值為5，最小值為0。一般情況下，方程中的RQI?0為5，有時略小于5，表明在使用初期路面行駛質(zhì)量狀況；A，B是兩個回歸參數(shù)，具有明確的物理含義。?

4　模型參數(shù)的標(biāo)定

綜合各個影響因素的交叉組合，共得到200類路面狀態(tài)組合。同時，考慮到半剛性基層與碎礫石基層作用機(jī)理的差異，將數(shù)據(jù)分為兩大類，每一類均含有100組有效分析數(shù)據(jù)。在分析過程中，為保證統(tǒng)計分析結(jié)果的代表性，對數(shù)據(jù)量小于5或數(shù)據(jù)離散性較大的組合均不予考慮。利用TSP統(tǒng)計分析軟件，經(jīng)過多次合理回歸，最終得到參數(shù)A、B的各個影響系數(shù)見表2。

A、B中各回歸參數(shù)值　　　表2?

5　結(jié)構(gòu)組合的影響??

　　長期以來，道路研究和設(shè)計人員一直試圖通過控制路面的力學(xué)性質(zhì)進(jìn)而掌握使用性能的衰變規(guī)律，但有關(guān)的力學(xué)理論同路面的實(shí)際情況存在著較大差異，力學(xué)分析與使用性能間的關(guān)系是間接的，不確定的，純粹的理論模式難以提供良好的分析工具，分析可知，參數(shù)(A、B)與路面行駛質(zhì)量的變化過程是一一對應(yīng)的，這就使人們對于行駛質(zhì)量發(fā)展的定量認(rèn)識成為可能。借助模型，我們可以對各種影響因素的不同作用進(jìn)行具體分析。?
5.1　基層類型的影響
　　在其它條件相同或相似的情況下，半剛性基層的于薄面層路面，體RQI值總是略高于碎礫石，但兩種路面的差距不大，對現(xiàn)得尤為突出，采用相同初始彎沉，兩者使用壽命差距約為1.7%。即使考慮到半剛性基層具有較強(qiáng)的抗變形能力(文中半剛性基層采用30，碎礫石基層采用45)，兩者的差距也僅為11%。但隨著面層厚度的增加，二者差距加大，尤其在路面使用后期更為明顯。半剛性基層由于摻加了水硬性材料，剛度和強(qiáng)度提高，改善了基層材料的無粘結(jié)性，提高了基層的水穩(wěn)定性，可以提供較高的承載能力，良好的抗疲勞性能，路面結(jié)構(gòu)在使用期間保持良好的整體性。因此，半剛性基層具有較高的行駛質(zhì)量就不以為奇了，并且歷時愈久愈能顯示出承受繁重交通的能力。

5.2　面層厚度的影響
　　隨著面層厚度的增加，參數(shù)A、 B均呈增強(qiáng)趨勢，無論對于半剛性基層還是碎礫石基層，面層厚度對RQI的衰變過程都有較大影響，面層厚度較小，參數(shù)A、B值較小，曲線衰變曲率較大，道路的早期損壞嚴(yán)重，RQI衰變速率也較大；隨著面層厚度的增大，參數(shù)A、B值較大，衰變曲線曲率變小，RQI衰變速率變緩，路面可以在較長時期內(nèi)保持較高的服務(wù)水平；薄面層(面層厚度為4cm)與厚面層(面層厚度為12cm)的使用壽命差距達(dá)30%。薄面層板體性能差，路面的早期損壞嚴(yán)重，面層厚度的增加改善了路面的板體性能，提高了路面抗變形能力，減小了傳遞到下面結(jié)構(gòu)層的應(yīng)力；一定厚度的面層還是基層和土基正常工作的必要保證。總的來說，面層厚度的增加延緩早期損壞的發(fā)生和發(fā)展，進(jìn)而有效地延長了道路的使用壽命。?????????

5.3　結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的影響
　　結(jié)構(gòu)強(qiáng)度狀況對半剛性基層的路面影響較大，薄面層(面層厚度為4cm)，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度狀況良好(L=30)與結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較差(L=75)的路面使用壽命差距為24%。面層厚度的增大使其影響更為顯著。同時，隨著初始彎沉L的增大，兩種基層類型路面間性能差異減小(對于面層厚度較大的路面結(jié)構(gòu)，這種趨勢更為明顯)，參數(shù)B值甚至?xí)霈F(xiàn)碎礫石基層大于半剛性基層的情況。結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的增加，提高了路面應(yīng)力和變形性能，相同環(huán)境條件下，相同荷載所引起的破壞作用降低，路面能承受更大的累計軸載作用次數(shù)。???????????

5.4　結(jié)構(gòu)組合的影響?
　　根據(jù)行駛質(zhì)量模型，進(jìn)一步分析不同結(jié)構(gòu)組合對行駛質(zhì)量的影響。不同結(jié)構(gòu)組合路面性能表現(xiàn)為不同發(fā)展趨勢，面層厚、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高的路面行駛質(zhì)量變化較為緩慢，薄面層低強(qiáng)度的路面行駛質(zhì)量衰變速率較快；比較厚面層低強(qiáng)度和薄面層高強(qiáng)度路面可以發(fā)現(xiàn)：厚面層路面的早期性能較好而薄面層高強(qiáng)度路面的后期性能較好。表明有這樣一條規(guī)律存在：面層厚度對早期行駛質(zhì)量影響較大，而結(jié)構(gòu)強(qiáng)度決定了使用后期行駛質(zhì)量的發(fā)展?fàn)顩r。?
5.5　功能曲線
　　根據(jù)方程進(jìn)一步分析可以得到累計軸載作用次數(shù)(ESAL)、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度(L)和行駛質(zhì)量指數(shù)(RQI)的關(guān)系曲線圖。????????????

6　結(jié)論??

　　(1)將行駛質(zhì)量的衰變過程與簡單參數(shù)A、B聯(lián)系起來，使人們對路面行駛質(zhì)量的動態(tài)定量預(yù)測成為可能，為準(zhǔn)確預(yù)測路面行駛質(zhì)量發(fā)展趨勢提供了強(qiáng)有力的理論依據(jù)。?
　　(2)面層厚度對路面使用前期的行駛質(zhì)量有較大影響；結(jié)構(gòu)強(qiáng)度對路面使用后期的行駛質(zhì)量影響較大。?
　　(3)在行駛質(zhì)量的衰減過程中，結(jié)構(gòu)組合起著重要影響，不同的影響因素其作用又不盡相同，按其影響程度的差異可有以下排序：面層厚度＞初始彎沉＞基層類型。?