加速加載試驗在路面路用性能評價中的應(yīng)用研究

張雪強(qiáng)

（貴州高速公路開發(fā)總公司，貴州 凱里556000）

1 概述

目前世界各國的公路特別是高速公路的設(shè)計理念日臻完善，發(fā)達(dá)國家經(jīng)濟(jì)對公路的依賴已經(jīng)達(dá)到頂峰，各國也都力圖研究出新的更加可靠的評價方法并建立更好的評價指標(biāo)體系來用于指導(dǎo)設(shè)計和施工。由于利用野外長期路面觀測的方法來評價現(xiàn)有路面不具有普遍的適用性，數(shù)據(jù)采集不僅受時間的限制，而且受交通量和荷載大小的限制，操作周期較長，因此，加速加載試驗作為一種嘗試，受到世界許多國家的青睞并逐漸發(fā)揮出了它的效用。

通過利用各種加速加載試驗設(shè)備，可以對路面結(jié)構(gòu)的各種參數(shù)進(jìn)行采集，包括各結(jié)構(gòu)層內(nèi)不同深度的車轍、形變、彎沉、層內(nèi)水平應(yīng)變和垂直壓應(yīng)力以及在荷載和環(huán)境因素影響下的各種破壞現(xiàn)象的描述等，進(jìn)而對路面的早期破壞機(jī)理進(jìn)行研究，對材料的路用性能和結(jié)構(gòu)進(jìn)行對比驗證，對瀝青路面車轍及其發(fā)展規(guī)律進(jìn)行研究，最后綜合各個參數(shù)建立評價指標(biāo)體系。

2 加速加載試驗定義與設(shè)備

2.1 加速加載試驗的基本概念及分類

加速加載試驗的定義是：選用可控制的法定或超過法定的實際輪載，對實際使用中的、野外試驗段或試驗室里的路面結(jié)構(gòu)以及按比例縮小的低承載能力的路面結(jié)構(gòu)進(jìn)行加速加載，通過重復(fù)荷載的連續(xù)作用以及模擬環(huán)境（水、溫度）的影響，在較短的時間內(nèi)使得路面結(jié)構(gòu)加速損壞，以模擬其在設(shè)計使用期內(nèi)的破壞規(guī)律，從而建立荷載和環(huán)境因素與路面結(jié)構(gòu)性能和功能性能變化的關(guān)系，為路面結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法、理論研究和施工工藝的改進(jìn)提供依據(jù)。

就加速加載試驗設(shè)備來說，可分為野外足尺加速加載設(shè)備（ALF）、重載車輛仿真器（HVS）、移動荷載仿真器（MLS）和小型荷載仿真器（MMLS3）；就加速加載試驗的試驗路段的形狀來說，可以分為環(huán)道試驗和直道試驗。

2.2 加速加載試驗典型設(shè)備使用現(xiàn)狀

無論何種加速加載試驗設(shè)備，雖然其類型和技術(shù)參數(shù)不同，但其工作的基本原理、試驗功能和試驗?zāi)康亩际窍嗨频?，下面介紹幾種典型的加速加載試驗設(shè)備。

2.2.1HVS重載車輛模擬器

南非研制開發(fā)的重載車輛模擬試驗車和相關(guān)技術(shù)能在3個月內(nèi)對公路路段的測試，預(yù)測出該條公路20年內(nèi)的使用性能。通過試驗，可以測量出荷載等級的變化對永久變形、剪切破壞和開裂等路面響應(yīng)參數(shù)的影響，為路基路面設(shè)計提出具體的技術(shù)指標(biāo)。該項技術(shù)已在南非、美國的加利福尼亞州和佛羅里達(dá)州、美國寒冷地區(qū)實驗室、瑞典和芬蘭交通部門得到系統(tǒng)的應(yīng)用。

試驗的目的就是調(diào)查使用HVS試驗數(shù)據(jù)來預(yù)測道路的長期路用性能的可行性，并且為將來的設(shè)計資料的收集和APT與實際路面行為進(jìn)行對比提供理論依據(jù)。另外，要把進(jìn)行HVS試驗的路段的路用性能結(jié)果與經(jīng)過多年荷載壓力下的路面的實測值進(jìn)行對比，經(jīng)過客觀分析以后來決定HVS試驗段與在真實交通狀況和環(huán)境條件下的路段損壞是否具有相同的發(fā)展規(guī)律。

2.2.2ALF足尺加速加載設(shè)備

ALF的特點是單向加載，因渠化交通一般多為單向行駛，所加荷載能自動模擬實際交通荷載的橫向分布，可選的橫向移動模型分布包括標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布、窄分布和矩形分布，其中常用的為標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布和窄分布。ALF是一個機(jī)動可運(yùn)輸?shù)脑O(shè)備，以便于在實際公路或特殊修筑的試驗路上使用。其詳細(xì)技術(shù)參數(shù)見表1：

表1 ALF設(shè)備技術(shù)參數(shù)

2.2.3 MLS移動荷載仿真器

南非斯坦布利什大學(xué)交通技術(shù)研究所所長Fred Hugo院士與美國得克薩斯州交通廳聯(lián)合開發(fā)了MLS移動荷載仿真器。該試驗車與1995年開始投入使用，已經(jīng)完成了大量研究項目、報告和論文。該試驗的目的是得出荷載破壞的方程式，確定路面的剩余壽命及對修補(bǔ)的方法的指導(dǎo)，還有路面新材料的路用性能鑒定等。

有關(guān)該試驗車的技術(shù)參數(shù)見圖1和表2:

圖1 MLS試驗設(shè)備簡圖

表2 MLS設(shè)備技術(shù)參數(shù)

2.2.4 MMLS3小型移動荷載仿真器

南非研究人員在開發(fā)了具有與MLS性能相似的小型移動荷載仿真器MMLS3。它是一個1/3比例的模擬器，特點是體積小、重量輕、便于移動，即可在實驗室，又可在實際現(xiàn)場應(yīng)用，主要用于測試公路路面結(jié)構(gòu)上部120mm的部分，也能測試公路上經(jīng)受水、低溫、高溫作用的情況[2]。有關(guān)該設(shè)備的具體技術(shù)參數(shù)見表3：

表3 MMLS3設(shè)備技術(shù)參數(shù)

3 加速加載試驗的研究成果

加速加載試驗的目的是評價、驗證和提高道路鋪面的結(jié)構(gòu)設(shè)計方法，并使路面破壞模式標(biāo)準(zhǔn)化，以延長其使用壽命。試驗的對象是典型路面結(jié)構(gòu)和典型材料，為了使其具有可比性，試驗路一般都要用常規(guī)的施工機(jī)械按標(biāo)準(zhǔn)的施工工藝修建，以保證試驗路與實際的路面結(jié)構(gòu)相同或接近。

通過對比和驗證各種試驗設(shè)備的使用情況，得出如下結(jié)論：

（1）交通荷載的作用沒有改變路面剪應(yīng)力的變化特性，這一結(jié)論在加速加載試驗中也成立，在累計標(biāo)準(zhǔn)軸載達(dá)到一定程度后，路面產(chǎn)生車轍和微小裂縫，當(dāng)水從裂縫滲入后更加劇了路面的損壞。

（2）半剛性基層瀝青路面的早期破壞始于瀝青面層，其破壞機(jī)理是，隨著路表荷載的不斷作用下，在瀝青面層與半剛性基層界面間產(chǎn)生磨蝕作用，如果界面保持干燥，磨蝕導(dǎo)致界面產(chǎn)生細(xì)小的粉塵，一旦雨水浸入就會在路面表面形成唧漿，最終導(dǎo)致瀝青面層被架空進(jìn)而發(fā)生破壞。

（3）不同交通量的行車道和超車道所測數(shù)據(jù)有所偏差，但兩種車道在真實荷載和環(huán)境因素下與加速加載試驗同等荷載作用下的偏差相似，說明了加速加載試驗可以很好的模擬長期路用性能。而且在真實情況下的路面與加速加載試驗下的路面的車轍深度相似，平均車轍深度大致相等，再次證明了APT試驗預(yù)測LTPP長期路用性能的可行性。

（4）根據(jù)對半剛性基層和柔性基層瀝青路面的加速加載試驗結(jié)果，總結(jié)得到了新建瀝青路面的車轍和加載次數(shù)的關(guān)系式：RD=aNb

式中：RD為車轍深度，N為加載次數(shù)，a、b 為系數(shù)。

該式表明，新建瀝青路面的初期車轍增加較快，再進(jìn)一步加載，車轍不會增加很快。試驗表明，材料設(shè)計是影響車轍深度的最主要的因素。另外，路面各結(jié)構(gòu)層層間粘結(jié)的越好，路面結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度越高，抗車轍的能力也強(qiáng)，因此，在瀝青路面結(jié)構(gòu)的設(shè)計和施工中，應(yīng)注意優(yōu)化設(shè)計方法和提高層間粘結(jié)程度。

（5）試驗形成的輪跡帶比實際交通荷載下的真實路面輪跡帶要集中，因此由于荷載的集中性，可能產(chǎn)生更大的破壞性。

發(fā)展前景

加速加載試驗表明，采用加速加載試驗方法獲取資料確實要比在實際交通荷載作用下進(jìn)行資料積累快，數(shù)據(jù)采集能夠在短時間內(nèi)完成，因此可以說加速加載試驗為公路科學(xué)研究的深入和發(fā)展提供了一種非常有效的手段。但是試驗結(jié)果具有一定的特殊性，可比性差，很難將加速加載試驗結(jié)果做定量的分析，今后工作的重點將放在路面對荷載反映的相關(guān)性、路面材料的變異性、路面環(huán)境因素模擬的真實性、動載參數(shù)研究和長期路用性能研究上。通過規(guī)范試驗條件和試驗過程，以使加速加載試驗結(jié)果具有普遍性和可比性。

[1]孟書濤，魏道新.足尺加速加載設(shè)備（ALF）的應(yīng)用情況[D].中國公路學(xué)會高速公路建設(shè)與發(fā)展學(xué)術(shù)會論文集[A]，1998，11:180-185.

[2]王于晨，鄭南翔等.南非路面加速加載試驗（APT）MLS和HVS系統(tǒng)的技術(shù)應(yīng)用[D].第五屆交通領(lǐng)域國際學(xué)術(shù)會議論文集[A].西安：長安大學(xué)，2005,06:314-317.

[3]LubindaF.Walubita，F(xiàn)red Hugo，Amy Epps：Performance of Rehabilitated Lightweight Aggregate Asphalt Concrete Pavements under Wet and Heated Model Mobile Load Simulator Trafficking, Texas Department Transportation[Z].2005，05：13-20，54-64.