加速加載試驗在路面路用性能評價中的應用研究

張雪強

（貴州高速公路開發總公司，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計理念日臻完善，發達國家經濟對公路的依賴已經達到頂峰，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體系來用于指導設計和施工。由于利用野外長期路面觀測的方法來評價現有路面不具有普遍的適用性，數據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揮出了它的效用。

通過利用各種加速加載試驗設備，可以對路面結構的各種參數進行采集，包括各結構層內不同深度的車轍、形變、彎沉、層內水平應變和垂直壓應力以及在荷載和環境因素影響下的各種破壞現象的描述等，進而對路面的早期破壞機理進行研究，對材料的路用性能和結構進行對比驗證，對瀝青路面車轍及其發展規律進行研究，最后綜合各個參數建立評價指標體系。

2 加速加載試驗定義與設備

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構以及按比例縮小的低承載能力的路面結構進行加速加載，通過重復荷載的連續作用以及模擬環境（水、溫度）的影響，在較短的時間內使得路面結構加速損壞，以模擬其在設計使用期內的破壞規律，從而建立荷載和環境因素與路面結構性能和功能性能變化的關系，為路面結構的設計方法、理論研究和施工工藝的改進提供依據。

就加速加載試驗設備來說，可分為野外足尺加速加載設備（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，可以分為環道試驗和直道試驗。

2.2 加速加載試驗典型設備使用現狀

無論何種加速加載試驗設備，雖然其類型和技術參數不同，但其工作的基本原理、試驗功能和試驗目的都是相似的，下面介紹幾種典型的加速加載試驗設備。

2.2.1HVS重載車輛模擬器

南非研制開發的重載車輛模擬試驗車和相關技術能在3個月內對公路路段的測試，預測出該條公路20年內的使用性能。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參數的影響，為路基路面設計提出具體的技術指標。該項技術已在南非、美國的加利福尼亞州和佛羅里達州、美國寒冷地區實驗室、瑞典和芬蘭交通部門得到系統的應用。

試驗的目的就是調查使用HVS試驗數據來預測道路的長期路用性能的可行性，并且為將來的設計資料的收集和APT與實際路面行為進行對比提供理論依據。另外，要把進行HVS試驗的路段的路用性能結果與經過多年荷載壓力下的路面的實測值進行對比，經過客觀分析以后來決定HVS試驗段與在真實交通狀況和環境條件下的路段損壞是否具有相同的發展規律。

2.2.2ALF足尺加速加載設備

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準正態分布、窄分布和矩形分布，其中常用的為標準正態分布和窄分布。ALF是一個機動可運輸的設備，以便于在實際公路或特殊修筑的試驗路上使用。其詳細技術參數見表1：

表1 ALF設備技術參數

2.2.3 MLS移動荷載仿真器

南非斯坦布利什大學交通技術研究所所長Fred Hugo院士與美國得克薩斯州交通廳聯合開發了MLS移動荷載仿真器。該試驗車與1995年開始投入使用，已經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的方法的指導，還有路面新材料的路用性能鑒定等。

有關該試驗車的技術參數見圖1和表2:

圖1 MLS試驗設備簡圖

表2 MLS設備技術參數

2.2.4 MMLS3小型移動荷載仿真器

南非研究人員在開發了具有與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，又可在實際現場應用，主要用于測試公路路面結構上部120mm的部分，也能測試公路上經受水、低溫、高溫作用的情況[2]。有關該設備的具體技術參數見表3：

表3 MMLS3設備技術參數

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構設計方法，并使路面破壞模式標準化，以延長其使用壽命。試驗的對象是典型路面結構和典型材料，為了使其具有可比性，試驗路一般都要用常規的施工機械按標準的施工工藝修建，以保證試驗路與實際的路面結構相同或接近。

通過對比和驗證各種試驗設備的使用情況，得出如下結論：

（1）交通荷載的作用沒有改變路面剪應力的變化特性，這一結論在加速加載試驗中也成立，在累計標準軸載達到一定程度后，路面產生車轍和微小裂縫，當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生磨蝕作用，如果界面保持干燥，磨蝕導致界面產生細小的粉塵，一旦雨水浸入就會在路面表面形成唧漿，最終導致瀝青面層被架空進而發生破壞。

（3）不同交通量的行車道和超車道所測數據有所偏差，但兩種車道在真實荷載和環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試驗預測LTPP長期路用性能的可行性。

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

式中：RD為車轍深度，N為加載次數，a、b 為系數。

該式表明，新建瀝青路面的初期車轍增加較快，再進一步加載，車轍不會增加很快。試驗表明，材料設計是影響車轍深度的最主要的因素。另外，路面各結構層層間粘結的越好，路面結構的強度越高，抗車轍的能力也強，因此，在瀝青路面結構的設計和施工中，應注意優化設計方法和提高層間粘結程度。

（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，可能產生更大的破壞性。

發展前景

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行資料積累快，數據采集能夠在短時間內完成，因此可以說加速加載試驗為公路科學研究的深入和發展提供了一種非常有效的手段。但是試驗結果具有一定的特殊性，可比性差，很難將加速加載試驗結果做定量的分析，今后工作的重點將放在路面對荷載反映的相關性、路面材料的變異性、路面環境因素模擬的真實性、動載參數研究和長期路用性能研究上。通過規范試驗條件和試驗過程，以使加速加載試驗結果具有普遍性和可比性。

[1]孟書濤，魏道新.足尺加速加載設備（ALF）的應用情況[D].中國公路學會高速公路建設與發展學術會論文集[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系統的技術應用[D].第五屆交通領域國際學術會議論文集[A].西安：長安大學，2005,06:314-317.

[3]LubindaF.Walubita，Fred 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.