疏港道路服役特性及典型破壞特征分析

劉 明，高 茜

（1.青島市交通科學(xué)研究院，山東 青島 266102；2.青島交通科技信息有限公司，山東 青島 266102）

引言

隨著港口吞吐量的劇增，進(jìn)出港區(qū)的車輛也不斷增加，特別是大型集裝箱運(yùn)輸車輛的快速增長。青島疏港道路交通運(yùn)輸車輛以重載為特征，車輛普遍存在超限、超載情況。大量疏港車輛進(jìn)出港區(qū)不僅給周邊道路造成了較大的交通壓力，而且在大型車輛的反復(fù)作用下，通車幾年后嚴(yán)重造成了傳統(tǒng)的瀝青路面不同類型、不同程度的早期損害，降低了路面的使用壽命和服務(wù)水平。港區(qū)及疏港道路路面病害出現(xiàn)以后即使經(jīng)過反復(fù)維修，各種病害仍然無法得到有效控制，另外，頻繁地修補(bǔ)一方面大大增加了后期的養(yǎng)護(hù)費(fèi)用，另一方面也對交通造成很大的干擾，嚴(yán)重影響了港口效益。

1 疏港、臨港道路定義

有關(guān)疏港道路、臨港道路的定義，國內(nèi)外目前并無明確的界定，本文從起訖點(diǎn)區(qū)域功能和交通運(yùn)輸特性角度初步進(jìn)行分類。疏港道路是指通往港口或者碼頭，主要供港口車輛進(jìn)出的交通要道，從外部貨源、集裝箱箱站（堆場）和港口之間的關(guān)系角度分析，疏港道路分類：（1）內(nèi)部疏港道路-位于港區(qū)內(nèi)部，承擔(dān)集裝箱箱站和港口之間貨運(yùn)交通的道路。（2）外部疏港道路-位于港區(qū)外部，與內(nèi)部疏港道路銜接，直接承擔(dān)港區(qū)貨運(yùn)的道路。（3）臨港道路-與外部疏港道路銜接或鄰近的道路，或因?yàn)檫@些道路都承擔(dān)了疏港道路的交通分流任務(wù)，都有疏港道路鋪面的設(shè)計(jì)需求。

2 病害及服役特性分析

通過區(qū)域路網(wǎng)特性病害調(diào)查發(fā)現(xiàn)，中心區(qū)域直接承載貨流運(yùn)輸?shù)闹鞲陕分饕憩F(xiàn)為早期的車轍、泛油病害（黃島區(qū)道路這一病害現(xiàn)象表征較明顯）；隨著運(yùn)輸?shù)姆至鳎诰嚯x貨運(yùn)源頭一定距離后主干道路出現(xiàn)短期內(nèi)疲勞破壞，即道路出現(xiàn)縱縫、橫縫、網(wǎng)裂、坑槽和車轍；以及長期的疲勞破壞。以黃島區(qū)為中心其RDI 數(shù)值在遠(yuǎn)離貨物源時(shí)呈增大趨勢，不考慮黃島區(qū)其PCI 數(shù)值也呈增大趨勢，即相同養(yǎng)護(hù)條件下，路網(wǎng)在遠(yuǎn)離貨物源時(shí)，由于各區(qū)域分流作用，隨著運(yùn)輸距離的增大其路網(wǎng)破損和車轍逐漸變好并趨于穩(wěn)定。見圖1、圖2。

圖1 以黃島區(qū)為中心向北各行政區(qū)路網(wǎng)狀況

圖2 以黃島區(qū)為中心向西各行政區(qū)路網(wǎng)狀況

通過調(diào)查分析發(fā)現(xiàn)，青島地區(qū)疏港道路通行重載車輛類型較為單一，實(shí)際通行五軸及以上特大型車輛（即8 類+9 類車）比例在15 %～47 %范圍內(nèi)變化，其中重載車約為大型車輛的63 %，重載車集中通行往往發(fā)生在夜間21 ∶00 以后的幾個(gè)小時(shí)內(nèi)。檢測路段通行的特重型貨車通行往往呈集中、連續(xù)的狀態(tài)，疏港路工程路段存在重載車輛，夜間排隊(duì)出行的情況，慢速、渠化行駛嚴(yán)重。通過現(xiàn)場觀測發(fā)現(xiàn)部分疏港道路上下行方向的車輛荷載存在明顯差異，即駛出港口的車輛荷載遠(yuǎn)高于駛?cè)胲囕v的荷載，路面出現(xiàn)單方向的嚴(yán)重車轍病害。

通過對幾條疏港道路荷載實(shí)測發(fā)現(xiàn)，重載車輛均存在不同程度的超載現(xiàn)象，超載車輛比重平均為38.3 %，最高達(dá)96.8 %，六軸車最高超載73 t，最大荷載為123.3 t。輪胎接地壓力跟軸重呈線性關(guān)系，通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)疏港道路上的重載車輛接地壓力最大為1.27 MPa。

通過疏港道路軸載譜與高速公路軸載譜對比分析發(fā)現(xiàn)，對于相同類型的重載車輛，疏港道路所行駛車輛軸載的最大值和平均值，均比高速公路高。疏港道路單軸軸載約為高速公路車輛單軸軸載的1.5 倍。

3 有限元分析

針對重載道路服役特點(diǎn)，利用有限元軟件ABAQUS 建立疏港道路典型路面結(jié)構(gòu)模型，模型尺寸：長6 m、寬6 m、高3 m。

3.1 同一荷載不同車速條件下力學(xué)響應(yīng)計(jì)算

軸載取標(biāo)準(zhǔn)軸載對應(yīng)的荷載強(qiáng)度0.7 MPa，車速分別為20 km/h、40 km/h、60 km/h、80 km/h、100 km/h、120 km/h，計(jì)算得到各力學(xué)計(jì)算點(diǎn)處的相應(yīng)指標(biāo)。見圖3～圖6。

圖3 不同荷載強(qiáng)度下瀝青混合料層底拉應(yīng)變

圖4 不同荷載強(qiáng)度下路基頂面豎向應(yīng)變

圖5 不同荷載強(qiáng)度下無機(jī)結(jié)合料層底拉應(yīng)力

圖6 不同荷載強(qiáng)度下路面結(jié)構(gòu)內(nèi)剪應(yīng)力

3.2 同一車速不同軸載條件下力學(xué)響應(yīng)計(jì)算

行車速度選取40 km/h，軸載取100 kN、140kN、170 kN、200 kN 下對應(yīng)的荷載強(qiáng)度，分別為0.7 MPa、1.0 MPa、1.2 MPa、1.4 MPa。計(jì)算得到各力學(xué)計(jì)算點(diǎn)處的相應(yīng)指標(biāo)，見圖7～圖10。

圖8 路基頂面豎向應(yīng)變最大值

圖9 無機(jī)結(jié)合料層底拉應(yīng)力最大值

圖10 路面結(jié)構(gòu)內(nèi)剪應(yīng)力變化情況

3.3 結(jié)果分析

同一荷載強(qiáng)度等級下路面內(nèi)力學(xué)響應(yīng)隨車速變化較大的是瀝青層底拉應(yīng)變。無機(jī)結(jié)合料層底拉應(yīng)力以及路基頂面豎向壓應(yīng)變、瀝青層頂豎向壓應(yīng)力、剪應(yīng)力隨車速的變化范圍不大，說明瀝青層底拉應(yīng)變對車速的敏感性較大。

不同軸載條件下路面結(jié)構(gòu)內(nèi)各力學(xué)響應(yīng)變化范圍相對于不同車速條件下的變化程度要大，說明軸載對路面結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)影響很大。疏港道路的服役環(huán)境特殊性在于車輛普遍超載超重，車輛軸載能達(dá)到240 kN，并且行駛車速集中在40 km/h，在車速低、超載和溫度等因素的作用下，疏港道路處于一種超極限的工作狀態(tài)，加速路面損壞累計(jì)往往不到使用壽命期限就發(fā)生了大量的病害。

4 基于新型瀝青混合料的典型結(jié)構(gòu)組合

根據(jù)有限元分析結(jié)果，為滿足重載交通路面、沿海地區(qū)出港路重載交通特性（車型單一、車流密度大、單軸偏重），兼顧結(jié)構(gòu)承載要求、抗裂要求、排水要求、抗疲勞要求，推薦四種典型路面結(jié)構(gòu)組合形式，見圖11。

圖11 推薦典型結(jié)構(gòu)組合（優(yōu)化1、優(yōu)化2）

對四種結(jié)構(gòu)進(jìn)行基于車轍力學(xué)-經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷穆访娼Y(jié)構(gòu)性能預(yù)估，5 a 及10 a 的車轍預(yù)估量見圖12、圖13。

圖12 四種路面結(jié)構(gòu)5 a 車轍預(yù)估

從圖12、圖13 可以看出，使用高模量瀝青混合料的路面車轍預(yù)估量明顯少于常見路面結(jié)構(gòu)，在服役壽命期間能夠表現(xiàn)出更好地路面使用性能，節(jié)約后期的養(yǎng)護(hù)費(fèi)用，保證路面通暢。

圖13 四種路面結(jié)構(gòu)10 a 車轍預(yù)估

5 結(jié)語

結(jié)合疏港道路交通軸載特性及典型路面破壞特性分析，利用數(shù)值分析軟件對重載和環(huán)境因素耦合作用下的疏港道路典型路面結(jié)構(gòu)響應(yīng)進(jìn)行計(jì)算，基于青島地區(qū)的典型石料對不同瀝青混合料的動態(tài)模量和貫入強(qiáng)度參數(shù)試驗(yàn)，通過不同結(jié)構(gòu)組合方案對比，優(yōu)化了路面結(jié)構(gòu)，最終提出適應(yīng)疏港道路交通特性、使用環(huán)境要求及基于耐久性的路面典型結(jié)構(gòu)組合與材料設(shè)計(jì)方案。