交通荷載對瀝青路面抗滑性能衰減特征的影響

曹明明 黃晚清 葉建 陳陽 左貴寧

摘 要：依托四川省內典型高速公路，在對其逐年交通量特征進行調研的基礎上，分析了累計當量軸次與瀝青路面抗滑性能的關系，進而研究了不同交通組成下路齡與瀝青路面抗滑性能的規律性.結果表明，交通量以小型車輛為主時，瀝青路面抗滑性能與路齡間基本服從反S曲線特征，在加鋪罩面后的第2～3年衰減幅度較大；瀝青路面抗滑性能與累計當量軸次間規律性不佳，車輛構成對瀝青路面抗滑性能衰減規律有一定的影響，交通量以小型車輛為主時，路面養護維修措施實施時機可能不受路面抗滑性能指標的制約，但以大型車輛為主時，路面抗滑性能是主控指標之一.車輛荷載對瀝青路面抗滑性能衰減規律影響的研究有助于從本質上認清其演化特征，為瀝青路面智能化養護抉擇和處治方案實施時機提供依據，提高車輛行駛安全性.

關鍵詞：道路工程；瀝青路面；抗滑性能；交通量；衰減特征

中圖分類號：U416.217

文獻標志碼：A

0 引 言

近年來，公路交通量逐年增加，交通安全事故時有發生，而車輛的行車安全與瀝青路面的抗滑特征息息相關，但隨著瀝青路面運營時間的延長，在自然環境和交通荷載的作用下，路面提供的抗滑性能會逐漸衰減^[1].

瀝青路面抗滑性能的衰減主要是由路面集料磨損、瀝青品質降低、混合料級配不合理及交通運營環境惡劣等綜合因素導致的，具有時間依賴性與變異性.交通荷載的變異性來源于試驗誤差的限制、時間依賴性、忽略因子之間的相關性及統計分布不能完全反映實際狀況造成的偏差等^[2-3].張智慧等^[4]對AC-13C、SMA-13和OGFC-13 3種級配的擺值和動摩擦系數在通車運營4年內的衰減規律進行了研究，但并未對交通荷載與其相關性進行分析.孫洪利^[5]總結認為，瀝青路面抗滑性能前期快速衰減的原因主要是壓密和遷移變形，后期的穩定衰減則是以磨光和磨損作用為主.壓密和遷移變形過程針對的是宏觀構造深度變化的過程，磨光和磨損作用則是針對微觀構造變化的過程.

眾多學者探討了集料、級配和溫度等因素與瀝青路面抗滑性能衰減規律的相關性^[6-7]，但對交通荷載與其相關性的分析多借助室內試驗^[8-9]，與現場復雜的運營環境和頻繁的養護干擾工況并不一致.雖路面損壞狀況指數（PCI）等指標的衰減特征較為明確，但路面抗滑衰減規律并不明確^[10].交通荷載作用下路面集料顆粒棱角受到大幅磨損，路表摩擦力急劇下降，但由于車輛荷載與運營環境的復雜性與時變性，使得道路抗滑性能預測具有較大的難度.累計當量軸次并不能反映交通量的組成情況，也不能直觀揭示車輛荷載對路面抗車轍、平整度和耐磨抗滑等性能衰減的影響.鑒于此，本研究優選四川省內典型高速公路，對其在2010—2020年間的養護歷程和交通特征進行分析的基礎上，優選典型路段分析交通荷載累計軸載作用次數、路齡和路面抗滑性能指數（SRI）測值間的相關性，對瀝青路面抗滑衰減特征進行分析.

1 工程概況

成雅高速于1999年底建成通車，路線全長140.661 km，路面結構為4 cm抗滑表層AK-13A+5 cm中粒式瀝青混凝土AC-20I+6 cm粗粒式瀝青混凝土AC-25Ⅱ+20 cm水泥穩定碎石基層+30～36 cm水泥穩定碎石（或砂礫）底基層.成雅高速公路在2010—2012年進行了全線加鋪罩面（加鋪了4 cm細粒式改性瀝青混凝土AC-13C），但由于沿線交通荷載和施工質量等因素的影響，不同路段路面技術狀況衰減存在明顯差異，局部路段多次進行了養護維修.成渝高速公路全線于1995年9月建成通車，成渝高速公路已通車近30年，全線絕大多數段落都進行了大規模的大修整治，路面結構類型、厚度及材料均比較復雜，表面層為4 cm細粒式改性瀝青混凝土AC-13C.為便于分析，本文優選2條高速公路典型路段進行分析，具體見表1.同時，選取的成渝高速公路上行K2053+000～K2057+000、上行K2194+000～K2198+000、下行K2122+000～K2126+000、下行K2040+000～K2044+000在2010—2012年加鋪了4 cm改性瀝青AC-13C罩面，至分析期末再未進行加鋪罩面.另外，選取交通量以大型貨車為主的川北某高速公路進行路齡與瀝青路面抗滑性能的相關性對比分析，該高速公路全長57.080 km，雙向4車道，設計速度80 km/h，于2011年5月23日全線建成通車，分析路段于2016年年底加鋪了4 cm瀝青瑪蹄脂碎石SMA-13.

2 交通量特征分析

根據成雅高速和成渝高速沿線交通量實測數據，成雅高速自2010—2020年11年間設計車道累計2軸6輪及以上車輛的交通量為1.66×10⁷輛，達到了重交通等級.成渝高速公路自2014—2020年7年間設計車道累計2軸6輪及以上車輛的交通量為6.15×10⁷輛，交通量較大，但2條高速公路車型均以中、小客車為主，詳見表2.

3 交通荷載對瀝青路面抗滑性能影響

現有交通量數據來源主要依托于JTG D50—2017《公路瀝青路面設計規范》相關部分，對各種車型換算成當量軸次，并未有關于抗滑的折算.同時，瀝青路面疲勞破壞多受制于大客車和貨車等軸重較大的交通荷載的影響，但小客車的反復磨耗作用對瀝青路面抗滑性能的衰減也不容忽視，交通量折算數考慮到不同車型對路面作用次數的差異，因此，為便于計算并具有一定的代表意義，擬采用雙向日交通量的折算數×車道系數（0.5）×方向系數（0.5）作為當年的軸載作用次數，逐年累加作為累計軸載作用次數.

3.1 成雅高速公路

成雅高速典型路段累計軸載作用次數和SRI測值沿時數據如圖1所示，逐年累計軸載作用次數與SRI測值關系如圖2所示，計算起點采用2010年.

由圖1可知，成雅高速累計軸載作用次數隨運營時間的延長基本呈線性增加趨勢，尤其在2014—2018年基本呈等步距增加，即成雅高速公路在經過多年運營后，交通量的增長趨勢基本穩定.圖1（A）中累計軸載作用次數均大于3個典型路段，全線累計軸載作用次數是根據各路段交通量的加權平均數折算而來，而靠近成都段K1812+500～K1837+132交通量較大.同時，2012—2013年是瀝青路面抗滑性能指數SRI衰減最快的2年，顯然，各路段采用4 cm改性瀝青AC-13C罩面初期2年瀝青路面抗滑性能指數SRI基本保持穩定，根據變化趨勢推測，2012年開始出現衰減，2012—2013年衰減幅度最大，2014年開始分路段對瀝青路面抗滑性能恢復，下行K1932+000～K1942+000段2015年后才實施瀝青路面抗滑性能恢復的維修處治.另外，以維修養護前2013年為例，下行K1932+000～K1942+000交通量最大，2013年累計軸載作用次數為6.65×10⁶（次/車道），SRI=83.82，2015年時累計軸載作用次數為1.16×

10⁷（次/車道），SRI=78.41，累計軸載作用次數近似翻倍的情況下，SRI在2年間降低了5，衰減幅度基本等同于2011—2013年間，但交通量增加幅度更大.2016—2018年間受局部養護維修、檢測單位更換或測試儀器標定等因素影響，瀝青路面抗滑性能指數SRI衰變的規律性較差.即文獻[11]認為，新建瀝青道路在通車1年后由于集料表層瀝青薄膜的破損，路面摩擦因數有所提高；當集料表面的微觀紋理提供摩擦因數后，就過渡到集料的磨損和磨光階段，表現為路面摩擦因數的衰減，路面摩擦因數開始不斷減小，年降低幅度在20%左右；隨著瀝青道路的建設與投入使用，由于路面材料衰變性、運營環境變化及車輛參數變異性使得路表抗滑性能存在很大的時間依賴性.本研究基于多年路況檢測數據的跟蹤調查，得到結論與此基本一致.

受制于維修養護處治歷史的限制，典型路段累計軸載作用次數和抗滑性能衰減關系并不強烈（見圖2），但累計軸載作用次數達到3.92×10⁶（次/車道）左右時，瀝青路面抗滑性能指數SRI出現了衰變突變點.下行K1932+000～K1942+000段累計軸載作用次數從2.95×10⁶（次/車道）增加至1.16×10⁷（次/車道），瀝青路面抗滑性能指數SRI基本服從線性遞減，SRI從88.94降至78.41，即累計軸載作用次數每增加8.18×10⁵（次/車道）時，SRI降低1.

3.2 成渝高速公路

成渝高速公路典型路段累計軸載作用次數和SRI測值沿時數據如圖3所示，逐年累計軸載作用次數與SRI測值關系如圖4所示，計算起點均采用2014年.由于2014年前交通量數據并未收集到，無法從養護維修起點開始分析SRI與累計軸載作用次數的關系，只能以2014年作為起點計算累計軸載作用次數，SRI的衰減分析采用相對衰減速率分析.

由圖3可知，成渝高速累計軸載作用次數隨運營時間的延長基本呈線性增加趨勢，基本呈等步距增加，即成渝高速公路在經過多年運營后，交通量的增長趨勢基本穩定.從回歸曲線斜率看，成雅高速公路累計軸載作用次數斜率大于成渝高速公路，即其年折算交通量大于成渝高速公路.該路段2014—2020年大客車及中型及以上貨車的總量由大到小排序為簡陽段>隆昌段>資陽段>資中段>內江段>成都段，折算數計算的累計軸載作用次數由大到小排序為簡陽段>資陽段>成都段>資中段>隆昌段>內江段.累計軸載作用次數最大的為簡陽段（如上行K2168+000～K2171+000段），該路段2014—2020年大客車及中型及以上貨車的總量也大于其他路段；而成都段主要以中小客車為主，2014—2020年大客車及中型及以上貨車的總量也遠小于其他路段，但折算數計算的累計軸載作用次數最小的為內江段.但受制于成渝高速養護維修瀝青和路面結構的復雜性、養護維修措施的實施及測試單位的更替等干擾，抗滑衰減速率與交通軸載作用次數的一致性并不佳（見圖4）.交通軸載作用次數較大的上行K2168+000～K2171+000段2014—2016年SRI的年衰減速率達到了5.77%，其他各段的衰減速率基本在每年2%左右，結合成雅高速公路分析看，若從維修養護后第2年開始統計分析，整體上呈現隨交通荷載作用次數增加，路面抗滑性能逐步下降的趨勢.

4 路齡與瀝青路面抗滑性能的相關性

4.1 成雅高速公路

成雅和成渝高速公路瀝青路面抗滑性能衰減規律與累計當量軸次的規律性不強，但大部分路段可發現，隨著瀝青路面抗滑性能衰減與運營年份有一定的規律性.為取消養護維修措施的干擾，重新在成雅高速公路選取2018年前未進行養護維修的路段進行分析，如圖5所示.由圖5可知，加鋪4 cm細粒式改性瀝青混凝土AC-13C在運營2～3年會出現明顯衰減，后保持在相對穩定的水平，且運營8年后SRI均維持在80左右，抗滑性能衰減較小，路面抗滑性能指標不是路面養護維修措施實施時機的主控指標.成雅和成渝高速公路瀝青路面抗滑性能衰減后穩定期較長，可能與成雅和成渝高速公路均以小客車為主，大貨車較少，對瀝青路面集料的磨耗作用進程較慢，導致瀝青路面抗滑性能衰減速度較大型、超重車輛的磨耗速率更慢.

4.2 川北某高速公路

四川川北某高速公路大型及以上車型占比達到了60.19%（見表3），尤其特大貨車占比達到了55.35%.2016年年底加鋪了4 cm瀝青瑪蹄脂碎石SMA-13，運營3年后，瀝青路面抗滑性能開始出現顯著衰減趨勢（見圖6），且未見明顯穩定階段，2021年對部分路段進行了路面抗滑性能專項整治工程，預測2022年SRI均值可能低于80，加鋪罩面后運營4～5年內需要再次實施抗滑性能改善措施，路面抗滑性能指標是路面養護維修措施實施時機的主控指標之一.一般而言，瀝青瑪蹄脂碎石SMA-13比細粒式瀝青混凝土AC-13C抗滑性能衰減更慢^[12]，但通過比較發現，川北某高速公路的4 cm瀝青瑪蹄脂碎石SMA-13抗滑性能衰減更快于AC-13C，大型重車對瀝青路面抗滑性能衰減的影響更為顯著，大型貨車輪胎和剎車等作用，使集料微觀特征的磨耗更為嚴重（見圖7），可能導致后期該路交通事故率明顯提升.

綜上，瀝青路面抗滑性能的分析不僅要考慮累計軸載作用次數，更應考慮交通組成的影響，建議在抗滑性能衰減預測模型中引入大型及以上貨車占比參數，以更為準確地預測抗滑性能的衰減.

5 結 論

1）交通量以小型車輛為主時，4 cm改性瀝青AC-13C加鋪罩面路表抗滑性能表現為前2年基本保持不變，2～3年出現大幅度衰退，后逐漸保持在一個相對穩定的水平，衰減規律具有一定的反S曲線特征，且衰變突變點出現在累計軸載作用次數達到3.92×10⁶（次/車道）左右時.

2）由于路面材料衰變性、運營環境變化及車輛參數變異性，使得路表抗滑性能存在很大的時間依賴性；交通量中車輛組成的差異、車輛行駛軌跡、養護干擾等導致路面抗滑性能與累計當量軸次間具有弱相關性，建議后續進一步分析不同車輛構成下，交通量與路面抗滑性能衰減的關系分析.

3）交通量以小型車輛為主時，路面抗滑性能指標不是路面養護維修措施實施時機主控指標，但以大型車輛為主時，路面抗滑性能衰減較快，成為路面養護維修措施實施時機主控指標的概率相對較大.

參考文獻：

[1]朱洪洲，廖亦源.瀝青路面抗滑性能研究現狀[J].公路，2018，63（1）：35-46.

[2]沈小俊，黃維蓉，楊玉柱，等.高速公路瀝青路面抗滑性能影響因素及衰減規律分析[J].公路交通技術，2021，37（5）：12-16.

[3]王永平，黃維蓉.室內瀝青路面抗滑性能衰減規律研究及模型分析綜述[J].中外公路，2015，35（3）：299-302.

[4]張智慧，肖旺新，徐曉龍，等.瀝青路面抗滑性能衰變規律室外監測研究[J].交通標準化，2014，42（3）：58-61.

[5]孫洪利．瀝青路面抗滑性能衰減特性研究[J]．公路，2011，56（7）：73-78．[6]秦新，何亮，王大為，等.基于材料衰變的瀝青路面抗滑特性研究[J].西部交通科技，2017，12（1）：1-8.

[7]楊振.瀝青路面抗滑性能演變規律與恢復技術研究[D].西安：長安大學，2021.

[8]寧斌權.瀝青路面抗滑性能衰變規律及修復技術研究[D].重慶：重慶交通大學，2018.

[9]王元元.瀝青路面抗滑特性與其表面粗糙特性之關系研究[D].南京：東南大學，2017.

[10]曹明明，喬世哲，岳建洪，等.基于瀝青路面性能衰變特征的養護效果后評估[J].交通科技， 2021，47（5）：17-22.

[11]黃曉明，鄭彬雙.瀝青路面抗滑性能研究現狀與展望[J].中國公路學報，2019， 32（4）：36-53.

[12]譚巍.基于瀝青路面抗滑特性的實驗系統開發與石灰巖優選關鍵技術研究[D].重慶：重慶交通大學，2017.

（實習編輯：羅 媛）

Influence of Traffic Load on Skid Resistance Attenuation Characteristics of Asphalt Pavement

CAO Mingming¹，HUANG Wanqing¹，YE Jian²，CHEN Yang²，ZUO Guining¹

（1.Sichuan Communication Surveying and Design Institution，Chengdu 61004l，China;

2.Sichuan Chengdu-Chongqing Expressway Company Co.，Ltd.，Chengdu 61002l China）

Abstract：The relationship between the cumulative equivalent axis and asphalt pavement anti-slip performance is analyzed based on an investigation of its yearly traffic characteristics by typical highways in Sichuan Province，and then the regularity of asphalt pavement anti-slip performance with different traffic compositions is also studied.The study shows that the anti-slip performance of the asphalt pavement and the road age are basically subject to the characteristics of a reverse S curve when the traffic volume is mainly composed of small vehicles，and the decay is large in the second to third years after the overlay.The regularity between the anti-slip performance and the cumulative equivalent axis of the asphalt pavement is not good with the traffic volume，but obviously the vehicle composition has a certain impact on the decay law of the anti-slip performance of the asphalt pavement.The timing of implementation of road maintenance measures may not be restricted by the road anti-slip performance indicators when the traffic volume is mainly composed of small vehicles，but the road surface anti-slip performance may be one of the main control indicators when the traffic volume is made up of large vehicles.The study on the influence of vehicle loads on the decay law of asphalt pavement anti-slip performance is conducive to identifying its evolutionary characteristics，and this study can provide a basis for the implementation of intelligent maintenance decisions and treatment plans for asphalt pavement，and enhancing vehicle driving safety.

Key words：road engineering;asphalt pavement;skid resistance;traffic volume;attenuation characteristics