随着中国国民经济的不断发展，公路运输领域显著发生变化，体现在交通量、重车量等方面，运输量的急剧增长直接导致了超载现象。重载交通是公路运输事业发展的一个重要方向。现行沥青路面设计规范中以单轴双轮组100 kN作为标准轴载^[1-7]己无法满足重载交通沥青路面的使用要求，为保证重载交通作用下沥青路面结构的设计轴载及耐久性，国内外学者结合重载交通沥青路面轴载规律做了相应研究。叶亚丽等^[8]通过实测交通量和轴重分析轴载谱，认为重载交通沥青路面结构应以单轴双轮胎160 kN为设计代表轴载，同时以双联轴380 kN为验算荷载。王冀蓉^[9]结合中国交通存在重载车辆比例大、超载普遍现象，提出重载道路长寿命沥青路面设计轴载应为115 kN。高雪池等^[10]通过山东省高速公路及国道的动态轴重系统所实测的车辆轴载数据，在极重交通条件下预估沥青路面结构水稳层和沥青面层的结构寿命，结果表明符合长寿命路面的设计理念。Morton等^[11]根据收费站数据绘制轴载谱，研究了重载对沥青路面设计方法的影响。Haider等^[12]通过采集14个站点的轴载谱，分析得到后轴轴重较大的车辆更容易引起沥青结合料类基层沥青路面疲劳开裂。Jiang等^[13]研究了轴载谱参数在力学经验法路面设计中的应用。

发展重载交通存在两个关键问题，一方面是如何确定设计代表轴载，另一方面是如何保证沥青路面结构在重载交通荷载作用下的使用寿命。上述研究中或是给定了重载交通设计代表轴载而未结合轴载分析路面结构寿命，或是预估了路面结构寿命而未给定重载交通设计轴载，因此本研究实测鲁中地区的高速公路车辆轴载数据，分析其轴载谱确定本地区的重载沥青路面结构设计轴载参数，在设计代表轴载的基础上进行沥青路面力学响应分析和结构寿命预估。

本研究以鲁中地区某高速公路的车辆类型及轴重数据为基础，分析适用于本地区路面结构设计的交通荷载参数。

车辆轴型按轮组和轴组类型分为7类，车辆类型按轴型组合划分为11类，具体参照现行公路沥青路面设计规范(JTGD50—2017)附录A.1。

选取鲁中地区某高速公路高速动态称重传感器获取2022年1月至2023年1月的交通数据(车辆的车速、轴数、轴距、轴载、总荷载等信息)进行分析，其交通参与车辆以第9类车型(6轴及以上半挂货车)最多，占比为67.02%，其次为第1类车型(2轴4轮车辆)占比为15.38%。

轴载谱是计算不同类(2~11类)车辆、不同轴型在不同轴重区间的百分比，得出单轴单胎、单轴双胎、双联轴和三联轴的轴重分布系数。确定轴载谱时，单轴单胎、单轴双胎、双联轴和三联轴应分别间隔2.5，4.5，9.0 kN和135 kN划分轴重区间。轴载谱如图 1所示。

图 1 轴载谱 Fig. 1 Axial load spectrum

图选项

由图 1可知，单轴单轮胎的轴重主要集中在2~8 t；单轴双轮胎轴重分布主要集中在2~13 t；双联轴轴重集中在4~20 t区间内且在4 t和13 t处存在波峰；三联轴轴重集中在5~30 t区间内且在6 t和20 t处存在波峰。

根据上述单轴单轮胎、单轴双轮胎、双联轴和三联轴的轴重分布系数，统计其轴载累积分布率95%时对应的轴重，以该轴重作为沥青路面设计轴载。由图 2累积轴载分布可知：单轴单轮胎对应的设计轴载为80 kN，单轴双轮胎为135 kN，双联轴为210 kN，三联轴为300 kN。当统计其轴载累积分布率100%对应的轴重时，单轴单轮胎对应的设计轴载为140 kN、单轴双轮胎为200 kN、双联轴为380 kN和三联轴为600 kN。

图 2 轴载累积分布 Fig. 2 Cumulative distribution of axle loads

图选项

在沥青路面结构设计时通过轴载谱来确定设计轴载，结合上述分析以单轴双轮胎135 kN作为本地区重载交通设计代表轴载。

通过对鲁中地区及国内常见路面结构调研确定典型结构1，基于高模量沥青混凝土中面层材料确定结构2，同时按照现行沥青路面设计规范及参考文献[14-16]选取计算参数，如表 1所示。

结合相关文献参考^[17-20]，标准设计轴载和上述重载交通设计代表轴载的计算参数，如表 2所示。

(1)

(2)

式中，A为单圆接地面积；P为单圆接地轴重；p为接地压强；r为当量圆半径。

本研究采用麦路(M-Pave)进行沥青路面结构力学响应分析，在该软件中采用Finite Block Method(FBM)进行结构的离散，考虑单圆荷载作用下的弹性层状结构进行分析，利用荷载的叠加原理得到双圆标准轴载作用下的结构应力分布。路面结构计算模型和结构离散如图 3所示。

图 3 路面结构计算模型和结构离散划分 Fig. 3 Pavement structure calculation model and structure discrete division

图选项

利用上述模型和计算软件，分别计算结构1和结构2在标准轴载100 kN和设计代表轴载135 kN下的XZ方向剪应力随距路表深度的变化，计算结果如图 4所示。

图 4 结构1和2剪应力随距路表深度的变化 Fig. 4 Shear stress varying with depths from road surface for both structures

图选项

由图 4可知，(1)在同等轴载水平的条件下，结构1与结构2的最大剪应力相近。(2)结构1的剪应力峰值出现在距路表深度1~2 cm处，结构2的剪应力峰值出现在路表下2~4 cm处。(3)不同轴载水平的剪应力随距路表深度的变化趋势基本一致，随着深度的增加，剪应力逐渐减小。在0~12 cm深度范围内剪应力值变化范围为140~280 kPa，在12~30 cm深度范围内剪应力值变化范围为50~140 kPa，其中设计代表轴载135 kN下的最大剪应力比标准轴载100 kN下最大剪应力增加15%~16%。

利用上述模型和计算软件，分别计算结构1和结构2在标准轴载100 kN和设计代表轴载135 kN下的无机结合料层层底拉应力，计算结果如图 5所示。

图 5 结构1和2基层层底拉应力的变化 Fig. 5 Tensile stress variation at base layer of both structures

图选项

由图 5可知，(1)结构1与结构2的最大拉应力均出现在底基层层底, 当量圆中心的位置；(2)相同轴载水平下，结构2的最大拉应力较结构1增加约10%；(3)在相同路面结构下，设计代表轴载135 kN下的最大层底拉应力比标准轴载100 kN下最大层底拉应力增加约34%。

结合《公路沥青路面设计规范》 (JTG D50—2017)要求，计算结构1和结构2的无机结合料层疲劳开裂寿命和沥青混凝土层永久变形量达到15 mm时的当量轴载累计作用次数。

根据现行设计规范中B.2.1无机结合料稳定层疲劳开裂验算公式计算，结构1和结构2的水泥稳定碎石基层的疲劳开裂寿命见表 3。

根据现行公路沥青路面设计规范中B.3.1沥青混合料层永久变形量验算公式反算结构1和结构2的沥青层永久变形达到15 mm时累计轴载作用次数见表 4~5。

根据上述3.1节与3.2节计算，在不同轴载水平下结构1、结构2的无机结合料层疲劳开裂寿命和沥青面层永久变形量达到15 mm时的累计轴载作用次数。设定交通量年增长率为10%，15 a总交通量达到重交通荷载等级上限(19×10⁶ veh/车道)和特重交通荷载等级上限(50×10⁶ veh/车道)时，基于实测轴载数据计算结构1和结构2在不同荷载水平下的结构使用年限。计算公式参照规范(JTG D50-2017)中A.3.1-1~A.3.1-4和A.4.1~4.2，反算沥青路面结构寿命，如图 6所示。

图 6 沥青路面结构寿命预估 Fig. 6 Life prediction on asphalt pavement structure

图选项

由图 6(a)可知，当交通量达到重、特重交通荷载等级时，相同轴载水平下结构2的水稳层寿命小于结构1，同时在100 kN轴载水平下结构1和结构2的水泥稳定碎石基层结构寿命可达到58~70 a，在135 kN轴载水平下2种结构的水稳层结构寿命可达到47~61 a，不同轴载水平下2种结构的水稳层结构寿命均超过了40 a，可达到长寿命路面结构的要求^[21-22]。

由图 6(b)可知，当交通量达到重、特重交通荷载等级时，结构2的沥青层寿命远大于结构1，尤其在特重交通荷载135 kN轴载水平下结构1的沥青层永久变形寿命为10 a，不满足现行规范要求。在不同轴载水平下结构2的沥青层寿命达到18~34 a。

(1) 基于轴载谱分析本研究确定以单轴双轮胎135 kN作为本地区重载交通设计代表轴载。

(2) 结构1的剪应力峰值出现在距路表深度1~2 cm处，结构2的剪应力峰值出现在路表下2~4 cm处。不同轴载水平的剪应力随距路表深度的变化趋势基本一致，随着深度的增加，剪应力逐渐减小。在0~12 cm深度范围内剪应力值变化范围140~280 kPa，在12~30 cm深度范围内剪应力值变化范围50~140 kPa，其中设计代表轴载135 kN下的最大剪应力比标准轴载100 kN下最大剪应力增加15%~16%。

(3) 相同轴载水平下，结构2的水稳层底拉应力较结构1增加约10%。在相同路面结构下，设计代表轴载135 kN下的水稳层底拉应力比标准轴载100 kN增加约34%。

(4) 当交通量达到重、特重交通荷载等级时，不同轴载水平下2种结构的水稳层结构寿命均超过了40 a；不同轴载水平下结构2的沥青层寿命可达到18~34 a，结构1的沥青层永久变形寿命为10~23 a。