路面車轍的主要成因及減緩措施

王曦光

(遼寧省交通科學(xué)研究院有限責(zé)任公司 沈陽市 110015)

1 概述

至2019年底，遼寧省公路通車?yán)锍踢_(dá)115698.7km，其中高速公路通車?yán)锍汤塾嬤_(dá)4331.4km，一級公路通車?yán)锍?152.7km，但隨著公路在役時間的增長和交通量的迅速增加，路面出現(xiàn)了許多早期病害，其中車轍是影響路面使用性能的最嚴(yán)重病害。在2019年全省高速公路路面技術(shù)狀況評定中，路面車轍深度指數(shù)這一指標(biāo)已經(jīng)低于90分，評定等級為良，可見車轍病害存在的普遍性。

2 路面車轍形成的主要原因

(1)路面承受的實際荷載超過設(shè)計荷載(車輛超載)

在我國路面結(jié)構(gòu)設(shè)計中，為了簡化研究，將車輛車輪載荷簡化為等效的圓形均布載荷，輪胎壓力在界面均勻分布，并將不同類型的車輛軸載轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)軸載(即單軸雙輪)的假設(shè)。標(biāo)準(zhǔn)軸重由BZZ-100表示。標(biāo)準(zhǔn)軸載計算參數(shù)見表1。

表1 BZZ-100標(biāo)準(zhǔn)軸載參數(shù)

然而，近年來，隨著國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和公路交通量的增加，大型貨車在車輛中的比例迅速增加。國內(nèi)許多省市對公路的交通量調(diào)查分析表明，公路超載、超限的情況普遍存在。由于提高輪胎充氣壓力能降低車輛牽引阻力，所以超載車輛的輪胎壓力通常都會超過標(biāo)準(zhǔn)壓力，并且車輛負(fù)載越重，其輪胎充氣壓力越大。對200臺已經(jīng)載貨的大型貨車(包含2后軸及3后軸的貨車)的輪胎氣壓進(jìn)行調(diào)查，其輪胎氣壓分布狀態(tài)見圖1。通過調(diào)查結(jié)果發(fā)現(xiàn)，近90%的貨車后軸輪胎壓力都超過標(biāo)準(zhǔn)壓力(0.7MPa)，更嚴(yán)重的是，近50%的貨車后胎壓力超過1.1MPa。

車輛荷載的增大對瀝青路面的性能將會產(chǎn)生嚴(yán)重影響。近年來，科研工作者對車輛載荷對路面壓力的影響進(jìn)行了大量的研究，發(fā)現(xiàn)當(dāng)荷載超過某一值時，瀝青混合料的動穩(wěn)定性會急劇下降。如果輪胎氣壓從0.7MPa提高到1.2MPa，瀝青混合料車轍試驗的動穩(wěn)定度將降低50%；此外，在路面厚度為15cm時，180kN荷載下的剪切應(yīng)力比100kN荷載下的剪切應(yīng)力大0.07MPa，其產(chǎn)生的剪切變形影響區(qū)域也比標(biāo)準(zhǔn)荷載大。由于車轍的產(chǎn)生主要是在高溫情況下由剪切破壞引起的，由此可見超載對路面的損害是非常大的。

(2)路段線型關(guān)系造成實際荷載超出設(shè)計荷載

除車輛超載原因造成路面車轍外，一些特殊路段的線型關(guān)系(如山區(qū)的大長縱坡)也可能產(chǎn)生較大車轍。下面以大長縱坡路段為例，對車轍的成因進(jìn)行簡要分析。

車輛在通過大長縱坡時，會造成路面結(jié)構(gòu)剪應(yīng)力的增大和荷載加載時間的增長。

剪應(yīng)力的增大是造成大長縱坡車轍的一個主要原因。隨著縱坡坡度的增加，車輛荷載會產(chǎn)生一個沿路面方向的剪應(yīng)力，并且對路面的剪應(yīng)力隨坡度的增加而增大。以4cmSMA13L型瀝青混凝土上面層+8cmAC20型改性瀝青下面層路面為例，通過計算在不同縱坡坡度下，車輛對路面的剪應(yīng)力的數(shù)值見表2，由表2計算結(jié)果可知，當(dāng)縱坡坡度由2%增加到5%時，剪應(yīng)力由0.02MPa增加到0.05MPa，而增加的0.03MPa剪應(yīng)力卻相當(dāng)于路面處于平面狀態(tài)下，車輛載荷從100kN增加到140kN所引起的應(yīng)力。也就是說，縱坡坡度上升3%間接意味著車輛荷載增加40%。在荷載增加40%的情況下，通過車轍試驗發(fā)現(xiàn)，瀝青混凝土的動穩(wěn)定度將降低30%?？梢娂魬?yīng)力的增大將嚴(yán)重降低路面性能，使車轍過早出現(xiàn)。

表2 剪應(yīng)力隨縱坡坡度變化表

加載時間的增長也是造成大長縱坡車轍的另一個主要原因。在我國山區(qū)復(fù)雜地形條件下，隨著坡度和長度的增加，車輛通行速度會明顯降低。交通運輸部研究表明，我國山區(qū)大長縱坡路段的貨車速度大多在10～30km/h之間，遠(yuǎn)低于設(shè)計行車速度。車輛的通行速度降低也就意味著加載時間的增長。由于瀝青混合料的粘彈性特性，根據(jù)時間-溫度等效理論，荷載時間的增加相當(dāng)于路面結(jié)構(gòu)溫度的增加。通過W-L-F公式的實際計算，通行速度為10～30km/h的車輛荷載效應(yīng)，與速度為80km/h、路面溫度提高22.2～9.7℃時的車輛荷載效應(yīng)相同。通過車轍試驗發(fā)現(xiàn)，如果實驗溫度提高9.7～22.2℃，則瀝青混凝土的動穩(wěn)定度將降低49%～79%?？梢娂虞d時間的增長也是造成車轍過早出現(xiàn)的一個主要原因。

3 主要減緩措施

(1)改進(jìn)瀝青混合料設(shè)計

目前我國高速公路路面普遍采用半剛性基層結(jié)構(gòu)，由于其強(qiáng)度和剛度高，剪切變形小，反而造成車輛荷載向土基傳遞的應(yīng)力很小，因此我國高速公路車轍主要出現(xiàn)在瀝青混凝土層中。通過科研人員的大量研究，目前普遍認(rèn)為車轍主要出現(xiàn)在瀝青混凝土層的中間層。所以在路面抗車轍結(jié)構(gòu)設(shè)計中，應(yīng)首先考慮提高中間層的抗車轍能力。

為了提高瀝青混合料的抗車轍性能，必須對混合料進(jìn)行合理的設(shè)計或者采用新型材料來提高瀝青混凝土性能。對混合料進(jìn)行合理設(shè)計主要采取的方法有：采用粗級配、增大集料粒徑、減少瀝青用量以及采用粘度更大的瀝青等；采用新型材料提高瀝青混凝土性能主要方法有：瀝青中摻加改性劑(如SBS等)、添加摻合材料(如聚酯纖維等)等。摻加聚酯纖維是一種較有效的提高瀝青混凝土抗車轍性能的方法，其原因是聚酯纖維能吸收瀝青混合料中多余的游離瀝青，增加集料周圍瀝青膜的厚度，從而提高集料與瀝青的粘聚力。此外，聚酯纖維還具有增強(qiáng)作用，有利于混合物的高溫穩(wěn)定性。在低溫性能方面，由于摻加了聚酯纖維，瀝青混凝土用油量增加，在低溫下仍具有較好的柔韌性，能減少溫縮裂縫的產(chǎn)生?？梢娋埘ダw維是一種性能優(yōu)良的摻合材料。

(2)提高路面結(jié)構(gòu)設(shè)計理念

除改進(jìn)配合比設(shè)計外，合理的路面結(jié)構(gòu)設(shè)計也能有效抵抗車轍。如前所述，由于半剛性基層的強(qiáng)度和剛度遠(yuǎn)大于瀝青層，所以瀝青層在荷載作用下容易產(chǎn)生車轍，而且剪切應(yīng)力是造成高溫車轍的主要因素?？梢姡绻軌蚋纳茖娱g結(jié)合狀態(tài)，將是延緩車轍出現(xiàn)的一個有效手段。

蘇凱等人對行車荷載和路面結(jié)構(gòu)對車轍的影響進(jìn)行了理論研究。提出在標(biāo)準(zhǔn)荷載下半剛性基層瀝青路面的最大剪應(yīng)力隨瀝青層厚度的增加而增大，在達(dá)到一定厚度后，趨于平穩(wěn)；而柔性基層瀝青路面的最大剪應(yīng)力則會隨面層厚度的增加先急劇減小而后略有增大。這一結(jié)果說明，如果采用柔性基層，能降低路面結(jié)構(gòu)承受的剪應(yīng)力，這將有效延緩車轍的出現(xiàn)。另外，基層的剛度也會影響路面的剪應(yīng)力，隨著半剛性基層剛度的提高，在標(biāo)準(zhǔn)荷載下瀝青路面內(nèi)最大剪應(yīng)力逐漸增大；而對于柔性基層，最大剪應(yīng)力也隨基層剛度的提高而逐漸增大，但當(dāng)路面處于超載狀態(tài)時，路面內(nèi)的應(yīng)力狀態(tài)會發(fā)生變化，其最大剪應(yīng)力將先減小而后緩慢增大。這一結(jié)果說明，基層剛度越大對上層瀝青混凝土路面結(jié)構(gòu)越不利，將使瀝青混凝土路面承受更多的剪應(yīng)力，這將使車轍更容易出現(xiàn)；如果采用柔性基層，當(dāng)路面處于超載狀態(tài)下，能有效降低路面內(nèi)部的剪應(yīng)力，這將有助于緩解路面車轍的形成。雖然柔性基層具有諸多優(yōu)點，但剪應(yīng)力的影響因素相當(dāng)復(fù)雜，因此在路面設(shè)計中，需要從基層類型、基層剛度、路面厚度等方面綜合考慮，才能做到設(shè)計滿足實際的真正要求。

4 總結(jié)

(1)車轍是我國公路常見的病害，超載是形成車轍的主要原因，同時復(fù)雜的地形也會加劇車轍的形成；

(2)半剛性基層和土基的變形對于路面車轍的貢獻(xiàn)微乎其微，車轍主要出現(xiàn)在瀝青層中，特別是中間層；降低車轍主要方法可以從提高瀝青混凝土的抗車轍能力、合理的混合料設(shè)計、通過計算合理的增加路面厚度、采用柔性基層等方式來提高路面的抗車轍能力。