長大縱坡路段瀝青路面車轍規(guī)律和影響因素

周健民，吳 博

(1.唐山高速公路集團有限公司，河北 唐山 063011；2.長安大學 公路學院,陜西 西安 710064)

0 引言

近年來，隨著我國高速公路的不斷延伸和發(fā)展，建設的主戰(zhàn)場已經(jīng)逐漸向山區(qū)轉移。但是，由于山區(qū)地形的限制以及大高差的不利影響，高速公路在設計和建造時不可避免地形成了較多長大縱坡路段。在高溫、重載、慢速等耦合作用的影響下，長大縱坡路段容易產生推移、擁包等病害，尤其是長大爬坡路段的瀝青路面上經(jīng)常產生嚴重的車轍，極大地影響了通行車輛的安全性和道路的服役壽命[1-6]。

從已有的研究成果來看，國外對瀝青路面的車轍問題進行了不少研究[7-10]，但是，國外大多數(shù)研究針對的都是平坡路段，較少有針對長大縱坡路段的研究。相比于國外，國內研究者針對山區(qū)長大縱坡路段的車轍問題，在材料設計、結構優(yōu)化、病害防治等方面開展了大量研究[11-16]。李明國等[17]研究發(fā)現(xiàn)，重載車輛在長大縱坡往往慢速行駛，但是在重載與慢速的耦合下，其對瀝青混合料動穩(wěn)定度的影響超過單一的重載影響。吳浩等[18]發(fā)現(xiàn)長大縱坡路段的車轍沿縱向的分布規(guī)律與其他路段的基本一致，而在同一坡段觀察(由坡底至坡頂)，車轍深度逐漸增大，不足之處在于未進行現(xiàn)場取樣和室內測試，以及只考慮了爬坡速度對車轍的影響。陳寶[19]通過數(shù)值模擬建立了長大縱坡處力學響應模型，研究了縱坡坡度、超載、低速、軸載等外因對車轍的影響，同樣未進行現(xiàn)場調查，模型中也未考慮瀝青混合料材料特性對車轍的影響。

目前，國內對山區(qū)長大縱坡路段瀝青路面車轍的研究確實取得了一些成果，但是還存在以下不足: (1)研究成果大多基于室內試驗和數(shù)值模擬所得出，缺少與實際工程之間的有效結合，研究結論的可靠性還需要進一步驗證；(2)研究者較少采用鉆芯取樣的方法獲得現(xiàn)場樣本，同時，也較少結合室內測試試驗，系統(tǒng)研究長大縱坡瀝青路面車轍的特點和形成機理；(3)研究人員在分析車轍的影響因素時不夠全面，且較少定量分析坡長、車速等因素對車轍的影響程度，導致車轍預估模型的精度與實際測量值相差較大。

為了填補上述不足，本研究依托銅黃高速公路，通過對其長大縱坡路段典型車轍病害的詳細調查和鉆芯取樣，采用自主開發(fā)的圓柱形試件車轍試驗(CSWTT)，探討長大縱坡瀝青路面車轍分布規(guī)律和產生機理。另外，通過分析外部和內部因素對長大縱坡路段車轍的影響，提出改善路面抗車轍性能的建議。

1 長大縱坡路段瀝青路面調查

1.1 交通量調查

銅黃高速位于黃土丘陵地區(qū)，設計速度為80 km·h-1,路線所經(jīng)地段的高差為100～200 m，分水嶺及河間地段大于300 m，全線存在多個長大縱坡路段。根據(jù)調查的交通量數(shù)據(jù)，繪制了日平均交通量圖(見圖1)。

圖1 銅黃高速日平均交通量Fig.1 Average daily traffic of Tongling-Huangshan expressway

由圖1可知，將各種車型按車輛換算系數(shù)折算為小客車后，日平均交通量總和大于10 000輛，因此具有重載交通的特點，而且各種貨車總和占總日平均交通量的比例超過50%。初步推斷，這些重載貨車在長大爬坡路段的低速行駛可能是誘發(fā)車轍病害的重要原因之一。

1.2 長大縱坡路段車轍病害調查

采用抽樣統(tǒng)計法隨機抽取了銅黃高速不同長大縱坡路段的車轍深度(表1)。由表1可知，長大縱坡路段的車轍普遍比一般路段更深，尤其當坡度較大(>3%)和坡長較長時，車轍深度普遍都大于40 mm。

表1 TH高速不同長大縱坡路段車轍深度Tab.1 Rutting depths of different sections of large longitudinal slope of Tongling-Huangshan expressway

在車轍較為嚴重的路段，開挖了車轍典型斷面，同時，測量了典型斷面處的車轍深度。由圖2可知，中面層的變形最大，且車轍主要發(fā)生在上、中面層。

圖2 典型斷面處的車轍深度Fig.2 Rutting depth at typical section

另外，選取車轍病害嚴重的路段制取直徑為150 mm 的圓柱形瀝青路面芯樣，以便于室內研究。

2 長大縱坡路段瀝青路面車轍分布規(guī)律

2.1 基于現(xiàn)場取芯的車轍分布規(guī)律

據(jù)調查，銅黃高速大多數(shù)路段路面結構層的設計厚度為“上面層40 mm+中面層50 mm+下面層60 mm”，少數(shù)路段路面結構層的設計厚度為：“上面層40 mm+中面層60 mm+下面層100 mm”，現(xiàn)場鉆取芯樣的總厚度和結構層厚度，見表2。由表2可知，中面層的變形最大，其次是下面層，上面層最小。但是在少數(shù)路段中(如芯樣2所在路段)，變形最大處發(fā)生在下面層。因而多數(shù)路段的車轍發(fā)生于中面層，只有在下面層比較軟弱的路段，車轍才主要發(fā)生于下面層。

表2 芯樣的總厚度及結構層厚度Tab.2 Overall thicknesses and structural layer thicknesses of core samples

由表3可知：(1)中面層的平均變形率最高，達到了60%，主要原因是其受到的橫向剪應力最大，而此層位瀝青的抗車轍能力又未能滿足抗車轍的要求；(2)上面層的平均變形率最小，只有17%，說明上面層并不是車轍的主要發(fā)生層；(3)下面層的變形率分布差異較大，如2#芯樣下面層的變形率接近60%，可能是該芯樣所在路段存在軟弱下面層，所以當行車荷載作用時，下面層變形較大。

表3 芯樣結構層變形率Tab.3 Deformation rates of structural layers of core samples

另外，通過觀察芯樣的外觀(圖3)，很容易看出，中面層附近的變形最大，其中瀝青與集料的錯動最為明顯。

圖3 中面層嚴重的流動變形Fig.3 Severe flow deformation in middle surface course

2.2 基于圓柱形試件車轍試驗(CSWTT)的車轍分布規(guī)律

2.2.1 可行性分析

為了測試瀝青混合料的高溫抗車轍能力，常選用30 cm×30 cm×5 cm的板式試件進行車轍試驗，但是在現(xiàn)場若切割同規(guī)格的板式試件，既會對路面造成較大的損害，也難以在現(xiàn)場開展大量試驗。鑒于此，開發(fā)了一種可承載圓柱形芯樣的車轍模具[20](見圖4)，利用圓柱形試件車轍試驗(CSWTT)評價瀝青混合料的抗車轍性能，其力學原理、試驗參數(shù)、試驗條件都同國產車轍儀，顯著優(yōu)點是適合現(xiàn)場取樣、快速評價，同時對路面破壞較小，測試結果更為準確。

圖4 圓柱形試件車轍試驗模具(單位:mm)Fig.4 Test moulds of CSTT(unit:mm)

張爭奇等[20]通過模擬軟件建立了圓柱形和板式試件的三維有限元模型，并且計算了斷面的應力分布，發(fā)現(xiàn)兩種試件的橫向應力及剪應力分布具有相似的變化規(guī)律，從理論上論證了CSWTT的可行性。試驗方面，本研究分別對成型的板狀試件和圓柱形試件進行了車轍試驗，結果如表4所示，相關性分析見圖5。

表4 不同形狀試樣車轍試驗結果(60 ℃，5 cm)Tab.4 Rutting test result of different shaped samples(60 ℃，5 cm)

圖5 不同形狀試樣的相關性分析Fig.5 Correlation analysis of different shaped samples

由圖5可知，在60 ℃的試驗條件下，圓柱形試件與板式試件的動穩(wěn)定度(DS)相關系數(shù)達到了0.904 2，表明圓柱形試件車轍試驗表征瀝青混合料的高溫抗車轍性能是可靠的，因此基于CSWTT分析了車轍規(guī)律和車轍機理，試驗方法及步驟描述詳見文獻[20]。

2.2.2 CSWTT分析

對某斷面(下稱斷面A)的超車道和行車道處鉆取芯樣，并且實施了CSWTT，結果見圖6。

圖6 斷面A處芯樣的CSWTT結果Fig.6 CSTT result of core samples at section A

由圖6可知:(1)抗車轍性能最好的是上面層，其次是下面層，而中面層在所有面層結構中的抗車轍能力最差；(2)行車道處與超車道處中面層的車轍發(fā)展速度均很快，當行走次數(shù)<2 000次時，試樣已發(fā)生破壞，表明中面層的抗車轍性能存在嚴重不足。

3 長大縱坡路段瀝青路面車轍產生機理

3.1 基于芯樣測試的車轍產生機理

測試了芯樣結構層的毛體積密度，見表5。由表5可知，各結構層車轍處的密度一般都大于隆起處和停車道處。因為開放交通后，由于行車碾壓引起的壓密作用會使得瀝青混合料的體積發(fā)生變化，同時顆粒之間的排列更為緊密，進而產生壓密變形。

表5 芯樣結構層的毛體積密度Tab.5 Bulk densities of structural layers of core samples

基于流變學原理，測試了芯樣結構層的瀝青含量(表6)。從表6可以發(fā)現(xiàn)，整體上隆起處的油量高于車轍處，路段油量差平均在0.1%以上，最大為0.22%(見3號芯樣路段下面層處)，說明瀝青混合料在高溫和荷載下發(fā)生了明顯的橫向流動。

表6 芯樣結構層的瀝青含量Tab.6 Asphalt contents of structural layers of core samples

3.2 基于CSWTT試驗的車轍機理

對同一斷面(斷面A)不同位置的路面芯樣實施了CSWTT試驗, 見圖7。

圖7 斷面A不同位置處芯樣的CSWTT結果Fig.7 CSTT result of core samples at different positions of section A

由圖7可知，停車道的車轍要大于超車道和行車道，得出開放交通后瀝青路面每個結構層都會產生一定的壓密變形，另外，車轍變形都會包含一定程度的壓密變形。經(jīng)過進一步分析，對于瀝青路面表面層的所有測點的車轍變形分為兩個階段，即壓密階段和穩(wěn)定階段；而對于瀝青路面中面層和下面層來說，其車轍變形較快，相對之下其壓密過程不顯著。因此瀝青路面車轍變形分為兩個部分，即起初的壓密變形和剪切流動變形。此外，瀝青路面表面層膠結料采用了抗車轍改性瀝青，高溫性能比較好，表明該路面的車轍變形絕大部分是由中面層和下面層的剪切流動變形所導致。

綜上，長大縱坡路段瀝青路面車轍產生的機理應是瀝青混合料在重載、高溫、慢速下產生的剪應力超過了材料本身的抗剪強度，進而使混合料發(fā)生流動變形，逐漸形成了車轍。因此，需要通過分析長大縱坡路段車轍的影響因素，并且提出針對性的措施，以控制剪應力的大小，減少車轍的發(fā)生。

4 長大縱坡路段路面車轍的影響因素

4.1 縱坡坡度和坡長

從表1中可以發(fā)現(xiàn)，當坡度一定時，坡長越長，車轍越易出現(xiàn)，同理亦然。進一步分析，若縱坡坡度保持不變，當縱坡坡長增加1%時，車轍深度隨之增加0.11 cm；反之，若縱坡坡長保持不變，當縱坡坡度增加1%時，車轍深度隨之增加0.30 cm，表明縱坡坡長對車轍的貢獻率遠高于縱坡坡度。這可能是由于縱坡坡度的增加對剪應力的增長幅度較為有限，而縱坡坡長的增加會直接引起行駛車輛的車速下降，同時也導致輪胎與路面作用時間的延長。因此，在設計階段，就要合理選用坡度與坡長的組合，盡量避免長陡坡的發(fā)生。

4.2 行車速度

采用雷達測速儀分別測試了4處長大縱坡坡腳和坡頂處重載車輛的車速，同時測量了最大車轍深度(表7)，發(fā)現(xiàn)坡長越長，坡度越大，平均車速越低，相應地，車轍最大深度也最深，可能是行車速度的降低延長了荷載作用于路面的時間，依據(jù)時溫等效原理，相當于間接提高了瀝青路面所要承受的溫度，從而導致瀝青路面相同交通量下引起的車轍增大。因此，在設計時就要綜合考慮坡度和坡長的合理組合，滿足重載車輛的最低爬坡速度。

表7 TH高速長大縱坡路段的車速和車轍結果Tab.7 Vehicle Speed and Rutting Result in large longitudinal section of Tongling-Huangshan expressway

4.3 溫度

瀝青混合料的不足之處是對溫度比較敏感，高溫時易產生流動變形，低溫時又易產生開裂。一方面，路面的高溫和環(huán)境溫差直接導致了混合料的抗剪強度、回彈模量、泊松比等存在顯著下降；另一方面，在重載和渠化交通等的不利組合下，更易使路面車轍發(fā)生。因而建議在路面表面設置熱反射涂層以降低路面結構內部溫度。

4.4 瀝青混合料材料特性

4.4.1 混合料及集料級配

利用上文中提到的圓柱板試件，采用馬歇爾方法設計了TH高速各面層瀝青混合料的級配類型及設計級配，如表8所示。此外，對典型車轍斷面的芯樣進行了篩分試驗，如表9所示。

由表8和表9可知，銅黃高速各面層主要級配類型屬于細級配，而各斷面4.75 mm篩孔的通過率都相對較大，大都超過了45%，說明集料之間未形成骨架結構，相應地，瀝青混合料的抗車轍能力也存在明顯不足。因此在混合料設計時需要注意優(yōu)化集料級配，以形成較為密實的骨架結構。

表8 TH高速不同面層瀝青混合料設計級配Tab.8 Design gradation of asphalt mixture for different surface layers in Tongling-Huangshan expressway

表9 典型斷面芯樣的級配Tab.9 Gradations of core samples in typical sections

另外，集料的幾何特性(形狀、粒徑等)及表面特性(表面粗糙度、棱角性等)特性也會影響混合料的骨架密度程度，繼而影響抗車轍能力。因此在瀝青混合料設計時，應優(yōu)選質地堅硬，表面粗糙且多棱角的集料，并適當提高集料粒徑。

4.4.2 瀝青種類

瀝青種類會影響相應瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性, 不同面層使用的瀝青種類如表10所示。

表10 TH高速不同面層使用的瀝青種類Tab.10 Asphalt types used for different surface layers in Tongling-Huangshan expressway

由表10可知，上面層選用了SBS改性瀝青，其抗車轍能力更強，中、下面層選用了基質瀝青，抗剪切變形能力并不如SBS改性瀝青。由于中面層是路面結構最主要的抗車轍層，基質瀝青的抗剪切能力很不理想，因而導致車轍易在本層發(fā)生，這點也在前述的CSWTT結果中得到了驗證。因此宜在中面層使用抗車轍能力更強的SBS改性瀝青。

4.4.3 瀝青用量

油石比會對瀝青混合料的壓實性能產生重要影響，具體表現(xiàn)為當油量較小時，混合料難以達到規(guī)定的壓實度；而當油量過高后，結構瀝青并不會相應地增加，反而自由瀝青對混合料的潤滑作用愈強，使瀝青混合料的抗車轍能力急劇下降。從表6可知，中面層的瀝青含量基本上大于4.6%，且車轍處的瀝青含量都小于隆起處和停車道處，說明瀝青和瀝青膠漿發(fā)生了橫向流動，造成這種現(xiàn)象的原因是中面層瀝青含量較高。因此，宜控制油石比，以保證混合料的壓實性能和抗車轍能力。

5 結論

基于車轍現(xiàn)場調查、鉆芯取樣和CSWTT測試，獲得的主要結論如下：

(1)根據(jù)典型斷面車轍深度以及車轍處路面芯樣的測試結果，發(fā)現(xiàn)當縱坡坡度較大、縱坡長度較長時，瀝青路面車轍最為嚴重，且長大縱坡路段瀝青路面車轍集中分布在中、下面層。因此，為了保證中面層材料的抗車轍性能，宜優(yōu)化混合料級配設計，選用高模量瀝青混凝土，在基質瀝青中摻加抗車轍劑等措施。

(2)利用自主開發(fā)的圓柱形車轍試驗(CSWTT)，測試了長大縱坡路段路面芯樣的毛體積密度和瀝青含量，結果表明：車轍處的密度值和油量都大于隆起處和停車處。這可能是由于瀝青在高溫與荷載的作用下抗剪切能力不足，從而發(fā)生了流動變形。此外，分析長大縱坡路段瀝青路面車轍的組成可知，其主要由壓密變形和剪切流動變形組成。其中，剪切流動變形持續(xù)時間更長，對瀝青路面車轍的影響更為嚴重。

(3)通過分析縱坡坡度與坡長、行車速度、溫度等外部因素和瀝青混合料材料特性(混合料及集料級配、瀝青種類、瀝青用量)等內部因素對長大縱坡車轍的影響，分別提出了選用合理坡度與坡長組合、考慮重載車輛的最低爬坡速度、設置熱反射涂層、優(yōu)化集料級配、選用抗車轍性能較好的抗性瀝青以及控制瀝青用量等切實建議。