高溫重載作用下瀝青路面車轍研究

王輝   李雪連  張起森

長沙理工大學 湖南長沙410076

引言

    車轍是瀝青路面在重復交通荷載作用下產生的累積永久變形，是當前瀝青路面主要的破壞形式之一。車轍破壞嚴重影響了行車的安全性和舒適性。日本的調查表明，其瀝青路面約70％都存在車轍問題，故特別重視對車轍的研究。美國SHRP對車轍的預估模型進行了較深入的研究并在AASHT0一2002年設計指南列入了車轍設計指標。歐洲Shell的設計方法也考慮了車轍預估問題。我國現行瀝青路面設計規范主要以路表彎沉作為設計指標，對于車轍問題基本沒有考慮。盡管現在開始探討多指標的設計體系，但真正要付諸實施還需要相當長的時間。鑒于目前我國高速公路瀝青路面車轍問題的嚴重性，加強展開對車轍問題的研究是十分必要的。本文首先對京珠高速公路某路段車轍病害展開現場調查；其次結合調查結果，計算并分析了瀝青路面結構層在重載和高溫作用下的力學特性；然后采用方差分析法和相關分析法，分析了現場取樣試件的車轍試驗結果；最終建立了車轍深度與各結構層動穩定度的關系，并據此提出了路面各結構層瀝青混合料動穩定度的控制建議值。

1、瀝青路面車轍調查與其斷面形狀分析

　　1.1車轍調查

    在重載車輛和近幾年夏季高溫的綜合作用下，京珠高速公路某路段通車兩年后瀝青路面出現了嚴重的車轍破壞。經過該路段的車轍病害調查得其車轍深度的分布如圖1所示。

    由圖l可知，90％以上路段的車轍深度大于5mm，并且其中約有5％是超過20mm的。此外，對調查資料進行統計發現：全線平均車轍深度(ARD)達到10mm，最大車轍深度超過了30mm。可見，該路段的車轍病害非常嚴重。

圖1車轍深度分布圖

　　1.2車轍斷面形狀分析

    為了真實地了解瀝青各面層內車轍發生的狀況和程度，我們還對該高速公路典型車轍病害路段中的17處主車道進行了橫斷面開挖和鉆芯取樣，并對各面層厚度與變形情況進行了檢測，得到了典型的車轍斷面形態如圖2所示。

圖2典型的車轍斷面形態

    從圖2可以看出：

    (1)該處左、右輪車轍深度分別為27mm和25mm，開挖后基層頂面未發現沉陷與開裂，說明車轍變形全部由瀝青面層產生，且上、中、下層發生變形的程度各不相同。

    (2)從斷面形狀和輪跡處各層的變形量分析可知：中面層變形最大即約占車轍總量的60％，上面層約為25％，下面層約為15％。顯然，這與中面層承受著高壓應力和剪切應力，而一般中面層的抗剪切能力不足有關。

2、高溫重載作用下瀝青路面結構的應力分析

　　根據該路段的路面設計，我們采用如圖3所示的路面結構分析圖。利用ANSYS有限元通用軟件，對路面結構進行了相關處理。荷載采用了l00kN、120kN、140kN、160kN、180kN和200kN。輪胎接地面積由規范中的圓形荷載按面積等效原則轉換成正方形189mm×189mm，保持兩輪中心間距320mm不變。另外，假定輪載在作用面內均勻分布。由于車輛制動或啟動加速時輪胎與地面的接觸范圍內會產生一定大小的水平力，為簡化計算，假設輪胎與地面的摩擦系數相同，而且輪胎因制(啟)動而產生的變形對路面的垂直壓力影響不計，則水平力的量值在輪胎作用面內也是均勻分布的。假設輪胎與路面的滑動摩擦系數為f，一般路段系數f取0.2；緊急制動、上坡和彎道上，f取0.5。

圖3路面結構分析圖

    對于瀝青混合料動模量E按美國地瀝青協會(AI)計算公式確定(考慮了溫度、加載頻率、混合料中瀝青和礦料的影響)：

　　(1)|E|=100000×10β1

　　(2)β1=β3  + 0.000005/β2 — 0.00189β2f-1.1

　　(3)β2 =β4 0.5Tβ5

　　(4)β3=0.553833+0.028829(P200f-l703)- 0.03476Va +0.0277λ+0.931757f-0.02774

　　(5)β4 =0.483Vb

　　(6)β5 =1.3+0.498251gf

　　式中：β1～β5，為中間常數；f為荷載頻率，這里取6 Hz(中等速度)；T為路面溫度(℃)，根據該路段現場的實際測定，路面溫度分別取70℃和40℃；P200為集料通過200號篩孔的重量百分率，取6％和5％；Va為空隙率，取4.5％和4.0％；λ為瀝青在21℃(70°C)的黏度(106P*)，按下式進行計算

　　(7)λ=29508．2(P25°C)-2 .1939P25°C為25℃的針入度；Vb為瀝青的體積(％)，對上、中、下面層分別取ll％、9.2％和9.0％。

    根據給定的相關參數計算出的瀝青各層動態模量見表1。

表1路面基本參數

　　采用表1的模量，用有限元計算不同軸載下路面各結構層內最大剪應力如圖2所示，同樣根據美國AI的公式確定在不同溫度條件下各結構層的模量，然后用有限元計算在標準軸載BZZ-100作用下路面各結構層的最大剪應力如圖4所示。

　　　　圖4不同作用下路面結構各層剪應力   圖5標準軸載作用下路面各結構層的最大剪應力

    從圖4和圖5可知：

    (1)從圖4可以看出，隨著軸載的增加，路面各結構層的最大剪應力基本上按線性規律增大。例如當溫度為70°C時，在100kN荷載作用下中面層的最大剪應力約為0.275MPa，而在200kN下其值增大為0.550 MPa，增加了l倍。

    (2)從圖5分析得知，在同樣的荷載作用下，路面溫度增加，瀝青路面各結構層的最大剪應力也隨之增大，而且溫度越高，增加越快。例如，當中面層溫度為30℃時，剪應力為0．22MPa；而當中面層溫度為70℃時，剪應力為0.275MPa，增大了25％。

    (3)對圖4和圖5進行綜合分析發現：無論是考慮軸載影響還是溫度作用，中面層的剪應力均比上面層或下面層大。說明在研究車轍問題時，除上面層的車轍問題必須引起足夠重視外，解決中面層的抗剪切能力也是至關緊要的，這與現場調查結論一致。

3、現場取樣試件的車轍試驗與分析

　　3.1車轍試驗

    為進一步確定瀝青路面各結構層動穩定度、材料組成和壓實度等對車轍形成的影響，本文對在12處典型路段取得的ll5塊試件，進行了動穩定度、密實度、材料級配組成、瀝青抽提和60°C抗剪強度等一系列室內試驗。

    其中，在車轍試驗前，首先將現場取回的整塊試件按文獻“T0719瀝青混合料車轍試驗”的要求切割成平面尺寸為300mm x l50mm、厚度為結構層實際層厚的車轍試件，每層取樣不少于3塊試件；然后將試件安裝在300mm X300mm的標準試模中部，兩端用薄木片將試件固定，兩旁剩余部分用新熱拌瀝青混合料填充壓實，以固定試件，如圖6所示。值得注意的是，本文現場取樣試件均是在該12處典型路段中與行車道對應的路肩位置取得的，路面材料類型見圖3。瀝青路面各面層的車轍試驗動穩定度結果與其對應的行車道平均車轍深度，詳見表2。

表2車轍試驗結果

　　(a)現場取樣試件     　(b)車轍試驗后試件

圖6車轍試驗

　　3.2結果與分析

　　3.2.1方差分析 

    為了研究各層動穩定度對車轍貢獻的大小，本文采用了方差分析法和相關分析法對車轍試驗的動穩定度結果進行分析。其中，對動穩定度和車轍深度分別進行了分級：

    上面層動穩定度(DSsurfce，次/mm)：第一級≤1000，1000≤第二級≤3000，第三級≥3000；

    中面層動穩定度(DSmiddle，次/mm)：第一級≤800，800≤第二級≤1500，第三級≥1500：

    下面層動穩定度(DSbottom，次/mm)：第一級≤600，600≤第二級≤1200，第三級≥1200。

    相應的車轍深度(RD)也分為三級：第一級≤10m，10m≤第二級≤15m，第三級≥15m。

    按照上述分級，將表2的數據進行分組整理，在預設顯著性水平α=0.05時，進行方差分析，結果如表3所示。

    由表3的方差分析可知，所用分析模型的F檢驗值為l8.690，相伴概率為0.003，因此所用的模型有統計學的意義。在顯著性水平α=0.05時，上、中、下面層動穩定度對車轍深度的影響是顯著的(Sig．ofF≤α)，其影響排序為：中面層>下面層>上面層。可見，中面層的動穩定度對車轍深度的影響最為顯著。

　　3.2.2相關分析

    相關分析是另一種常用的研究變量問密切程度的統計方法，用相關系數R來表征變量之間的相關程度，|R|越接近1則兩者的相關程度越高。本文對車轍深度和各層動穩定度進行相關分析，結果見表4。從表4可知，車轍深度與上、中、下面層動穩定度呈負相關，且中面層的相關程度最大，這與現場調查和理論分析結果是一致的。所以在路面結構設計和材料設計中，除上面層外還應十分重視中面層設計，并且要切合實際地保證施工質量。

表3各影響因素方差分析結果

　　3.2.3車轍深度回歸模型的建立

    根據上述的結論和數據的特點，本文利用統計分析，得到式(8)所示的路面車轍與各層動穩定度的關系：RD= k1+k2(DSsurface)+k3ln(DSmiddle)+k4ln(DSbottom)(8)式中：k1、k2、k3、k4為回歸系數，見表5；RD為車轍深度，單位：mm；DSsurface 、DDSmiddle、和DSbottom分別為上、中和下面層的動穩定度，單位為次/mm。

    從表5可知，相關系數R值較大，說明式(8)與實測數據吻合。且F觀測值為l0.919，相伴概率為0.003，大于顯著性水平α=0.05，故可以用來評價瀝青混合料動穩定度對路面車轍影響。

表4車轍深度影響因素的相關分析

表5回歸系數

    瀝青路面設計規范和瀝青路面施工規范都僅要求對用于高速公路和一級公路中的公稱最大粒徑等于或小于l9mm的瀝青混合料進行動穩定度試驗，而對公稱粒徑大于l9mm的混合料，如下面層所用的混合料則沒有提出任何要求。然而，實際調查證明：許多高速公路路面車轍發生不僅是源自上面層和中面層，下面層的殘余變形也是車轍的重要組成部  分。若在重載高溫區路段的上、中面層均采用改性瀝青混合料，其動穩定度均可取3000次/mm，容許車轍  深度取15mm，由式(8)反算得到下面層動穩定度為51次/mm。考慮到試驗條件等因素的影響，取l.5的保證系數，可得到下面層動穩定度約為770次/mm。因此，一般交通路段，推薦上、中面層動穩定度取3000次/mm，推薦下面層取800次/mm；對于一些特殊路段，如長大縱坡、較大彎道超高、重載交通路段，推薦上、中面層動穩定度取3500次/mm，推薦下面層取1000次/mm。對于其他地區，我們認為所要求的混合料動穩定度也應相應提高，只有這樣我國高速公路當前產生的大量車轍問題才能得以逐步解決。

4、結論

    通過對重載交通高溫條件下瀝青路面結構的應力應變分析、現場高速公路路面車轍調查和室內試驗研究，可以得出以下主要結論：

    (1)車轍調查分析發現車轍變形一般均由瀝青面層產生，且上、中、下層發生變形的程度各不相同；從斷面形狀和輪跡處各層的變形量分析可知，中面層變形最大即約占車轍總量的60％，上面層約為25％，下面層約為l5％，顯然這與中面層承受著高壓應力和剪切應力，而一般中面層的抗剪切能力不足有關。

    (2)隨著軸載的增加，路面各結構層的最大剪應力基本上按線性規律增大；在同樣的荷載作用下，路面溫度增加，瀝青路面各結構層的最大剪應力也隨之增大，而且溫度越高，增加越快；無論是考慮軸載影響還是溫度作用，中面層的剪應力均比上面層或下面層大，說明在研究車轍問題時，除上面層的車轍問題必須引起足夠重視外，提高中面層的抗剪切能力也是至關緊要的，這與現場調查結論一致。

    (3)利用方差分析法和相關分析法對車轍試驗的動穩定度結果進行分析發現：中面層的動穩定度對車轍深度的影響最為顯著；中面層的相關程度最大，這與現場調查和理論分析結果是一致。所以在路面結構設計和材料設計中，除上面層外還需十分重視中面層設計，并且要確切地保證施工質量。

　　(4)提出的車轍深度與各層動穩定度的回歸公式有良好的相關性，初步可以利用各層混合料的動穩定度對路面的車轍進行預測，并據此提出了路面各結構層瀝青混合料動穩定度的控制建議值。

參考文獻

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(本文來源：陜西省土木建筑學會  文徑網絡：溫紅娟  劉紅娟  尹維維 編輯 文徑 審核)