環(huán)境因素對車轍影響的灰色關聯(lián)度分析*

符小陽 李家盛 余劍英

(1.廣東省南粵交通揭惠高速公路管理中心 揭陽 515325；2.武漢理工大學硅酸鹽建筑材料國家重點實驗室 武漢 430070)

車轍是瀝青路面常見的破壞形式,在發(fā)生早期病害的路面中，車轍所占比例高達80%[1]。瀝青混凝土路面在車輛長期荷載作用下發(fā)生塑性變形，累積起來在路面的豎直方向上即形成車轍。車轍可發(fā)生在道路的各個層次，其影響了道路的行車舒適性，加速了道路的破壞，縮短了道路的使用壽命[2]。隨著我國交通行業(yè)的快速發(fā)展，對道路性能的要求也越來越高，因此進行控制車轍發(fā)生、減小車轍危害的研究十分有必要。許多研究表明，除路面鋪筑材料本身性能與結構影響之外，高溫、低速、重載是產(chǎn)生車轍的重要環(huán)境因素[3]。本文通過灰色關聯(lián)度方法，對溫度、速度、荷載3個影響車轍的因素進行研究，為正確認識車轍危害，優(yōu)化交通結構，解決車轍問題提供參考。

1 試驗原材料、級配和車轍試驗設計

采用SBS改性瀝青，玄武巖制作上面層的車轍試件，采用級配為AC-13。瀝青和集料的主要性能見表1，表2。

表1 SBS改性瀝青主要性能指標

表2 玄武巖集料主要性能指標

AC-13集料的篩分結果及配合比見表3，最佳油石比為4.4%。以該配合比，按照JTG E20-2011 《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》中T0703-2011制作車轍試件進行分析。

表3 AC-13集料篩分結果及其配合比

圖1 AC-13合成級配曲線圖

按照JTG E20-2011 《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》中T0719-2011方法，選取60 ℃，42 r/min，0.7 MPa為標準試驗條件。通過室內(nèi)車轍模擬系統(tǒng)探究溫度、荷載、速度對車轍的影響，系統(tǒng)可以同時控制多個實驗參數(shù)。當研究某個因素的影響時，其他2個因素保持不變。如探究溫度影響時，荷載強度保持0.7 MPa，輪碾速度保持42 r/min。制作出的車轍試樣經(jīng)過標準試驗，得到動穩(wěn)定度為7 674次，車轍深度為1.2 mm。

2 車轍試驗

2.1 溫度對車轍的影響

瀝青是一種典型的粘彈性材料，它的強度和模量隨溫度變化很大[4]。在低溫時，瀝青主要呈現(xiàn)彈性特征，因此低溫時因荷載造成的變形會很快恢復。在高溫時瀝青主要呈現(xiàn)粘性特征，瀝青混合料中的瀝青膠漿會軟化流動而造成永久變形，因此在高溫條件下容易形成車轍[5]。我國幅員遼闊,南北溫度差異大,各地的氣溫有明顯的區(qū)別。在炎熱的夏天，局部高溫地區(qū)的地表溫度可達70 ℃以上。瀝青混合料的高溫性能直接決定了路面在高溫下抵抗車轍的能力。

試驗選取了60，65，70，75，80 ℃ 5個溫度，為盡可能反應瀝青路面的真實情況，控制車轍試件的表面溫度為試驗溫度。每個車轍試件在試驗前控溫6 h以上。

不同溫度下的車轍試驗結果見圖2，試驗結果表明溫度對瀝青路面車轍的產(chǎn)生有很大影響。隨著溫度上升，動穩(wěn)定度迅速下降，車轍深度呈指數(shù)形式迅速上升。溫度從60 ℃升高到70 ℃，動穩(wěn)定度下降了39%，車轍深度增加了17%。當溫度升高到80 ℃時，動穩(wěn)定度減小了78%，車轍深度增加了200%。這是由于在高溫下瀝青的粘性行為增大，混合料中的瀝青逐漸軟化流動使車轍變形增大。

圖2 不同溫度下的車轍測試結果

2.2 速度對車轍的影響

行車速度直接影響了荷載在瀝青路面上的作用時間。行車速度越慢，荷載在一個點上停留的時間就越長，形成的車轍就越嚴重。調(diào)查結果顯示，在連續(xù)上坡和交叉路口等行車緩慢的地方，車轍病害比平整通暢路面嚴重的多[6]。為研究低速對瀝青路面的影響，本文選取6，12，24，18，42 r/min 5種輪碾速度。

不同輪碾速度下的車轍試驗結果見圖3，試驗結果表明，隨著輪碾速度的降低，車轍深度加大，動穩(wěn)定度降低，整體呈指數(shù)形式。當輪碾速度由正常的42 r/min減小到6 r/min時，動穩(wěn)定度減小了81%，車轍深度增加了200%。由瀝青材料的時溫等效原則[7-8]可知，降低行車速度，相當于變相增加了試驗的溫度。而結果呈現(xiàn)的指數(shù)規(guī)律也很好地印證了瀝青的時溫等效性。由此可知，重載車輛低速行駛對高速公路的運營有很大影響，不僅影響高速公路上的車流行駛，而且對路面也有很大地負擔，減少路面的使用壽命。因此在連續(xù)上坡和高速出入口等地應設法保證車輛的行進速度。

圖3 不同速度下的車轍測試結果

2.3 荷載對車轍的影響

隨著交通運輸事業(yè)的發(fā)展，超載已是我國各地公路上的普遍現(xiàn)象。荷載強度是形成車轍的重要因素，超載汽車對路面車轍的形成起到了巨大作用[9]。資料顯示，我國高速公路運營中超載車輛比例很高，且超載量特別大，最高可達300%。根據(jù)廣東省具有典型車轍病害的高速公路軸載調(diào)查結果顯示，各軸載類型車輛的輪胎胎壓小于0.7，0.7～0.8，0.8～0.9，0.9～1.0，1.0～1.1，>1.1 MPa的比例分別占35.9%，22.3%，24.2%，18.9%，14.5%，1.7%。

當胎壓小于0.7 MPa時對瀝青路面的作用很小，而胎壓大于1.1 MPa的車輛在交通運輸中所占的比重很小。因此本次試驗選擇0.7，0.8，0.9，1.0，1.1 MPa 5個荷載強度進行試驗。

不同荷載下的車轍試驗結果見圖4，試驗結果表明荷載對瀝青路面的影響基本呈線性趨勢。當胎壓從0.7 MPa升高到1.1 MPa時，動穩(wěn)定度下降了37%，車轍深度增加了50%。因此超載對瀝青路面的影響相當嚴重，在公路運營當中應該嚴格控制。

圖4 不同荷載下的車轍測試結果

3 灰色關聯(lián)度分析

灰色關聯(lián)度分析即應用關聯(lián)度分析灰色系統(tǒng)中各個子系統(tǒng)之間關系的數(shù)據(jù)分析方法。通過一定的數(shù)據(jù)處理，尋找各個子系統(tǒng)或因素之間的關系。關聯(lián)度反應了因素之間在發(fā)展過程中的關聯(lián)程度，在發(fā)展過程中，若2個因素的變化趨勢一致，則兩者的聯(lián)系較高。

灰色關聯(lián)度分析法一般分為以下步驟：①確定反映系統(tǒng)行為特征的參考數(shù)列和影響系統(tǒng)行為的比較數(shù)列；②對參考數(shù)列和比較數(shù)列進行量綱為一的量化處理；③求參考數(shù)列與比較數(shù)列的灰色關聯(lián)系數(shù)；④求關聯(lián)度；⑤對關聯(lián)度排序。

匯聚將試驗原始數(shù)據(jù)見表4。

表4 灰色關聯(lián)度原始數(shù)據(jù)

做均一化處理，得到結果見表5。

表5 均一化處理結果

選擇動穩(wěn)定度為參考序列，溫度、荷載、速度為比較數(shù)列，求出差序列。選取差序列中的雙重最值，帶入公式(1)中，分辨系數(shù)δ取0.5。

(1)

得到關聯(lián)度，最后將同一序列的關聯(lián)度取平均值，作為這個序列的關聯(lián)度。通過計算，溫度與動穩(wěn)定度的關聯(lián)度為0.759，胎壓與動穩(wěn)定度的關聯(lián)度為0.769，輪碾速度與動穩(wěn)定度的關聯(lián)度為0.724。

將車轍深度選為參考序列，溫度、、荷載、速度為比較數(shù)列，重復以上計算過程。得到結果為溫度與車轍深度的關聯(lián)度為0.902，胎壓與車轍深度的關聯(lián)度為0.872，輪碾速度與車轍深度的關聯(lián)度為0.790。

通過灰色關聯(lián)度分析發(fā)現(xiàn)，溫度、荷載強度和輪碾速度與車轍的關聯(lián)度都很高。對于動穩(wěn)定度三者的關聯(lián)度由大到小順序為：荷載強度>溫度>輪碾速度，對于車轍深度三者的關聯(lián)度大小順序為：溫度>荷載強度>輪碾速度。綜合來看，溫度對車轍變形的影響與荷載強度相當，輪碾速度對車轍變形的影響最小。

4 結論

通過相關實驗可知，瀝青路面車轍病害的形成除瀝青混合料自身結構與性能等因素之外，與溫度、荷載、速度等環(huán)境因素也有很大關系。高溫、重載、低速都是導致車轍變形增加的重要原因。

通過灰色關聯(lián)度分析，可發(fā)現(xiàn)在幾種影響車轍的環(huán)境因素中，對于動穩(wěn)定度的關聯(lián)度由大到小順序為：荷載強度>溫度>輪碾速度，對于車轍深度的關聯(lián)度大小順序為：溫度>荷載強度>輪碾速度。溫度和荷載強度的關聯(lián)度相差不大，而輪碾速度的關聯(lián)度明顯小于前兩者。因此在道路交通管理當中，應將超載車輛作為重點管理對象，同時合理安排在高溫天氣下的貨物運輸。

[1] 沈金安.瀝青與瀝青混合料的路用性能[M].北京:人民交通出版社,2001.

[2] FANG H, HADDOCK J E, WHITE T D, et al. On the characterization of flexible pavement rutting using creep model：based finite element analysis[J].Finite Elements in Analysis & Design.2004;41:49-73.

[3] 王家主,吳少鵬.瀝青路面車轍影響因素的研究[J].武漢理工大學學報(交通科學與工程版),2006,30(3):463-466.

[4] 詹小麗.基于DMA方法對瀝青粘彈性能的研究[D].哈爾濱: 哈爾濱工業(yè)大學,2007.

[5] 楊博.基于有限元方法的瀝青路面車轍影響因素分析及其應用研究[D].西安：長安大學,2010.

[6] 李闖民,李宇峙.加速重復荷載作用下影響瀝青混凝土路面車轍因素的研究[J].公路,1998(5):22-26.

[7] GRILLI A, GNISCI M, BOCCI M. Effect of ageing process on bitumen and rejuvenated bitumen[J].Construction and Building Materials.2017，136:474-481.

[8] 樊向陽,羅蓉,馮光樂，等.抗車轍劑改性瀝青的高溫性能評價指標[J].武漢理工大學學報(交通科學與工程版),2017,41(4):618-622.

[9] 賈致榮.超載對路面過早損壞影響的分析及對策[J].淄博學院學報(自然科學與工程版),2002(1):24-30.