路面車轍的主要成因及減緩措施

王曦光

(遼寧省交通科學研究院有限責任公司 沈陽市 110015)

1 概述

至2019年底，遼寧省公路通車里程達115698.7km，其中高速公路通車里程累計達4331.4km，一級公路通車里程4152.7km，但隨著公路在役時間的增長和交通量的迅速增加，路面出現了許多早期病害，其中車轍是影響路面使用性能的最嚴重病害。在2019年全省高速公路路面技術狀況評定中，路面車轍深度指數這一指標已經低于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計荷載(車輛超載)

在我國路面結構設計中，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換為標準軸載(即單軸雙輪)的假設。標準軸重由BZZ-100表示。標準軸載計算參數見表1。

表1 BZZ-100標準軸載參數

然而，近年來，隨著國民經濟的發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。國內許多省市對公路的交通量調查分析表明，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準壓力，并且車輛負載越重，其輪胎充氣壓力越大。對200臺已經載貨的大型貨車(包含2后軸及3后軸的貨車)的輪胎氣壓進行調查，其輪胎氣壓分布狀態見圖1。通過調查結果發現，近90%的貨車后軸輪胎壓力都超過標準壓力(0.7MPa)，更嚴重的是，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生嚴重影響。近年來，科研工作者對車輛載荷對路面壓力的影響進行了大量的研究，發現當荷載超過某一值時，瀝青混合料的動穩定性會急劇下降。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定度將降低50%；此外，在路面厚度為15cm時，180kN荷載下的剪切應力比100kN荷載下的剪切應力大0.07MPa，其產生的剪切變形影響區域也比標準荷載大。由于車轍的產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)路段線型關系造成實際荷載超出設計荷載

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

車輛在通過大長縱坡時，會造成路面結構剪應力的增大和荷載加載時間的增長。

剪應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，車輛荷載會產生一個沿路面方向的剪應力，并且對路面的剪應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，車輛對路面的剪應力的數值見表2，由表2計算結果可知，當縱坡坡度由2%增加到5%時，剪應力由0.02MPa增加到0.05MPa，而增加的0.03MPa剪應力卻相當于路面處于平面狀態下，車輛載荷從100kN增加到140kN所引起的應力。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，通過車轍試驗發現，瀝青混凝土的動穩定度將降低30%。可見剪應力的增大將嚴重降低路面性能，使車轍過早出現。

表2 剪應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。在我國山區復雜地形條件下，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，我國山區大長縱坡路段的貨車速度大多在10～30km/h之間，遠低于設計行車速度。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，根據時間-溫度等效理論，荷載時間的增加相當于路面結構溫度的增加。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，與速度為80km/h、路面溫度提高22.2～9.7℃時的車輛荷載效應相同。通過車轍試驗發現，如果實驗溫度提高9.7～22.2℃，則瀝青混凝土的動穩定度將降低49%～79%。可見加載時間的增長也是造成車轍過早出現的一個主要原因。

3 主要減緩措施

(1)改進瀝青混合料設計

目前我國高速公路路面普遍采用半剛性基層結構，由于其強度和剛度高，剪切變形小，反而造成車輛荷載向土基傳遞的應力很小，因此我國高速公路車轍主要出現在瀝青混凝土層中。通過科研人員的大量研究，目前普遍認為車轍主要出現在瀝青混凝土層的中間層。所以在路面抗車轍結構設計中，應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，必須對混合料進行合理的設計或者采用新型材料來提高瀝青混凝土性能。對混合料進行合理設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作用，有利于混合物的高溫穩定性。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生。可見聚酯纖維是一種性能優良的摻合材料。

(2)提高路面結構設計理念

除改進配合比設計外，合理的路面結構設計也能有效抵抗車轍。如前所述，由于半剛性基層的強度和剛度遠大于瀝青層，所以瀝青層在荷載作用下容易產生車轍，而且剪切應力是造成高溫車轍的主要因素。可見，如果能夠改善層間結合狀態，將是延緩車轍出現的一個有效手段。

蘇凱等人對行車荷載和路面結構對車轍的影響進行了理論研究。提出在標準荷載下半剛性基層瀝青路面的最大剪應力隨瀝青層厚度的增加而增大，在達到一定厚度后，趨于平穩；而柔性基層瀝青路面的最大剪應力則會隨面層厚度的增加先急劇減小而后略有增大。這一結果說明，如果采用柔性基層，能降低路面結構承受的剪應力，這將有效延緩車轍的出現。另外，基層的剛度也會影響路面的剪應力，隨著半剛性基層剛度的提高，在標準荷載下瀝青路面內最大剪應力逐漸增大；而對于柔性基層，最大剪應力也隨基層剛度的提高而逐漸增大，但當路面處于超載狀態時，路面內的應力狀態會發生變化，其最大剪應力將先減小而后緩慢增大。這一結果說明，基層剛度越大對上層瀝青混凝土路面結構越不利，將使瀝青混凝土路面承受更多的剪應力，這將使車轍更容易出現；如果采用柔性基層，當路面處于超載狀態下，能有效降低路面內部的剪應力，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點，但剪應力的影響因素相當復雜，因此在路面設計中，需要從基層類型、基層剛度、路面厚度等方面綜合考慮，才能做到設計滿足實際的真正要求。

4 總結

(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微乎其微，車轍主要出現在瀝青層中，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。