長(zhǎng)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(tuán)有限公司，河北 唐山 063011；2.長(zhǎng)安大學(xué) 公路學(xué)院,陜西 西安 710064)

0 引言

近年來(lái)，隨著我國(guó)高速公路的不斷延伸和發(fā)展，建設(shè)的主戰(zhàn)場(chǎng)已經(jīng)逐漸向山區(qū)轉(zhuǎn)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(shè)計(jì)和建造時(shí)不可避免地形成了較多長(zhǎng)大縱坡路段。在高溫、重載、慢速等耦合作用的影響下，長(zhǎng)大縱坡路段容易產(chǎn)生推移、擁包等病害，尤其是長(zhǎng)大爬坡路段的瀝青路面上經(jīng)常產(chǎn)生嚴(yán)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(lái)看，國(guó)外對(duì)瀝青路面的車轍問(wèn)題進(jìn)行了不少研究[7-10]，但是，國(guó)外大多數(shù)研究針對(duì)的都是平坡路段，較少有針對(duì)長(zhǎng)大縱坡路段的研究。相比于國(guó)外，國(guó)內(nèi)研究者針對(duì)山區(qū)長(zhǎng)大縱坡路段的車轍問(wèn)題，在材料設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)優(yōu)化、病害防治等方面開(kāi)展了大量研究[11-16]。李明國(guó)等[17]研究發(fā)現(xiàn)，重載車輛在長(zhǎng)大縱坡往往慢速行駛，但是在重載與慢速的耦合下，其對(duì)瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度的影響超過(guò)單一的重載影響。吳浩等[18]發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)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(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)取樣和室內(nèi)測(cè)試，以及只考慮了爬坡速度對(duì)車轍的影響。陳寶[19]通過(guò)數(shù)值模擬建立了長(zhǎng)大縱坡處力學(xué)響應(yīng)模型，研究了縱坡坡度、超載、低速、軸載等外因?qū)囖H的影響，同樣未進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，模型中也未考慮瀝青混合料材料特性對(duì)車轍的影響。

目前，國(guó)內(nèi)對(duì)山區(qū)長(zhǎng)大縱坡路段瀝青路面車轍的研究確實(shí)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(nèi)試驗(yàn)和數(shù)值模擬所得出，缺少與實(shí)際工程之間的有效結(jié)合，研究結(jié)論的可靠性還需要進(jìn)一步驗(yàn)證；(2)研究者較少采用鉆芯取樣的方法獲得現(xiàn)場(chǎng)樣本，同時(shí)，也較少結(jié)合室內(nèi)測(cè)試試驗(yàn)，系統(tǒng)研究長(zhǎng)大縱坡瀝青路面車轍的特點(diǎn)和形成機(jī)理；(3)研究人員在分析車轍的影響因素時(shí)不夠全面，且較少定量分析坡長(zhǎng)、車速等因素對(duì)車轍的影響程度，導(dǎo)致車轍預(yù)估模型的精度與實(shí)際測(cè)量值相差較大。

為了填補(bǔ)上述不足，本研究依托銅黃高速公路，通過(guò)對(duì)其長(zhǎng)大縱坡路段典型車轍病害的詳細(xì)調(diào)查和鉆芯取樣，采用自主開(kāi)發(fā)的圓柱形試件車轍試驗(yàn)(CSWTT)，探討長(zhǎng)大縱坡瀝青路面車轍分布規(guī)律和產(chǎn)生機(jī)理。另外，通過(guò)分析外部和內(nèi)部因素對(duì)長(zhǎng)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(zhǎng)大縱坡路段瀝青路面調(diào)查

1.1 交通量調(diào)查

銅黃高速位于黃土丘陵地區(qū)，設(shè)計(jì)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(gè)長(zhǎng)大縱坡路段。根據(jù)調(diào)查的交通量數(shù)據(jù)，繪制了日平均交通量圖(見(jiàn)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(diǎn)，而且各種貨車總和占總?cè)掌骄煌康谋壤^(guò)50%。初步推斷，這些重載貨車在長(zhǎng)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(zhǎng)大縱坡路段車轍病害調(diào)查

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

表1 TH高速不同長(zhǎng)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(yán)重的路段，開(kāi)挖了車轍典型斷面，同時(shí)，測(cè)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(yán)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(nèi)研究。

2 長(zhǎng)大縱坡路段瀝青路面車轍分布規(guī)律

2.1 基于現(xiàn)場(chǎng)取芯的車轍分布規(guī)律

據(jù)調(diào)查，銅黃高速大多數(shù)路段路面結(jié)構(gòu)層的設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)層的設(shè)計(jì)厚度為：“上面層40 mm+中面層60 mm+下面層100 mm”，現(xiàn)場(chǎng)鉆取芯樣的總厚度和結(jié)構(gòu)層厚度，見(jiàn)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(jié)構(gòu)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(dá)到了60%，主要原因是其受到的橫向剪應(yīng)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(shuō)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(dāng)行車荷載作用時(shí)，下面層變形較大。

表3 芯樣結(jié)構(gòu)層變形率Tab.3 Deformation rates of structural layers of core samples

另外，通過(guò)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(cuò)動(dòng)最為明顯。

圖3 中面層嚴(yán)重的流動(dòng)變形Fig.3 Severe flow deformation in middle surface course

2.2 基于圓柱形試件車轍試驗(yàn)(CSWTT)的車轍分布規(guī)律

2.2.1 可行性分析

為了測(cè)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(jìn)行車轍試驗(yàn)，但是在現(xiàn)場(chǎng)若切割同規(guī)格的板式試件，既會(huì)對(duì)路面造成較大的損害，也難以在現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)展大量試驗(yàn)。鑒于此，開(kāi)發(fā)了一種可承載圓柱形芯樣的車轍模具[20](見(jiàn)圖4)，利用圓柱形試件車轍試驗(yàn)(CSWTT)評(píng)價(jià)瀝青混合料的抗車轍性能，其力學(xué)原理、試驗(yàn)參數(shù)、試驗(yàn)條件都同國(guó)產(chǎn)車轍儀，顯著優(yōu)點(diǎn)是適合現(xiàn)場(chǎng)取樣、快速評(píng)價(jià)，同時(shí)對(duì)路面破壞較小，測(cè)試結(jié)果更為準(zhǔn)確。

圖4 圓柱形試件車轍試驗(yàn)?zāi)＞?單位:mm)Fig.4 Test moulds of CSTT(unit:mm)

張爭(zhēng)奇等[20]通過(guò)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(jì)算了斷面的應(yīng)力分布，發(fā)現(xiàn)兩種試件的橫向應(yīng)力及剪應(yīng)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(yàn)方面，本研究分別對(duì)成型的板狀試件和圓柱形試件進(jìn)行了車轍試驗(yàn)，結(jié)果如表4所示，相關(guān)性分析見(jiàn)圖5。

表4 不同形狀試樣車轍試驗(yàn)結(jié)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(guān)性分析Fig.5 Correlation analysis of different shaped samples

由圖5可知，在60 ℃的試驗(yàn)條件下，圓柱形試件與板式試件的動(dòng)穩(wěn)定度(DS)相關(guān)系數(shù)達(dá)到了0.904 2，表明圓柱形試件車轍試驗(yàn)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(jī)理，試驗(yàn)方法及步驟描述詳見(jiàn)文獻(xiàn)[20]。

2.2.2 CSWTT分析

對(duì)某斷面(下稱斷面A)的超車道和行車道處鉆取芯樣，并且實(shí)施了CSWTT，結(jié)果見(jiàn)圖6。

圖6 斷面A處芯樣的CSWTT結(jié)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(jié)構(gòu)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(dāng)行走次數(shù)<2 000次時(shí)，試樣已發(fā)生破壞，表明中面層的抗車轍性能存在嚴(yán)重不足。

3 長(zhǎng)大縱坡路段瀝青路面車轍產(chǎn)生機(jī)理

3.1 基于芯樣測(cè)試的車轍產(chǎn)生機(jī)理

測(cè)試了芯樣結(jié)構(gòu)層的毛體積密度，見(jiàn)表5。由表5可知，各結(jié)構(gòu)層車轍處的密度一般都大于隆起處和停車道處。因?yàn)殚_(kāi)放交通后，由于行車碾壓引起的壓密作用會(huì)使得瀝青混合料的體積發(fā)生變化，同時(shí)顆粒之間的排列更為緊密，進(jìn)而產(chǎn)生壓密變形。

表5 芯樣結(jié)構(gòu)層的毛體積密度Tab.5 Bulk densities of structural layers of core samples

基于流變學(xué)原理，測(cè)試了芯樣結(jié)構(gòu)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(jiàn)3號(hào)芯樣路段下面層處)，說(shuō)明瀝青混合料在高溫和荷載下發(fā)生了明顯的橫向流動(dòng)。

表6 芯樣結(jié)構(gòu)層的瀝青含量Tab.6 Asphalt contents of structural layers of core samples

3.2 基于CSWTT試驗(yàn)的車轍機(jī)理

對(duì)同一斷面(斷面A)不同位置的路面芯樣實(shí)施了CSWTT試驗(yàn), 見(jiàn)圖7。

圖7 斷面A不同位置處芯樣的CSWTT結(jié)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(kāi)放交通后瀝青路面每個(gè)結(jié)構(gòu)層都會(huì)產(chǎn)生一定的壓密變形，另外，車轍變形都會(huì)包含一定程度的壓密變形。經(jīng)過(guò)進(jìn)一步分析，對(duì)于瀝青路面表面層的所有測(cè)點(diǎn)的車轍變形分為兩個(gè)階段，即壓密階段和穩(wěn)定階段；而對(duì)于瀝青路面中面層和下面層來(lái)說(shuō)，其車轍變形較快，相對(duì)之下其壓密過(guò)程不顯著。因此瀝青路面車轍變形分為兩個(gè)部分，即起初的壓密變形和剪切流動(dòng)變形。此外，瀝青路面表面層膠結(jié)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(dòng)變形所導(dǎo)致。

綜上，長(zhǎng)大縱坡路段瀝青路面車轍產(chǎn)生的機(jī)理應(yīng)是瀝青混合料在重載、高溫、慢速下產(chǎn)生的剪應(yīng)力超過(guò)了材料本身的抗剪強(qiáng)度，進(jìn)而使混合料發(fā)生流動(dòng)變形，逐漸形成了車轍。因此，需要通過(guò)分析長(zhǎng)大縱坡路段車轍的影響因素，并且提出針對(duì)性的措施，以控制剪應(yīng)力的大小，減少車轍的發(fā)生。

4 長(zhǎng)大縱坡路段路面車轍的影響因素

4.1 縱坡坡度和坡長(zhǎng)

從表1中可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)坡度一定時(shí)，坡長(zhǎng)越長(zhǎng)，車轍越易出現(xiàn)，同理亦然。進(jìn)一步分析，若縱坡坡度保持不變，當(dāng)縱坡坡長(zhǎng)增加1%時(shí)，車轍深度隨之增加0.11 cm；反之，若縱坡坡長(zhǎng)保持不變，當(dāng)縱坡坡度增加1%時(shí)，車轍深度隨之增加0.30 cm，表明縱坡坡長(zhǎng)對(duì)車轍的貢獻(xiàn)率遠(yuǎn)高于縱坡坡度。這可能是由于縱坡坡度的增加對(duì)剪應(yīng)力的增長(zhǎng)幅度較為有限，而縱坡坡長(zhǎng)的增加會(huì)直接引起行駛車輛的車速下降，同時(shí)也導(dǎo)致輪胎與路面作用時(shí)間的延長(zhǎng)。因此，在設(shè)計(jì)階段，就要合理選用坡度與坡長(zhǎng)的組合，盡量避免長(zhǎng)陡坡的發(fā)生。

4.2 行車速度

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

表7 TH高速長(zhǎng)大縱坡路段的車速和車轍結(jié)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(duì)溫度比較敏感，高溫時(shí)易產(chǎn)生流動(dòng)變形，低溫時(shí)又易產(chǎn)生開(kāi)裂。一方面，路面的高溫和環(huán)境溫差直接導(dǎo)致了混合料的抗剪強(qiáng)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(shè)置熱反射涂層以降低路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度。

4.4 瀝青混合料材料特性

4.4.1 混合料及集料級(jí)配

利用上文中提到的圓柱板試件，采用馬歇爾方法設(shè)計(jì)了TH高速各面層瀝青混合料的級(jí)配類型及設(shè)計(jì)級(jí)配，如表8所示。此外，對(duì)典型車轍斷面的芯樣進(jìn)行了篩分試驗(yàn)，如表9所示。

由表8和表9可知，銅黃高速各面層主要級(jí)配類型屬于細(xì)級(jí)配，而各斷面4.75 mm篩孔的通過(guò)率都相對(duì)較大，大都超過(guò)了45%，說(shuō)明集料之間未形成骨架結(jié)構(gòu)，相應(yīng)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(shè)計(jì)時(shí)需要注意優(yōu)化集料級(jí)配，以形成較為密實(shí)的骨架結(jié)構(gòu)。

表8 TH高速不同面層瀝青混合料設(shè)計(jì)級(jí)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(jí)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(huì)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(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)優(yōu)選質(zhì)地堅(jiān)硬，表面粗糙且多棱角的集料，并適當(dāng)提高集料粒徑。

4.4.2 瀝青種類

瀝青種類會(huì)影響相應(yīng)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(qiáng)，中、下面層選用了基質(zhì)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(jié)構(gòu)最主要的抗車轍層，基質(zhì)瀝青的抗剪切能力很不理想，因而導(dǎo)致車轍易在本層發(fā)生，這點(diǎn)也在前述的CSWTT結(jié)果中得到了驗(yàn)證。因此宜在中面層使用抗車轍能力更強(qiáng)的SBS改性瀝青。

4.4.3 瀝青用量

油石比會(huì)對(duì)瀝青混合料的壓實(shí)性能產(chǎn)生重要影響，具體表現(xiàn)為當(dāng)油量較小時(shí)，混合料難以達(dá)到規(guī)定的壓實(shí)度；而當(dāng)油量過(guò)高后，結(jié)構(gòu)瀝青并不會(huì)相應(yīng)地增加，反而自由瀝青對(duì)混合料的潤(rùn)滑作用愈強(qiáng)，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(shuō)明瀝青和瀝青膠漿發(fā)生了橫向流動(dòng)，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(shí)性能和抗車轍能力。

5 結(jié)論

基于車轍現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查、鉆芯取樣和CSWTT測(cè)試，獲得的主要結(jié)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(cè)試結(jié)果，發(fā)現(xiàn)當(dāng)縱坡坡度較大、縱坡長(zhǎng)度較長(zhǎng)時(shí)，瀝青路面車轍最為嚴(yán)重，且長(zhǎng)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(jí)配設(shè)計(jì)，選用高模量瀝青混凝土，在基質(zhì)瀝青中摻加抗車轍劑等措施。

(2)利用自主開(kāi)發(fā)的圓柱形車轍試驗(yàn)(CSWTT)，測(cè)試了長(zhǎng)大縱坡路段路面芯樣的毛體積密度和瀝青含量，結(jié)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(dòng)變形。此外，分析長(zhǎng)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(dòng)變形組成。其中，剪切流動(dòng)變形持續(xù)時(shí)間更長(zhǎng)，對(duì)瀝青路面車轍的影響更為嚴(yán)重。

(3)通過(guò)分析縱坡坡度與坡長(zhǎng)、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(jí)配、瀝青種類、瀝青用量)等內(nèi)部因素對(duì)長(zhǎng)大縱坡車轍的影響，分別提出了選用合理坡度與坡長(zhǎng)組合、考慮重載車輛的最低爬坡速度、設(shè)置熱反射涂層、優(yōu)化集料級(jí)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(shí)建議。