高速公路長大坡路段瀝青路面車轍成因分析

高 鵬 胡旭輝

(1.廣東省長大公路工程有限公司第三分公司，廣東廣州 511431;2.重慶高速公路集團有限公司，重慶 401121)

1 概述

隨著經濟社會不斷發(fā)展，我國高速公路建設逐漸由平原、微丘區(qū)向山嶺重丘區(qū)延伸，受山嶺地區(qū)地形、地貌和地質條件的限制，山區(qū)高速公路線形往往難以達到理想狀態(tài)，局部位置甚至突破規(guī)范值而進行特殊設計。通過調查研究發(fā)現(xiàn)，車轍是山區(qū)高速公路瀝青路面的典型病害之一，嚴重的車轍往往發(fā)生在長大坡路段，而車速(坡度、坡長、車況)、荷載、溫度是產生路面車轍最為直接的三個因素。

本文通過實地調查分析和室內試驗研究調查了長大縱坡路段車轍病害情況，分析了溫度、荷載、縱坡等因素對瀝青路面車轍的影響，以為瀝青路面的設計、施工和養(yǎng)護提供參考。

2 溫度對車轍的影響

根據各地的溫度觀測數據分析，在高溫時路表溫度往往較氣溫高出20℃左右，如處于山區(qū)通風不好的山谷路段或四周高中間低凹路段，甚至可能高出30℃，這是因為瀝青混合料的深色具有很強的吸熱能力，導致瀝青路面溫度較好，而在高溫時段瀝青路面處于長時間高溫狀態(tài)，在荷載的作用下容易產生流動變形，從而形成車轍、推移、壅包等病害。

瀝青混合料是瀝青和集料混和而成，由于瀝青為粘彈塑性體，從而使得瀝青混合料也具有粘彈塑性特性，因此具有明顯的溫度敏感性。

2.1 溫度對瀝青混合料的影響

瀝青混合料的抗車轍指標動穩(wěn)定度隨著溫度的升高而迅速下降，同時變形量增加較快。研究表明，混合料的動穩(wěn)定度在溫度達到瀝青軟化點時將大幅度下降。在軟化點附近的溫度范圍內，瀝青的彈性比例降低，混合料粘結力降低，并發(fā)生粘塑性流動，此時在行車作用下極易產生永久性變形。

2.2 高溫條件下的路面剪應變計算

夏季時瀝青路面表面溫度非常高，導致瀝青混合料的強度和勁度大幅度下降，此時瀝青混合料會產生橫向流動，抗剪強度降低。當抗剪強度進一步下降至小于所受的剪應力時，瀝青混合料就產生剪切變形，在車輛荷載的持續(xù)作用下，形成車轍，甚至成為轍槽。因此計算分析瀝青混合料的剪切應變對于分析瀝青路面結構的車轍損壞特點具有一定的意義。

根據測試某高溫條件下100 kN雙圓荷載條件下的15 cm典型半剛性瀝青路面的最大剪應變和最大剪應變深度情況，可以得出高溫下瀝青混合料的模量極大降低，瀝青混合料內部的應力分布發(fā)生了極大的變化，影響車轍的剪應變急劇增加，極端高溫使得瀝青路面處于極高的剪應變狀態(tài)。每天14點左右，路面溫度最高，此時路面體的結構剪應變也達到最大。

根據某氣溫條件下100 kN雙圓荷載條件下的不同時刻路面結構剪應變較大值沿深度變化情況，可以看出在高溫情況下，瀝青路面結構在標準荷載作用下隨著溫度的上升總體上剪應變的極大值是向面層發(fā)展的;總體來看，剪應變極大值出現(xiàn)在路表面以下1 cm～11 cm的位置，這些位置較容易產生剪切破壞，可見，在高溫條件下，半剛性瀝青路面的表面層、中面層和下面層均會產生剪切破壞，相對而言中面層是產生剪切破壞最嚴重的層位，因此在高溫區(qū)域應該注意加強中面層的抗車轍性能。

3 荷載對車轍的影響

3.1 不同荷載條件對車轍試驗動穩(wěn)定度的影響

通過室內車轍試驗進行對比分析荷載對路面車轍的影響，三種不同瀝青混合料不同荷載在溫度60℃的車轍試驗動穩(wěn)定度結果，發(fā)現(xiàn)隨著荷載壓力的增加，瀝青混合料的動穩(wěn)定度急劇下降。

3.2 高溫條件下超載的結構剪應變分析

由于重交通條件和重(超)載車輛使路面結構的受力狀態(tài)發(fā)生了變化，許多車轍的產生就是由于瀝青混合料不能抵抗較大的剪應變而發(fā)生了破壞，導致車轍的形成。計算表明，隨著軸載的增加，最大剪應變的影響深度逐漸加深，剪應變值不斷加大。在相同條件下最大剪應變隨著荷載增加而增加，但是剪應變的增加并非隨著荷載的增加成正比，剪應變的增加比例與輪胎接地壓力增加比例接近。

3.3 經年溫度實際變化下的不同荷載的車轍預估

考慮不同的荷載條件下瀝青路面車轍的發(fā)展情況，根據試驗和統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)車轍量并非與荷載呈指數增加，實際上車轍量的增加量要低于荷載軸重增加率;但如果路面本來的荷載就屬于重載、超載水平較高，此時如果荷載進一步加重，其對瀝青路面的破壞會更大。

4 路面縱坡對車轍的影響

長大坡是瀝青路面產生車轍的主要路段，主要是因為交通荷載在這些路段的通行狀況與正常路段不同，表現(xiàn)為荷載作用時間變長、瀝青混合料模量降低、荷載水平作用力加大以及結構剪應變的增加，再加上溫度等因素影響，特別是在我國重車超載、動力性能差及駕駛行為不盡規(guī)范的現(xiàn)實情況下，這就使得長大坡路段車轍問題較為突出。

長大坡路段車輛行車速度的衰減受縱坡大小、坡長，車輛的爬坡性能、車輛的載重、海拔高度等影響。

4.1 行車速度對瀝青、瀝青混合料的影響

移動軸載駛過路面結構時，會對路面結構內各點產生應力脈沖，影響荷載作用時間的因素包括行車速度、路面結構形式及結構組合、各層材料特性等參數。行車速度越大，作用時間越短。如法國的力學分析程序中考慮了行車速度不同結構厚度下的(平均)等效作用時間和頻率，可以看出厚度越深，車輛行駛速度越低，作用時間越長，等效頻率越低。

荷載作用時間、頻率的變化對瀝青、瀝青混合料性能產生影響很大，隨著車速的降低，荷載作用時間迅速增加，瀝青粘度隨荷載作用時間的增加而迅速降低。隨著荷載作用時間的增加，瀝青粘度逐漸降低，繼而導致瀝青混合料模量的降低。隨著車速的降低，瀝青混合料的動態(tài)模量也降低。

4.2 重載、慢速條件下的瀝青路面結構剪應變

瀝青混合料屬于粘彈性材料，車速的降低，相當于作用時間的延長，這會直接導致路面的破壞增加;另外荷載頻率的降低，會影響瀝青路面的荷載傳遞，也會影響瀝青路面材料力學性能，如模量的降低，進而影響瀝青路面的應力應變水平和結構應力應變的分布。

考慮20 km/h，40 km/h和80 km/h車速情況，根據半剛性瀝青路面在100 kN，200 kN雙圓荷載條件下的最大剪應變和最大剪應變深度情況，可見隨著車速的降低、最大剪應變迅速增加，即荷載和慢速交通的疊加造成的瀝青路面的破壞非常大。

4.3 重載、慢速及水平應力下的瀝青路面結構剪應變

長大上坡瀝青路面在交通荷載作用下，不僅僅是車速降低和瀝青混合料模量的降低導致結構剪應變的增加，同時在長大坡路段行車荷載的水平阻力的增加導致表面層荷載水平應力的成倍增加，路表剪切應變的增加會引起不確定破壞面的剪切變形，產生推移、壅包等病害。

縱坡的水平力對剪應變的影響主要在面層0 cm～7 cm和下面層的底部，特別是路面下0 cm～3.5 cm處，其中路表面增加最大，且路面溫度越高，增加比例越大，表面層剪應變的增加容易產生表面的推擠、壅包等變形損壞。另外，水平應力的增加也會使下面層的底部剪應變有所增加，但是由于瀝青層底的剪應變水平本身不大，且受縱坡影響增加的比例較小。

5 結語

根據對溫度、荷載和縱坡等影響瀝青路面車轍的主要原因分析和調查，得出以下結論:

1)路面溫度達瀝青軟化點溫度附近時瀝青路面的抗車轍性能急劇下降，因此，山區(qū)高速瀝青路面設計時應加強中面層的抗車轍性能，建議對長大縱坡路段的中面層也進行改性;2)重載和慢速交通的疊加對瀝青路面的破壞非常大，應加強爬坡車道的路面設計。

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