大交通量、輕荷載對瀝青路面車轍影響研究

余海洋

（鄭州市市政工程勘測設(shè)計研究院，河南鄭州 450052）

0 前言

隨著我國高等級道路工程的大量修建,瀝青路面發(fā)展迅速。瀝青混合料是一種典型的熱流變材料,在夏季高溫季節(jié),材料表現(xiàn)為彈、粘-塑性體或粘-塑性體。瀝青混合料在荷載作用下產(chǎn)生較大的塑性變形,特別是在城市道路中,由于渠化交通的作用,荷載及荷載重復(fù)次數(shù)的增加,導(dǎo)致塑性變形的累積。在炎熱地區(qū)，很多瀝青路面都出現(xiàn)了泛油、車轍等高溫穩(wěn)定性不夠的問題,嚴重影響瀝青路面平整度與行車安全。

根據(jù)車轍形成機理，車轍通常可分為以下三類:磨耗型車轍、結(jié)構(gòu)型車轍和失穩(wěn)型車轍。在路面車轍中，一般以失穩(wěn)型車轍為主。對于瀝青路面結(jié)構(gòu)，車轍的形成主要有兩部分：一部分車轍為各結(jié)構(gòu)層在荷載作用下的進一步壓實引起的永久變形的積累，另一部分是結(jié)構(gòu)層材料承受不了車輛作用而產(chǎn)生剪切形變和側(cè)向移動的不可恢復(fù)變形的積累。

本文針對鄭州市舊路改造項目采用的瀝青加鋪結(jié)構(gòu)進行全厚度車轍試驗，就大交通量、輕荷載對瀝青路面結(jié)構(gòu)的影響進行研究。

1 輕荷載車轍試驗

1.1 試驗輕荷載標準

根據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》（JTJ052-2000）規(guī)定，車轍試驗的試驗溫度為60℃，輪壓為0.7MPa。為了解輕荷載對路面的影響，本次試驗利用改進的ZCZ-7型自動車轍試驗儀，針對擬定瀝青結(jié)構(gòu)層進行了全厚度車轍試驗[1]。

根據(jù)有關(guān)文獻研究的結(jié)果，輪胎因花紋的存在，使有效接地面積小于虛面積?？紤]荷載作用面積的折減，當輪胎的平均接地壓力為0.45MPa，對于橫向花紋輪胎，當胎壓為250 kPa時，單輪負荷約7.0 kN；當胎壓為390 kPa時，單輪負荷約6.5 kN。對于走向花紋輪胎，當胎壓為250 kPa時，單輪負荷約7.1 kN；當胎壓為390 kPa時，單輪負荷約5.2 kN[2]。根據(jù)中國汽車車型手冊，輕型貨車輪胎，以6.5－16型號的輪胎最為普遍[3]。一般而言，輕型貨車輪胎以走向花紋居多，只有少量的橫向花紋。因此，當胎壓為250 kPa時，輪壓0.45MPa相當于走向花紋輪胎的輕型車重約28 kN（包括車輛的前、后軸）；當胎壓為390 kPa時，輪壓0.45MPa相當于走向花紋輪胎的輕型車重約21 kN（包括車輛的前、后軸）。本試驗采用0.45MPa荷載就是盡量模擬城市道路上占總交通量80%以上的小客車、面包車、輕型貨車等對瀝青路面車轍的影響情況。

1.2 大交通量的模擬

常規(guī)車轍試驗連續(xù)測試的時間為1 h，本次全厚度車轍試驗的時間均為5 h，相當于加載次數(shù)18 000次。從試驗原始數(shù)據(jù)曲線（見圖1）可以看出，車轍總量隨時間的變化逐漸趨于穩(wěn)定，5 h以后變形隨時間幾乎呈線性變化。

圖1 0.45MPa時不同溫度下變形隨時間變化圖

1.3 試驗條件

瀝青混合料是一種粘彈性材料，其強度和模量都隨溫度升高而急劇下降。鄭州地區(qū)屬夏炎熱地區(qū)，且高溫持續(xù)時間長。由于溫度是影響動穩(wěn)定度和車轍深度的重要因素，本次試驗在60℃、65℃、70℃的溫度下分別做了擬定瀝青結(jié)構(gòu)層全厚度車轍試驗，試驗荷載為0.45MPa，每組試件連續(xù)測試時間為5 h。全厚度車轍試驗對象為鄭州市舊路改造項目采用的瀝青加鋪結(jié)構(gòu)，其主要路面結(jié)構(gòu)層見圖2。

圖2 設(shè)計路面各結(jié)構(gòu)層示意圖（15 cm）

1.4 試驗結(jié)果

在0.45MPa輪壓下，溫度分別為60℃、65℃、70℃時，針對瀝青路面結(jié)構(gòu)層進行全厚度車轍試驗的結(jié)果見表1。車轍試驗曲線見圖1。

表1 0.45MPa輪壓下全厚度（15 cm）車轍試驗結(jié)果

2 試驗數(shù)據(jù)分析

由圖1可以看出，車轍變形隨著時間的增加而增加，溫度越高，變形越大。但對于同一瀝青路面結(jié)構(gòu)，溫度越高，只是前期的變形速率（切線斜率)較大，3 h以后幾乎呈線性變化，變化趨勢都比較穩(wěn)定且相差不大。將表1的試驗結(jié)果繪成直方圖（見圖3和圖4），可以更清楚地了解在輕荷載作用下，動穩(wěn)定度和車轍深度隨溫度的變化趨勢。

圖3 0.45MPa時動穩(wěn)定度隨溫度變化圖

圖4 0.45MPa時車轍深度隨溫度變化圖

從圖3和圖4可以看出，當荷載為0.45MPa時，溫度從60℃上升到65℃，動穩(wěn)定度降低了36.6%，車轍深度則增加了41.7%；溫度從65℃上升到70℃，動穩(wěn)定度降低了45.0%，車轍深度則增加了21.9%。本次試驗路面結(jié)構(gòu)上面層為改性SMA-13瀝青混合料，中面層也為改性AC-25瀝青混合料，兩種瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性都較好。在溫度為70℃，0.45MPa的輪壓下進行全厚度車轍試驗5 h，車轍深度達2.297 mm，見圖1和表1。當然，不同條件下的試驗結(jié)果會有所不同，但其變化規(guī)律值得借鑒。

為了了解輕荷載對車轍深度和動穩(wěn)定度的影響程度，本次試驗還做了0.7MPa標準荷載下，60℃、65℃、70℃全厚度（15 cm）車轍試驗，試驗結(jié)果見表2，變形隨時間變化見圖5。

表2 0.7MPa輪壓下全厚度(15 cm)車轍試驗結(jié)果

圖5 0.7MPa時不同溫度下變形隨時間變化圖

由圖5可以看出，在0.7MPa的輪壓下，車轍變形也隨著時間的增加而增加，溫度越高，變形越大，3 h以后變形幾乎都呈線性變化，比較穩(wěn)定。

將輕荷載(0.45MPa)全厚度車轍試驗和標準荷載(0.7MPa)試驗結(jié)果比較，見圖6和圖7。

圖6 0.45MPa與0.7MPa動穩(wěn)定度結(jié)果比較

圖7 0.45MPa與0.7MPa車轍深度結(jié)果比較

從圖6和圖7中可以看出：

（1）無論何種溫度，0.45MPa輪壓下的動穩(wěn)定度都比0.7MPa輪壓下的動穩(wěn)定度大，車轍深度都比0.7MPa輪壓下的車轍深度小。

（2）無論何種溫度，0.45MPa輪壓下的動穩(wěn)定度和0.7MPa輪壓下的動穩(wěn)定度差別較大，而5 h的車轍深度差別相對較小。

（3）無論何種溫度，在大交通量的作用下，輪壓的變化對動穩(wěn)定度的影響比對車轍深度的影響大。

動穩(wěn)定度和車轍深度只能反映45～60 min和5小時的變形情況，為了更清楚地了解5 h內(nèi)各個時間變形的變化情況，在不同溫度下，將0.45MPa和0.7MPa的變形曲線相比較，見圖8～圖10。

圖8 60℃時變形隨時間變化曲線圖

圖9 65℃時變形隨時間變化曲線圖

圖10 70℃變形時隨時間變化曲線圖

從圖8～圖10中可以看出：0.45MPa和0.7MPa在3 h以后的變形速率都趨于穩(wěn)定，但0.7MPa的變形速率比0.45MPa的變形速率（斜率）大。

在車轍深度與時間的半對數(shù)圖上，時間與車轍深度之間用直線來擬合有較好的相關(guān)性，不同溫度和荷載下的擬合方程及相關(guān)系數(shù)見表3。

表3 不同溫度下的擬合方程及相關(guān)系數(shù)

為了了解在0.45MPa的輪壓下，瀝青路面經(jīng)車輛反復(fù)碾壓后車轍深度的變化情況，對其擬合直線方程求極限，并和0.7MPa相比較。以60℃為例，作下列計算：

由上可知，溫度為60℃時，在0.45MPa的輪壓下，瀝青路面經(jīng)車輛反復(fù)碾壓后，其車轍深度相當于0.7MPa輪壓的54.78%。同樣可以求得，在65℃溫度下，k65℃=0.6247，在 7 0℃溫度下，k70℃=0.6348。其變化趨勢見圖11。

圖11 0.45MPa和0.7MPa車轍深度關(guān)系趨勢圖

從圖11可以看出，隨著溫度的升高，K值逐漸增大，表明在0.45MPa輪壓下的車轍變形越接近于0.7MPa輪壓下的車轍變形。溫度較高時，輕荷載引起的車轍變形約相當于標準荷載0.7MPa引起的車轍變形的60%左右。

3 結(jié)論

通過本次大交通量、輕荷載的全厚度車轍試驗，并和0.7MPa標準荷載下車轍試驗對比,可以得出如下結(jié)論:

（1）輕荷載對瀝青路面的作用，主要表現(xiàn)在蠕變變形的積累和剪切破壞上，特別是在高溫，大交通量的情況下，瀝青混合料的蠕變變形增大，輪胎兩側(cè)的接地壓力和剪應(yīng)力增大，導(dǎo)致瀝青路面產(chǎn)生較深車轍。

（2）當?shù)貐^(qū)溫度較高時，原來意義上對瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計不構(gòu)成影響的輕型車（小于30 kN），對動穩(wěn)定度和車轍深度的影響不容忽視。

（3）在瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計時，應(yīng)考慮總重為15～30 kN輕型車（包括車輛的前、后軸）對瀝青路面車轍的影響，其對瀝青路面車轍的影響相當于標準荷載的60%左右。

[1] 李申惠,廖衛(wèi)東,李向東,等.超載、超高溫條件下全厚式路面車轍試驗研究[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報,2003(12):13-16.

[2] 胡小弟,孫立軍.輕型貨車接地壓力分布實測[J].公路交通科技,2005(8):1-7.

[3] GB 516O89,載重汽車斜交輪胎[S].