環(huán)境因素對車轍影響的灰色關(guān)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(xué)硅酸鹽建筑材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(dá)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(gè)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(jìn)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(jié)構(gòu)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(guān)聯(lián)度方法，對溫度、速度、荷載3個(gè)影響車轍的因素進(jìn)行研究，為正確認(rèn)識(shí)車轍危害，優(yōu)化交通結(jié)構(gòu)，解決車轍問題提供參考。

1 試驗(yàn)原材料、級配和車轍試驗(yàn)設(shè)計(jì)

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(biāo)

表2 玄武巖集料主要性能指標(biāo)

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

表3 AC-13集料篩分結(jié)果及其配合比

圖1 AC-13合成級配曲線圖

按照J(rèn)TG E20-2011 《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》中T0719-2011方法，選取60 ℃，42 r/min，0.7 MPa為標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)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(shí)控制多個(gè)實(shí)驗(yàn)參數(shù)。當(dāng)研究某個(gè)因素的影響時(shí)，其他2個(gè)因素保持不變。如探究溫度影響時(shí)，荷載強(qiáng)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(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)，得到動(dòng)穩(wěn)定度為7 674次，車轍深度為1.2 mm。

2 車轍試驗(yàn)

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(qiáng)度和模量隨溫度變化很大[4]。在低溫時(shí)，瀝青主要呈現(xiàn)彈性特征，因此低溫時(shí)因荷載造成的變形會(huì)很快恢復(fù)。在高溫時(shí)瀝青主要呈現(xiàn)粘性特征，瀝青混合料中的瀝青膠漿會(huì)軟化流動(dòng)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(dá)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(yàn)選取了60，65，70，75，80 ℃ 5個(gè)溫度，為盡可能反應(yīng)瀝青路面的真實(shí)情況，控制車轍試件的表面溫度為試驗(yàn)溫度。每個(gè)車轍試件在試驗(yàn)前控溫6 h以上。

不同溫度下的車轍試驗(yàn)結(jié)果見圖2，試驗(yàn)結(jié)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(dòng)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(dòng)穩(wěn)定度下降了39%，車轍深度增加了17%。當(dāng)溫度升高到80 ℃時(shí)，動(dòng)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(dòng)使車轍變形增大。

圖2 不同溫度下的車轍測試結(jié)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(shí)間。行車速度越慢，荷載在一個(gè)點(diǎn)上停留的時(shí)間就越長，形成的車轍就越嚴(yán)重。調(diào)查結(jié)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(yán)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(yàn)結(jié)果見圖3，試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著輪碾速度的降低，車轍深度加大，動(dòng)穩(wěn)定度降低，整體呈指數(shù)形式。當(dāng)輪碾速度由正常的42 r/min減小到6 r/min時(shí)，動(dòng)穩(wěn)定度減小了81%，車轍深度增加了200%。由瀝青材料的時(shí)溫等效原則[7-8]可知，降低行車速度，相當(dāng)于變相增加了試驗(yàn)的溫度。而結(jié)果呈現(xiàn)的指數(shù)規(guī)律也很好地印證了瀝青的時(shí)溫等效性。由此可知，重載車輛低速行駛對高速公路的運(yùn)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(fù)擔(dān)，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(yīng)設(shè)法保證車輛的行進(jìn)速度。

圖3 不同速度下的車轍測試結(jié)果

2.3 荷載對車轍的影響

隨著交通運(yùn)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(qiáng)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(yùn)營中超載車輛比例很高，且超載量特別大，最高可達(dá)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(jié)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(dāng)胎壓小于0.7 MPa時(shí)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(yùn)輸中所占的比重很小。因此本次試驗(yàn)選擇0.7，0.8，0.9，1.0，1.1 MPa 5個(gè)荷載強(qiáng)度進(jìn)行試驗(yàn)。

不同荷載下的車轍試驗(yàn)結(jié)果見圖4，試驗(yàn)結(jié)果表明荷載對瀝青路面的影響基本呈線性趨勢。當(dāng)胎壓從0.7 MPa升高到1.1 MPa時(shí)，動(dòng)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(dāng)嚴(yán)重，在公路運(yùn)營當(dāng)中應(yīng)該嚴(yán)格控制。

圖4 不同荷載下的車轍測試結(jié)果

3 灰色關(guān)聯(lián)度分析

灰色關(guān)聯(lián)度分析即應(yīng)用關(guān)聯(lián)度分析灰色系統(tǒng)中各個(gè)子系統(tǒng)之間關(guān)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(gè)子系統(tǒng)或因素之間的關(guān)系。關(guān)聯(lián)度反應(yīng)了因素之間在發(fā)展過程中的關(guān)聯(lián)程度，在發(fā)展過程中，若2個(gè)因素的變化趨勢一致，則兩者的聯(lián)系較高。

灰色關(guān)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(jìn)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(guān)聯(lián)系數(shù)；④求關(guān)聯(lián)度；⑤對關(guān)聯(lián)度排序。

匯聚將試驗(yàn)原始數(shù)據(jù)見表4。

表4 灰色關(guān)聯(lián)度原始數(shù)據(jù)

做均一化處理，得到結(jié)果見表5。

表5 均一化處理結(jié)果

選擇動(dòng)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(guān)聯(lián)度，最后將同一序列的關(guān)聯(lián)度取平均值，作為這個(gè)序列的關(guān)聯(lián)度。通過計(jì)算，溫度與動(dòng)穩(wěn)定度的關(guān)聯(lián)度為0.759，胎壓與動(dòng)穩(wěn)定度的關(guān)聯(lián)度為0.769，輪碾速度與動(dòng)穩(wěn)定度的關(guān)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(fù)以上計(jì)算過程。得到結(jié)果為溫度與車轍深度的關(guān)聯(lián)度為0.902，胎壓與車轍深度的關(guān)聯(lián)度為0.872，輪碾速度與車轍深度的關(guān)聯(lián)度為0.790。

通過灰色關(guān)聯(lián)度分析發(fā)現(xiàn)，溫度、荷載強(qiáng)度和輪碾速度與車轍的關(guān)聯(lián)度都很高。對于動(dòng)穩(wěn)定度三者的關(guān)聯(lián)度由大到小順序?yàn)椋汉奢d強(qiáng)度>溫度>輪碾速度，對于車轍深度三者的關(guān)聯(lián)度大小順序?yàn)椋簻囟?荷載強(qiáng)度>輪碾速度。綜合來看，溫度對車轍變形的影響與荷載強(qiáng)度相當(dāng)，輪碾速度對車轍變形的影響最小。

4 結(jié)論

通過相關(guān)實(shí)驗(yàn)可知，瀝青路面車轍病害的形成除瀝青混合料自身結(jié)構(gòu)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(guān)系。高溫、重載、低速都是導(dǎo)致車轍變形增加的重要原因。

通過灰色關(guān)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(dòng)穩(wěn)定度的關(guān)聯(lián)度由大到小順序?yàn)椋汉奢d強(qiáng)度>溫度>輪碾速度，對于車轍深度的關(guān)聯(lián)度大小順序?yàn)椋簻囟?荷載強(qiáng)度>輪碾速度。溫度和荷載強(qiáng)度的關(guān)聯(lián)度相差不大，而輪碾速度的關(guān)聯(lián)度明顯小于前兩者。因此在道路交通管理當(dāng)中，應(yīng)將超載車輛作為重點(diǎn)管理對象，同時(shí)合理安排在高溫天氣下的貨物運(yùn)輸。

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