高速公路瀝青路面車轍發(fā)展規(guī)律及影響因素分析*

張征宇 劉林林 盧 勇

(1.常熟市交通工程管理處 蘇州 215500； 2.蘇交科集團(tuán)股份有限公司 南京 211112；3.新型道路材料國家工程實(shí)驗(yàn)室 南京 211112)

車轍病害是江蘇省高速公路瀝青路面的典型病害之一，車轍深度一直以來是瀝青路面研究的重點(diǎn)。針對瀝青路面的高溫穩(wěn)定性，全世界范圍內(nèi)已經(jīng)開展了全面、深入的研究，現(xiàn)有的研究成果能夠較全面地分析車轍成因，提供一些有效的改進(jìn)措施。但車轍依舊是高速公路瀝青路面的典型病害，由此可見，車轍并不是能完全杜絕的一類路面病害，尤其在特定的氣候環(huán)境和交通條件下，車轍總是不可避免，但可以基于車轍影響因素的研究，掌握車轍的成因，從而提供瀝青路面車轍病害的改善措施。

車轍發(fā)展的過程也是瀝青路面損傷的過程，隨著使用年限的增長，瀝青路面抗車轍變形能力在逐步減弱，按照瀝青路面高溫蠕變發(fā)展的三階段可知：第三階段永久變形發(fā)展很快，屬于失穩(wěn)破壞。因此，第二階段和第三階段的臨界點(diǎn)也是車轍失穩(wěn)破壞的臨界點(diǎn)，為了避免產(chǎn)生過大車轍病害，需采取必要的措施盡量延長達(dá)到該臨界點(diǎn)的時間，解決該技術(shù)問題的關(guān)鍵是要掌握瀝青路面使用過程中車轍發(fā)展規(guī)律。因此，為了深入掌握不同交通等級路面車轍深度的發(fā)展規(guī)律，分別選擇滬寧高速、淮鹽高速、沿江高速、新?lián)P高速、連徐高速等重載交通路段，開展車轍深度的時空演變規(guī)律研究，分析主要影響因素并建立車轍深度預(yù)測模型。

1 車轍深度隨時間的發(fā)展規(guī)律

分別選擇淮鹽高速(路段D7)、沿江高速(路段D9)、新?lián)P高速(路段D13和D16)、連徐高速(路段D14)、滬寧高速(路段D5和D6)，繪制車轍深度隨通車時間的變化圖，見圖1。其中，D9、D13、D16和D14為重交通，D5和D6為特重交通，D7為中等交通(對比路段)。

圖1 車轍深度隨時間發(fā)展規(guī)律

由圖1可知，隨著通車時間的增長，路面車轍深度逐漸增大，并表現(xiàn)出初期增長迅速，之后逐漸趨于平穩(wěn)發(fā)展的規(guī)律，基本符合車轍形成的前2個階段，即初期壓密階段和中期混合料流變階段，目前，尚不存在第三階段，即后期剪切破壞階段。由于交通等級的不同，車轍形成的階段特征存在一定的差異性。

由上述可知，車轍在初期壓密的第一階段，車轍深度增長相對較快，而后逐漸進(jìn)入了緩慢穩(wěn)定增長的混合料流變第二階段，因此，本文提出對于第一階段采用對數(shù)函數(shù)進(jìn)行回歸，對第二階段采用logistics函數(shù)進(jìn)行回歸，建立車轍深度兩階段模型，見式(1)、式(2)。

y(x)=alnx+b(t≥t0)

(1)

(2)

式中：根據(jù)相關(guān)研究結(jié)論，中、重、特重3種交通等級條件下的路面車轍深度進(jìn)入第二階段的時間分別取7年、5年和3年，由此計(jì)算的結(jié)果見表1。

表1 不同交通等級的車轍深度預(yù)測模型

為了驗(yàn)證上述車轍深度預(yù)測模型，采用其他不同交通等級路段的車轍深度數(shù)據(jù)，計(jì)算了每年的車轍深度預(yù)測值，并與實(shí)測值進(jìn)行對比，結(jié)果見圖2。

圖2 不同交通等級的車轍深度預(yù)測值與實(shí)測值對比

由圖2可見，所建立的兩階段模型車轍深度預(yù)測值與實(shí)際值之間的殘差維持在2 mm以內(nèi)，相關(guān)性達(dá)到了0.9左右，具有較高的預(yù)測精度，所建立的模型可靠，可選擇該模型對高速公路瀝青路面進(jìn)行車轍深度預(yù)估，為后期養(yǎng)護(hù)決策方案提供參考依據(jù)。

2 車轍深度隨空間的分布規(guī)律

分別針對不同高速公路斷面進(jìn)行取芯，通過測量不同層位的厚度，計(jì)算車轍貢獻(xiàn)率和變形度指標(biāo)，通過變形度指標(biāo)可以評價不同結(jié)構(gòu)層變形率與該結(jié)構(gòu)層厚度比例之間的關(guān)系，當(dāng)Hi=1時，表示該結(jié)構(gòu)層變形率與該結(jié)構(gòu)層厚度占總厚度的比例相同，即結(jié)構(gòu)層的變形率與厚度比例是一致的，當(dāng)Hi>1時，表示該結(jié)構(gòu)層變形率大于該結(jié)構(gòu)層厚度占總厚度的比例，變形較為嚴(yán)重，而當(dāng)Hi<1時，表示該結(jié)構(gòu)層變形率小于該層厚度占總厚度的比例，變形較輕[2-3]。

2.1 車轍貢獻(xiàn)率

不同層位車轍深度貢獻(xiàn)率指標(biāo)表示不同層位的變形對整體車轍的貢獻(xiàn)程度，貢獻(xiàn)率Ci按式(3)計(jì)算。

Ci=Δi/Δ

(3)

式中：Δi為第i層的變形量，mm；Δ為總變形量，mm。

2.2 變形度

不同層位變形度指標(biāo)表示各結(jié)構(gòu)層的變形情況，變形度Hi按式(4)計(jì)算。

Hi=(Δi/Δ)/(hi/h)

(4)

式中：hi為第i層厚度，mm；h為路面結(jié)構(gòu)總厚度，mm。

根據(jù)不同層位的芯樣厚度測量結(jié)果計(jì)算車轍貢獻(xiàn)率和變形度，結(jié)果見圖3。由圖3可見，不同斷面的各層位車轍貢獻(xiàn)率基本表現(xiàn)出中面層最大，上面層和下面層除D5段外均較小。

不同層位車轍貢獻(xiàn)率與車轍深度間的關(guān)系見圖4。

圖4 不同層位車轍貢獻(xiàn)率與車轍深度之間的關(guān)系

由圖4可見，上面層和中面層車轍貢獻(xiàn)率與車轍深度存在一定的線性相關(guān)性，隨著車轍深度的增加，上面層貢獻(xiàn)率逐漸減小，中面層貢獻(xiàn)率逐漸增大，而下面層貢獻(xiàn)率與車轍深度沒有明顯的相關(guān)關(guān)系。由此可見，隨著車轍深度的增加，瀝青路面車轍深度逐漸由上面層下移至中面層。

3 車轍深度影響因素分析

3.1 荷載的影響

根據(jù)不同高速公路斷面的車轍深度和當(dāng)量軸載作用次數(shù)(ESAL)，建立二者之間的相關(guān)性[4-5]，結(jié)果見圖5。由圖5可見，車轍深度隨著ESAL的增加而逐漸增大，二者之間存在較好的線性相關(guān)性，表明荷載是路面產(chǎn)生車轍病害的影響因素之一。

圖5 車轍深度與累計(jì)當(dāng)量軸次之間的相關(guān)關(guān)系

3.2 材料的影響

分別針對不同高速公路斷面的取芯芯樣開展?jié)h堡車轍試驗(yàn)，分析漢堡車轍深度與路面車轍深度和車轍年增量的影響關(guān)系，結(jié)果見圖6、圖7。

圖6 路面車轍深度與漢堡車轍深度相關(guān)關(guān)系

圖7 路面車轍與漢堡車轍深度相關(guān)關(guān)系

由圖6、圖7可見，路面車轍深度和車轍年增量指標(biāo)與漢堡車轍深度之間存在一定的線性相關(guān)關(guān)系，隨著漢堡車轍深度的增加，路面車轍深度和車轍年增量逐漸增大，下面層材料與宏觀指標(biāo)之間的相關(guān)性更好。由于中面層采用改性瀝青混合料，下面層采用普通瀝青混合料。因此，下面層的車轍深度和車轍年增量增加幅度相對較快。

另外，針對不同路段的車轍年增量進(jìn)行對比，結(jié)果見圖8。

圖8 不同路段的車轍年增量對比

由圖8可見，雙層改性瀝青路面的車轍年增量相對較小，而單層改性瀝青和三層普通瀝青的車轍年增量明顯較大，也進(jìn)一步說明了材料性能對于車轍的產(chǎn)生有一定影響。

3.3 綜合影響

瀝青路面車轍深度的產(chǎn)生是荷載、溫度、材料等綜合因素的交互影響，對于實(shí)體工程而言，瀝青路面原本就是在各種綜合因素的長期作用下而產(chǎn)生車轍。因此，車轍深度隨通車時間的變化本身就體現(xiàn)了各種因素的綜合影響?；诖耍⒌湫吐范诬囖H深度與通車時間的相關(guān)關(guān)系，結(jié)果見圖9。

圖9 車轍深度與通車時間之間的相關(guān)關(guān)系

由圖9可見，車轍深度與通車時間之間具有較好的冪函數(shù)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)R2達(dá)到了0.55。在各種因素長期反復(fù)作用下，車轍深度隨通車時間的增加而不斷增長，增長速度先快后慢，符合車轍增長的三階段規(guī)律。

4 結(jié)論

1) 隨著通車時間的不斷增長，路面車轍深度逐漸增大，并表現(xiàn)出初期增長迅速，之后逐漸趨于平穩(wěn)發(fā)展的規(guī)律，基本符合車轍形成的前兩個階段，即初期壓密階段和中期混合料流變階段，目前，尚不存在第三階段，即后期剪切破壞階段。

2) 基于歷年檢測數(shù)據(jù)，所建立的兩階段模型車轍深度預(yù)測值與實(shí)際值之間的殘差維持在2 mm以內(nèi)，相關(guān)性達(dá)到了0.9左右，具有較高的預(yù)測精度，所建立的模型可靠。

3) 不同斷面的各層位車轍貢獻(xiàn)率基本表現(xiàn)為中面層最大、上面層和下面層較小，上面層和中面層車轍貢獻(xiàn)率與車轍深度存在一定的線性相關(guān)性，隨著車轍深度的增加，上面層貢獻(xiàn)率逐漸減小，中面層逐漸增大，而下面層貢獻(xiàn)率與車轍深度沒有明顯的相關(guān)關(guān)系。

4) 車轍深度隨著ESAL的增加而逐漸增大，二者之間存在較好的線性相關(guān)性。雙層改性瀝青路面的車轍年增量相對較小，而單層改性瀝青和三層普通瀝青的車轍年增量明顯較大。荷載和材料性能對于車轍的產(chǎn)生有一定的影響。