柔性基層瀝青路面車轍演化規(guī)律研究

廖小芳

（湖南省交通規(guī)劃勘察設計院有限公司，湖南永州410203）

1 引言

柔性基層瀝青路面在國外應用廣泛，西非許多國家也普遍采用柔性基層的結構形式。柔性基層瀝青路面的主要病害之一是車轍，一直以來也是學者研究的重點[1~9]。紅土粒料是西非地區(qū)特殊的礫石材料，料源豐富，工程性能良好，在赤道幾內亞等西非國家道路建設中應用廣泛，一般應用于道路底基層，也有使用改良紅土粒料作為基層材料的項目[10，11]，但其用作柔性基層的長期性能及車轍演化規(guī)律尚需進一步驗證研究。本文基于修筑的柔性基層瀝青路面試驗段，采用足尺加速加載試驗方法，對比了6種由紅土粒料和碎石組成的典型路面結構，通過分析車轍變形曲線、最大變形量、車轍變形面積等指標，確定典型路面結構的車轍演化規(guī)律。

2 足尺加速加載試驗方法

2.1 試驗段概況和結構設計

以1∶1的比例建立6種典型路面結構形式。設計面層厚度為5 cm和10 cm，分別適用于輕交通和中交通；設計4種基層形式，具體結構形式見表1。本實驗采用足尺加速加載設備MLS66，為滿足MLS66加載的作業(yè)空間，并保證3次加載帶（1#、2#和3#）互不干擾，結構寬度取6 m，其中，左側和右側分別為3.5 m和2.5 m；長度需滿足作業(yè)空間要求，且加載長度為6.6 m，因此，結構長度取8~12 m，此處取為10 m。

表1 6種典型路面結構形式

2.2 材料性能

試驗材料包括石灰土、紅土粒料系材料（天然紅土粒料、水穩(wěn)紅土粒料、摻碎石紅土粒料）、未篩分碎石、瀝青混合料（瀝青穩(wěn)定碎石ATB和瀝青混凝土AC）等，未篩分碎石是軋石機軋出來的粒徑大小不一的碎石混合料，摻碎石紅土粒料是綜合未篩分碎石與紅土粒料的級配特點，以1∶1配合而成，水穩(wěn)紅土粒料則是在天然紅土粒料中摻加3%水泥。7%石灰土是為了模擬當地板結高強度的路基土條件，瀝青穩(wěn)定碎石ATB-25C、瀝青混凝土AC-13C和瀝青混凝土AC-20C均按照標準材料設計。

天然紅土粒料的細料和大粒徑料偏多，中間粒徑料偏少，而未篩分碎石的細料偏少，二者都是級配不良。摻碎石紅土粒料的級配得到有效改良，位于規(guī)范一級路上下限之間。同時，比較5種筑路材料的CBR（加州承載比）和現場承載板模量可知，未篩分碎石和摻碎石紅土粒料的CBR最大，均超過120，但水穩(wěn)紅土粒料基層的承載板模量更高，這與其板結硬化有關。鋪設完瀝青層后，結構C的現場承載板模量最大，其他結構模量接近，均處于250~290 MPa。

2.3 加載方案

足尺加速加載試驗（APT）的軸載近似模擬法國標準軸載，雙輪軸載60 kN，胎壓0.662 MPa，加載速度22 km/s；模擬真實氣候環(huán)境，氣溫一般在20~35℃，故本文僅在冬季低溫環(huán)境加熱至20~35℃（2017年2月7日~2017年3月8日采用加熱板），不設高溫條件。3個輪跡帶位置依次按照圖1中1#、2#、3#的順序開展加載。輪跡帶1#、2#加載結束后，加鋪瀝青混凝土AC-13C上面層，再加載輪跡帶3#。3個輪跡帶實際加載次數分別為4×105次、1.06×106次和1×106次。采用MLS66配套的斷面儀測量車轍變化，每條輪跡帶都有7個橫向測試斷面，如圖1所示，其中，1~3號斷面屬于結構A、結構C、結構E，5~7號斷面屬于結構B、結構D、結構F。4號斷面位于結構交界處。對于1#輪跡帶，前5.5×104次，每1×104次測量1次，5.5×104次后，每1.5×104次測量1次；對于輪跡帶2#和3#，前1×105次每1×104次測量1次，1×105次后，每2×104次測量1次。

圖1 結構平面尺寸

3 試驗結果

3.1 車轍變形曲線

分析6種結構的車轍變形曲線（以結構F為例，見圖2），發(fā)現各結構均為整體凹陷變形，結構A、結構B、結構D、結構E、結構F的斷面兩側的車轍凹陷橫向長度為800~960 mm，斷面中間的隆起橫向長度約為150 mm，兩側無隆起；結構C的斷面兩側車轍凹陷橫向長度超過1 000 mm，橫向長度比其他結構大，車轍變形橫向分布更均勻；未篩分碎石基層（結構C和結構E）的隆起高度比＞摻碎石紅土粒料基層（結構B和結構F）的隆起高度比＞水穩(wěn)紅土粒料基層（結構D）的隆起高度比，說明了水穩(wěn)紅土粒料層呈現整體凹陷最顯著。

圖2 結構F的車轍變形曲線

3.2 斷面最大變形量

統(tǒng)計各結構隨加載次數的最大車轍變形量，即最大隆起高度與最大凹陷深度之和。按照國內外柔性基層瀝青路面車轍控制標準，美國以最大車轍變形量25 mm代表車轍損壞嚴重級。我國以25 mm為輕度和重度車轍的界限值。因此，本文以25 mm作為車轍損壞的參考標準。分別采用1＃輪跡帶3號、5號斷面，2＃輪跡帶3號、5號斷面，3＃輪跡帶3號、5號斷面為結構A、結構B、結構C、結構D、結構E、結構F的代表斷面，做出代表斷面的最大變形量隨加載次數的變化曲線，如圖3所示。

由圖3可知，最大變形量與加載次數之間呈冪函數關系，最大變形量曲線均表現出先快速上升后平穩(wěn)增長的趨勢；5 cm瀝青層的加載早期車轍增長最快；10 cm瀝青層3條曲線接近，穩(wěn)固增長，水穩(wěn)紅土粒料早期開裂導致加載2×105~6×105次時車轍增長快；20 cm瀝青層的車轍最小、增長最慢，加載8×105次基本趨于穩(wěn)定。

圖3 代表斷面車轍最大變形量變化規(guī)律

3.3 車轍變形面積

車轍變形僅能反映某一點的變形特性，不能反映路面整體結構的變形情況。通過計算路面車轍變形面積，可以得出車轍凹陷面積、車轍隆起面積等。車轍變形面積曲線變化趨勢與最大變形量變化圖基本相同，但加載至后期，5 cm瀝青層的2種結構凹陷面積差距比最大變形量2條曲線差距減小，10 cm瀝青層的3種結構凹陷面積差距也比最大變形量的3條曲線要小，說明了雖然結構B的最大變形量比結構A大得多，但整體凹陷面積相差不大，這是由于結構A橫向凹陷寬度增加引起的。結構D、結構E、結構F也具備相同規(guī)律，說明了加載后期，摻碎石紅土粒料和水穩(wěn)紅土粒料的車轍變形主要體現在深度增加，而其他結構雖然深度增加較緩，但寬度增加加快，變形呈向水平面擴展。

4 結論

1）所有柔性基層結構均表現為整體凹陷變形，屬于結構性車轍，車轍隨著加載而逐漸變大；厚瀝青層車轍橫向分布更均勻，水穩(wěn)紅土粒料層隆起高度比最小，整體凹陷最顯著。

2）最大變形量與加載次數之間呈冪函數關系；瀝青層越薄，早期車轍增長越快，僅在3×105軸次時達到車轍破壞，而瀝青層越厚，總車轍越小、增長越緩，20 cm瀝青層的車轍在1×106次僅達到輕微車轍標準，這是由于瀝青層越厚，基層底基層豎向應力越小，基層變形量減少。

3）對于柔性基層，基層抗車轍能力排序：瀝青穩(wěn)定碎石+未篩分碎石＞未篩分碎石≥摻碎石紅土粒料＞水穩(wěn)紅土粒料；面層抗車轍能力排序：20 cm瀝青層＞10 cm瀝青層＞5 cm瀝青層。

4）加載后期，摻碎石紅土粒料和水穩(wěn)紅土粒料的車轍變形主要體現在車轍深度的增加，而其他結構雖然車轍深度增加減緩，但橫向凹陷寬度增加加快，變形呈向水平兩側擴展。