瀝青路面車轍預(yù)估及其控制標(biāo)準(zhǔn)

摘要：隨著經(jīng)濟(jì)建設(shè)的快速發(fā)展，公路交通量的不斷增加，交通渠化以及重型車輛的出現(xiàn)，路面車轍問題逐漸突出。本文分析了瀝青路面車轍形成的機(jī)理，對(duì)瀝青路面車轍預(yù)估方法進(jìn)行了評(píng)述，并討論了瀝青路面車轍的控制標(biāo)準(zhǔn)。

關(guān)鍵詞：瀝青路面 車轍 機(jī)理 預(yù)估 控制標(biāo)準(zhǔn)

概述

隨著公路運(yùn)輸量日益增長和運(yùn)輸向重型化發(fā)展，尤其是高等級(jí)公路渠化交通的運(yùn)行，高等級(jí)公路瀝青路面的車轍日趨嚴(yán)重。由于路面上產(chǎn)生過大車轍，將會(huì)產(chǎn)生如下不利影響：

(1)路表過量的變形影響路面的平整度；

(2)輪跡處瀝青層厚度減薄，削弱了路面整體強(qiáng)度，易于誘發(fā)其它病害；

(3)雨天車轍內(nèi)積水導(dǎo)致車輛出現(xiàn)水漂，影響高速行車的安全性；

(4)在冬季車轍槽內(nèi)聚冰，降低路面的抗滑能力，導(dǎo)致行車危險(xiǎn)；

(5)使車輛在超車或變換車道時(shí)方向失控，影響車輛的操縱穩(wěn)定性。

由此可見，由于車轍的出現(xiàn)，會(huì)嚴(yán)重影響路面的使用和服務(wù)質(zhì)量。所以在交通發(fā)達(dá)國家，瀝青路面車轍計(jì)算或有關(guān)參數(shù)值已成為路面設(shè)計(jì)中的一項(xiàng)重要控制指標(biāo)

我國以前公路等級(jí)較低，交通量小，基本上未形成渠化交通，且瀝青面層較薄，因此車轍沒有成為主要問題，路面設(shè)計(jì)規(guī)范也未考慮車轍設(shè)計(jì)。現(xiàn)在我國廣泛采用半剛性基層瀝青路面，目前主要表現(xiàn)出來的早期破壞形式是路面裂縫及水損壞，但隨著經(jīng)濟(jì)建設(shè)的快速發(fā)展，公路交通量的不斷增加，交通渠化以及重型車輛的出現(xiàn)，瀝青層厚度增加，路面車轍問題逐漸變得突出，必須引起重視。本文分析了瀝青路面車轍形成的機(jī)理，對(duì)瀝青路面車轍預(yù)估方法進(jìn)行了評(píng)述，并討論了瀝青路面車轍的控制標(biāo)準(zhǔn)。

1 車轍形成機(jī)理

由于瀝青混合料是一種粘彈性材料，具有一定的蠕變和應(yīng)力松弛現(xiàn)象，瀝青路面在車輛重復(fù)荷載作用下，混合料塑性變形不斷積累；其次，由于不斷地加載卸載，基層及土基都發(fā)生了不同程度的塑性變形積累，其值可由加載時(shí)總的變形減去卸載時(shí)的回彈變形求得：

不僅如此，由于瀝青混合料是一種有一定空隙率的材料，在重復(fù)荷載作用下，粒料產(chǎn)生側(cè)移而被壓密，這樣，由于各結(jié)構(gòu)層(包括土基)的變形積累，就形成了車轍。

因此根據(jù)車轍形成機(jī)理，可將其分為四種類型：

(1)失穩(wěn)型車轍 它是由于瀝青層在車輪荷載作用下，內(nèi)部材料的流動(dòng)產(chǎn)生橫向位移而形成。通常發(fā)生在輪跡處。當(dāng)瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性不足時(shí)，在外力作用下就會(huì)產(chǎn)生這種車轍；

(2)結(jié)構(gòu)性車轍 由于路面結(jié)構(gòu)在交通荷載作用下產(chǎn)生整體永久變形而形成，這種變形主要是由于路基變形而產(chǎn)生；

(3)磨耗型車轍 由于瀝青路面面層材料受車輪摩擦和自然環(huán)境因素作用下持續(xù)不斷損耗而形成；

(4)壓密型車轍 由于瀝青混合料設(shè)計(jì)及鋪筑壓實(shí)原因，使瀝青混凝土初始空隙率較大，開放交通后，輪跡帶下的瀝青混凝土產(chǎn)生壓密變形。

2 路面車轍預(yù)估

對(duì)預(yù)估瀝青路面車轍變形的問題，國際上公路研究人員做了大量的工作，提出了不少方法，力求提高車轍預(yù)估的準(zhǔn)確性，完善柔性路面設(shè)計(jì)，總之，瀝青路面層永久變形的預(yù)估方法大致分為經(jīng)驗(yàn)法、半經(jīng)驗(yàn)一半分析法、分析法。

2．1經(jīng)驗(yàn)分析法

統(tǒng)計(jì)分析法是利用試驗(yàn)路觀測結(jié)果回歸分析得出的經(jīng)驗(yàn)公式。例如，芬恩(Finn)等人根據(jù)AASHTO試驗(yàn)路觀測結(jié)果得出下列兩種車轍預(yù)估公式：

對(duì)于瀝青混凝土層厚度小于15cm的路面結(jié)構(gòu)：

2．2半經(jīng)驗(yàn)一半分析法

采用彈性層狀體系理論或粘彈性體系理論求解路面的應(yīng)力與位移，再結(jié)合室內(nèi)外的有關(guān)試驗(yàn)，統(tǒng)計(jì)出瀝青層的永久變形、路表彎沉、材料特性參數(shù)及荷載之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式，Jacob Uzan按半經(jīng)驗(yàn)一半分析法提出的預(yù)估模型式為：

2．3理論分析法

以層狀彈性體系理論或以彈粘性體系理論為基礎(chǔ)的方法，常采用單軸壓縮蠕變?cè)囼?yàn)的結(jié)果來預(yù)估車轍深度，殼牌法、比利時(shí)法、美國聯(lián)邦公路管理局的VESYs程序中的車轍預(yù)估模型和英國TRRL、M，E，納恩(Nunn)提出的方法都屬于這類方法。以Shell法為例，蠕變預(yù)估模型如下式：

在進(jìn)行車轍計(jì)算時(shí)，首先采用彈性層狀體系程序Bisar計(jì)算路面內(nèi)的應(yīng)力、應(yīng)變分布，然后根據(jù)行車速度巧妙地將靜態(tài)應(yīng)力、應(yīng)變轉(zhuǎn)化為時(shí)間的函數(shù)，即粘彈性應(yīng)力、應(yīng)變，結(jié)合所選用的流變學(xué)模型，并假定應(yīng)力、應(yīng)變之間為線性關(guān)系，提出如下瀝青層永久變形預(yù)估公式：

2．4車轍預(yù)估方法評(píng)述

由上可看出，經(jīng)驗(yàn)法所得的公式針對(duì)性比較強(qiáng)，可靠度比較高，但需要耗費(fèi)大量人力物力，并且該公式具有一定的局限性，它只適用于所研究道路所處的內(nèi)外環(huán)境與公式得出時(shí)相對(duì)應(yīng)的道路環(huán)境一致的路面車轍預(yù)估，一旦路面環(huán)境發(fā)生改變，公式可靠性則下降，故經(jīng)驗(yàn)法公式通用性差。

半經(jīng)驗(yàn)一半分析法具有一定的適用范圍，但其局限性仍未消除，采用的力學(xué)理論也不盡合理，有些計(jì)算參數(shù)不易確定，故亦未得到廣泛使用。

理論分析法為相對(duì)完善的方法，理論法中的粘彈性理論可以更好地反映瀝青中路面車轍形成過程；采用有限元法進(jìn)行計(jì)算，使得精確度大大提高。近年來，以粘彈性理論為基礎(chǔ)的車轍計(jì)算方法逐漸成為理論計(jì)算方法的主流和發(fā)展趨勢。

3 瀝青路面車轍指標(biāo)與標(biāo)準(zhǔn)

瀝青路面設(shè)計(jì)，經(jīng)歷了從強(qiáng)度設(shè)計(jì)到耐用性、功能性綜合指標(biāo)設(shè)計(jì)的發(fā)展過程，車轍指標(biāo)越來越得到重視，通常瀝青路面的車轍控制指標(biāo)包括路基頂面容許豎向壓應(yīng)變?chǔ)拧r青層容許永久變形和路面容許車轍深度等。

3．1瀝青層容許永久變形(厚度減薄量)

上世紀(jì)70年代，殼牌石油公司提出用瀝青層“厚度減薄量”來限制瀝青路面永久變形的設(shè)計(jì)法，該法假定混合料的任何變形都是礦料顆粒間滑移變形的結(jié)果，路面車轍是瀝青勁度粘性部分的函數(shù)，這種方法考慮了瀝青的粘性勁度，瀝青混合料的勁度由瀝青勁度及混合料中各種材料的體積比例求出，該方法雖然考慮了材料性能，但未給出材料指標(biāo)和標(biāo)準(zhǔn)。

3．2路面容許車轍深度

世界各國對(duì)路面材料進(jìn)行了的單軸、三軸、剪切、重復(fù)荷載試驗(yàn)，獲得了大量瀝青混合料性能參數(shù)，用于瀝青路面抗車轍設(shè)計(jì)和車轍深度預(yù)估，由此，瀝青路面容許車轍深度成為主要的車轍控制指標(biāo)。

4 結(jié)語

綜上所述，路面車轍問題必須引起重視：

(1)瀝青路面車轍形成主要由于瀝青混合料高溫塑性流變、土基塑性變形、瀝青面層磨耗以及瀝青層進(jìn)一步壓密等，因此可分為失穩(wěn)型、結(jié)構(gòu)型、磨耗型、壓密型車轍。

(2)瀝青路面層永久變形的預(yù)估方法大致分為經(jīng)驗(yàn)法、半經(jīng)驗(yàn)一半分析法、分析法，以粘彈性理論為基礎(chǔ)的車轍計(jì)算方法逐漸成為理論計(jì)算方法的主流和發(fā)展趨勢。

(3)瀝青路面的車轍控制指標(biāo)包括路基頂面容許豎向壓應(yīng)變占ε、瀝青層容許永久變形ε和路面容許車轍深度RD等。