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,材料表現為彈、粘-塑性體或粘-塑性體。瀝青混合料在荷載作用下產生較大的塑性變形,特別是在城市道路中,由于渠化交通的作用,荷載及荷載重復次數的增加,導致塑性變形的累積。在炎熱地區，很多瀝青路面都出現了泛油、車轍等高溫穩定性不夠的問題,嚴重影響瀝青路面平整度與行車安全。

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

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

1 輕荷載車轍試驗

1.1 試驗輕荷載標準

根據《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》（JTJ052-2000）規定，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，針對擬定瀝青結構層進行了全厚度車轍試驗[1]。

根據有關文獻研究的結果，輪胎因花紋的存在，使有效接地面積小于虛面積。考慮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

常規車轍試驗連續測試的時間為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18 000次。從試驗原始數據曲線（見圖1）可以看出，車轍總量隨時間的變化逐漸趨于穩定，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。鄭州地區屬夏炎熱地區，且高溫持續時間長。由于溫度是影響動穩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構層全厚度車轍試驗，試驗荷載為0.45MPa，每組試件連續測試時間為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構，其主要路面結構層見圖2。

圖2 設計路面各結構層示意圖（15 cm）

1.4 試驗結果

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

表1 0.45MPa輪壓下全厚度（15 cm）車轍試驗結果

2 試驗數據分析

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構，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，變化趨勢都比較穩定且相差不大。將表1的試驗結果繪成直方圖（見圖3和圖4），可以更清楚地了解在輕荷載作用下，動穩定度和車轍深度隨溫度的變化趨勢。

圖3 0.45MPa時動穩定度隨溫度變化圖

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℃，動穩定度降低了45.0%，車轍深度則增加了21.9%。本次試驗路面結構上面層為改性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果會有所不同，但其變化規律值得借鑒。

為了了解輕荷載對車轍深度和動穩定度的影響程度，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，比較穩定。

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

圖6 0.45MPa與0.7MPa動穩定度結果比較

圖7 0.45MPa與0.7MPa車轍深度結果比較

從圖6和圖7中可以看出：

（1）無論何種溫度，0.45MPa輪壓下的動穩定度都比0.7MPa輪壓下的動穩定度大，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輪壓下的動穩定度和0.7MPa輪壓下的動穩定度差別較大，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，輪壓的變化對動穩定度的影響比對車轍深度的影響大。

動穩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圖上，時間與車轍深度之間用直線來擬合有較好的相關性，不同溫度和荷載下的擬合方程及相關系數見表3。

表3 不同溫度下的擬合方程及相關系數

為了了解在0.45MPa的輪壓下，瀝青路面經車輛反復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，瀝青路面經車輛反復碾壓后，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,可以得出如下結論:

（1）輕荷載對瀝青路面的作用，主要表現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，輪胎兩側的接地壓力和剪應力增大，導致瀝青路面產生較深車轍。

（2）當地區溫度較高時，原來意義上對瀝青路面結構設計不構成影響的輕型車（小于30 kN），對動穩定度和車轍深度的影響不容忽視。

（3）在瀝青路面結構設計時，應考慮總重為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].武漢理工大學學報,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].