高速公路長大縱坡路段抗車轍技術分析

危 強 唐國奇 朱國慶 熊昌平

（1.貴州高速公路集團有限公司 貴陽 550004； 2.交通運輸部公路科學研究院 北京 100088）

車轍是我國高速公路瀝青路面的典型病害之一，幾乎不同程度地發(fā)生于每條高速公路，在長大縱坡路段的高速公路上尤甚。長大縱坡路段的車轍病害不僅妨礙了正常交通，影響了通行能力，降低了道路服務水平，在降雨、冰凍等復雜環(huán)境狀況下，更易導致交通安全事故，造成巨大經濟財產損失［1］。通過深入開展對長大縱坡瀝青路面抗車轍技術的研究，降低路面病害的發(fā)生，改善長大縱坡瀝青路面的路用性能，延長使用壽命，對推動我國公路網的整體建設具有十分重要的意義。

1 貴州地區(qū)高速公路路面車轍問題分析

1.1 車轍病害情況

在貴州省高速公路開發(fā)總公司、貴州省質安交通工程監(jiān)控檢測中心有限責任公司等單位的配合下，通過對貴州地區(qū)部分陡長坡路段車轍病害實地測量及對現(xiàn)有資料收集，從縱向、橫向、深度方向分析長大縱坡車轍分布規(guī)律，并對未來交通有關多軸車輛進行闡述，具體分析如下：

（1）縱向車轍分布規(guī)律。根據調查資料可以得出長大縱坡縱向車轍與坡度、坡長密切相關，其分布大致存在以下一些特點：①同一路段車轍病害通常發(fā)生在長大縱坡路段，坡度較大，坡長較長的路段車轍變形較大，縱向分布呈現(xiàn)先增長后平緩的趨勢；②連續(xù)爬坡路段車轍分布與各段坡度及坡長有關，車轍病害嚴重區(qū)通常在坡底及坡頂段附近；③坡長對車轍變形縱向分布存在一定影響，坡度值不大，但坡長較大時，在坡頂處的變形值較大。

（2）橫向車轍分布規(guī)律。由于渠化交通的存在，車輛在爬坡路段行駛時，右側車行道多為行駛速度低的重載車輛，而左側超車道多為車速較高的小型汽車，這使得行車道的車轍比超車道嚴重。行車道橫向車轍在輪跡帶凹陷，兩邊伴有隆起，車轍斷面呈W形，靠近路邊一側的車轍變形較大，而在靠近超車道一側的變形較小。車轍的橫向分布與車輛爬坡速度有關，超車道由于行駛速度快，車轍變形較行車道小，同一車道兩側輪胎下車轍變形同樣是靠近超車道一側變形小。

（3）深度方向車轍分布規(guī)律。從鉆取心樣的厚度統(tǒng)計分析可知：3個面層均有車轍產生，中面層車轍最大，下面層次之，上面層車轍最小，各層永久變形平均比例為上面層占18%，中面層占52%，下面層占30%。因此，應將中面層和上面層作為抗車轍設計的重點，特別是中面層，是以前重視不足的層次，需要通過各種技術防治車轍病害的發(fā)生［2］。

1.2 車轍病害產生的外部因素

（1）重載問題。從交通部公路科研院的研究成果可以知道，車轍發(fā)生深度與溫度和軸載2個參數均呈現(xiàn)指數級增長的關系，軸載每增加一級，相應的轍深度的發(fā)展會急劇增加；使用同等材料和配比條件下的重載排水瀝青路面，隨著荷載的增加，瀝青混合料動穩(wěn)定度呈現(xiàn)顯著的衰減加速趨勢，軸載增加一倍，動穩(wěn)定度已經衰減約70%。因此，必須對重載運輸可能引起的車轍問題充分重視，并采取各種加強措施予以避免。

（2）長大縱坡路段問題。從路面受力角度分析，車輛上坡時，開始速度較快，車輛主要依靠慣性來爬坡，車輛對路面施加的水平力較?。恢?，車輛要依靠自身的牽引力才能繼續(xù)爬坡，車輛對路面施加的水平力會在坡底到坡中之間的某個地方突然增大，并維持至坡頂，由此對路面層的剪應力和作用深度也隨之增大，而這正是影響瀝青路面層發(fā)生失穩(wěn)型車轍的重要外因。

重載車輛的爬坡過程為先減速后勻速的過程，根據時溫等效原則，行駛速度越慢，輪胎與路面接觸時間越長；這相當于減小了瀝青的剪切強度，間接提升了路面瞬間接觸溫度，加劇了瀝青混合料在高溫下的流動，蠕變量漸漸積累產生永久變形。隨著坡度的增大，車輛對路面產生的橫向剪切作用隨之增大，也會加速瀝青路面永久變形的產生。

我國對多個項目的調查也表明，長上坡路段車轍病害比正常路段嚴重得多，且最容易發(fā)生車轍的位置為長上坡的坡腳后一段到坡頂后［3］。長上坡路段車轍常發(fā)生的位置見圖1。

圖1 長上坡路段車轍發(fā)生示意圖

2 長大縱坡路段車轍病害形成機理

2.1 基于粘彈性的瀝青路面車轍形成過程

對于交通量較大的瀝青路面，雖然單次車輛荷載作用時間較短，瀝青混合料產生的粘彈性變形可能并不顯著，但是由于車流量較大，每次“加載－卸載”循環(huán)過程中的間隔時間較短，加載過程中產生的粘彈性變形尚未得到充分恢復就進入下一個加載過程中，當累積變形量較大時，最終形成瀝青路面車轍。

對于長大縱坡路段瀝青路面，由于坡度較大，車輛行駛速度緩慢，瀝青混合料在加載過程中產生的粘彈性變形較大，殘余變形也隨之增加，因此，多次重復荷載作用下的累積變形較大，并最終導致瀝青路面出現(xiàn)車轍。如果上述2種情況在同一路段出現(xiàn)，即車輛行駛速度緩慢且車流量較大，則瀝青路面的車轍問題會進一步惡化。瀝青混合料的粘彈性變形與溫度有密切的關系，隨著溫度升高，瀝青膠漿逐漸軟化，并趨于流動狀態(tài)，瀝青膠漿的粘結性和混合料的強度逐漸降低，在荷載作用下易于發(fā)生變形。因此，在開展瀝青路面結構研究時，應從瀝青混合料粘彈性變形特性及影響因素出發(fā)，正確認識瀝青路面車轍形成的過程，科學合理地確定材料參數。

2.2 長大縱坡路段的瀝青路面車轍影響因素

對于長大縱坡路段的瀝青路面來說，產生車轍的主要原因是由于車輛運行速度的降低而帶來的剪切變形，在高溫條件下，車轍的發(fā)展會進一步加?。?］。

由于車輛荷載沿縱坡方向分量的存在，瀝青路面內部的剪應力將會因此而增加，上坡時荷載的剪應力分量與驅動輪對路面的剪應力方向一致，使路面受到的剪應力增加；而在下坡時自重的剪應力分量與驅動輪對路面的剪應力方向相反，使路面受到的剪應力減少，這是導致上坡的車轍比下坡的車轍嚴重的原因之一，坡度在9%以內時，sinα是遞增函數，瀝青面層內部剪應力將隨著縱坡的增大而一直增大，從而使長大縱坡路段瀝青路面的抗車轍能力要求更高。

研究資料表明，車速與作用時間存在一定的相關性，車輛行駛時，速度越快，蠕變時間越短，相應的蠕變量越小；而當車速很低時，蠕變時間相應延長［5］?；趹ε蛎浝碚摰娜渥兯俾誓Ｐ陀嬎阋脖砻鳎瑢τ诰哂姓硰椝苄缘臑r青混合料，縱坡越大，除了因為應力增加而產生車轍外，還會因為行車速度慢和應力作用時間長而加劇車轍的產生。低速荷載的持續(xù)作用時間越長，輪胎的摩擦熱越大，瀝青混合料的塑性流動就越大。從Willia ms－Landel-Ferry公式可以得到，當車輛以3～10 k m／h車速行駛時，相當于以80 k m／h行駛時增加路面作用溫度9.7～22.1℃，相當于使瀝青混合料的車轍動穩(wěn)定度下降49%～79%，因此，車輛低速行駛對車轍動穩(wěn)定度的影響比夏季高溫和超載的影響還要大。

3 貴州地區(qū)長上坡路段瀝青路面抗車轍措施

3.1 車道數的設計

根據《公路工程技術標準》（JTGB01－2003），我國高速公路車道數的選擇和確定是根據各種汽車折合成小客車后的交通量來確定的，在總則中也明確規(guī)定：“一條公路根據需求可分段選用不同的公路等級、設計速度、路基寬度”。對于山區(qū)長上坡路段來說，由于長上坡引起的交通車輛減速，載重運輸車輛的實際行車速度遠遠小于設計車速，因此，通行能力變得不足，在這種情況下，適當增加車道是一個最好的辦法，既提高了通行能力又擴大了交通荷載的橫向分布范圍。

表1為現(xiàn)行《公路瀝青路面設計規(guī)范》（JTGD50－2006）推薦的車道系數取值推薦表，根據以上車道系數的取值可以看到，單項每增加1個車道，車道系數約減小30%～40%，采取在長上坡路段增加車道的辦法是減少交通荷載當量次數、減少交通荷載作用時間的有效手段之一。因此，建議在山區(qū)高速公路長上坡路段進行設計時，在相應的車道數的上坡路段增加1個車道，以提高上坡路段內交通車輛的通行能力，減少原有設計行車道的累計通行軸次，從而提高車輛行駛速度，減少交通荷載對路面的作用時間，同時減少維修養(yǎng)護時對通行能力的影響。

表1 車道系數

3.2 瀝青混合料的設計

提高瀝青混合料的抗車轍能力是有效預防或緩解長上坡路段瀝青路面產生車轍的關鍵和基本前提，因此要根據現(xiàn)場實際的荷載和溫度條件對瀝青混合料的級配設計、結合料及外摻劑的選擇、試驗方法的性能提出要求，從而滿足抗車轍能力的需求。

在對瀝青混合料抗車轍能力的研究中，很多研究成果表明，骨架密實型級配具有良好的抗車轍能力，這也是現(xiàn)行《公路瀝青路面施工技術規(guī)范》JTGF40－2004推薦的級配形式，試驗證明其具有良好的抗車轍能力［6］。因此，本文提出適用于貴州地區(qū)高等級公路瀝青路面用AC-20C型RA抗車轍劑瀝青混合料建議的工程設計級配范圍，見表2。

表2 建議的工程設計級配范圍

瀝青混合料結合料的類型對瀝青混合料的抗車轍能力具有一定的影響，推薦采用70號道路石油瀝青、SBS改性瀝青、NS型RA抗車轍劑等結合料［5］。在對長上坡路段瀝青路面的專項設計中，首先采用規(guī)范規(guī)定的動穩(wěn)定度的試驗方法對瀝青混合料的抗車轍能力進行評價；其次建議進行65，70℃和0.7 MPa條件下的動穩(wěn)定度試驗，以檢驗瀝青混合料的抗車轍能力是否出現(xiàn)急劇的衰變；另外，建議采用以粘彈性指標動態(tài)模量控制的混合料設計方法，進行SPT動態(tài)模量（｜E＊｜）試驗，驗證瀝青混合料抗車轍能力。

3.3 路面結構設計

根據對山區(qū)長上坡路段瀝青路面車轍形成機理的研究成果，在瀝青路面結構設計時，需要充分考慮瀝青路面結構的受力特點。與普通平坡路段相比，長上坡路段瀝青層承受的剪應力更大，因此在對長上坡路段瀝青路面結構設計時，除了滿足規(guī)范的要求外，還需要進行抗車轍的設計。

瀝青層是長上坡路段瀝青路面的最主要承重層，不僅承受交通荷載的正向壓力，還要承受較大的水平推力，因此在瀝青層內形成較大的剪應力。傳統(tǒng)的柔性路面損壞主要是疲勞開裂和永久變形這2種結構性損壞，幾乎所有力學設計方法都是基于瀝青層底拉應變和土基頂面壓應變這2個指標進行柔性路面的結構設計，且一般假定路面結構在分析期或使用期末將因結構性破壞而失效。因此，借鑒國際上長壽命、永久性路面概念，基于典型的長壽命瀝青路面結構研究，按照長壽命瀝青路面結構設計理念進行長上坡路段瀝青混合料的設計，可以降低傳統(tǒng)的瀝青層底開裂和避免結構性車轍，使路面的損壞僅限于表面層，在使用年限內避免結構性破壞，使路面不需要大的結構性重建，只需要定期進行表面銑刨、罩面修復工作［7］。因此，提出貴州地區(qū)抗車轍瀝青路面瀝青層的組合可以采用上面層為SMA13-SBS改性瀝青混合料，中面層為AC-20C-RA抗車轍劑瀝青混合料，下面層為AC-25-70號瀝青瀝青混合料的結構形式。

瀝青層厚度的設計在滿足力學設計要求的情況下，必須按照規(guī)范的要求，保證各層瀝青層的厚度與混合料的公稱最大粒徑相匹配，即每層最小厚度不小于混合料公稱最大粒徑的2.5～3倍。結合國內針對高速公路瀝青路面早期損壞研究取得的研究成果以及貴州省的氣候溫度以及荷載條件，建議長上坡路段高速公路瀝青路面瀝青層的總厚度不小于18 c m。

4 貴州地區(qū)長上坡路段瀝青路面抗車轍技術應用

汕昆高速公路安龍互通連接線位于云南、貴州、廣西3省交界地，黔西南州煤炭外運，百貨、汽配遠期規(guī)劃3省批發(fā)市場，安龍縣物流園主要通道。安龍互通連接線GK2＋748.5～GK8＋764.334全幅，全長6.016 k m，最大坡度6%，具有重載、慢行、減速、停車、啟動等容易出現(xiàn)瀝青混合料剪應力破壞的特征。為了更苛刻驗證RA高模量劑路用性能，在安龍互通連接線的長上坡路段進行NS型RA抗車轍瀝青路面試驗段的鋪設。試驗路路面結構不變，在瀝青中面層瀝青礦料中摻加0.35%NS型RA抗車轍劑（外摻）。

試驗段施工完畢后，通過抽提篩分試驗、馬歇爾試驗、車轍試驗、低溫彎曲試驗對其性能進行了檢測，測試結果表明：2.36和4.75 mm的通過率基本可以得到較好的控制，瀝青的油石比控制得也較好，與要求瀝青用量略有增加；室內馬歇爾試件的密度、空隙率、飽和度等也均能滿足要求；車轍板的動穩(wěn)定度、小梁彎拉強度和彎拉勁度模量也能滿足規(guī)范要求，表明RA瀝青混合料具有較好的高溫穩(wěn)定性、高溫抗車轍性能和低溫性能。

在路面鋪筑完后第二天，按《公路路基路面現(xiàn)場測試規(guī)程》對其進行了滲水及平整度的試驗。經評定，試驗路不滲水，表面平整密實，集料顆粒分布均勻，無脫落、掉渣、裂縫、搓板等現(xiàn)象。但為了更好地評價添加RA瀝青混合料的路用性能，尤其是高溫性能，還應對整個RA瀝青試驗路段進行長期跟蹤觀測。

5 結論

瀝青路面車轍的直觀表現(xiàn)為路面的變形，路面材料是導致瀝青路面產生車轍的直接原因，而瀝青混合料的變形是由于一定的荷載作用引起的，瀝青路面結構的荷載或應力才是導致瀝青路面產生車轍的根本原因。對于長大縱坡路段，重載車輛爬坡速度也是引起路面車轍病害形成的關鍵因素。因此，山區(qū)高速公路長上坡路段瀝青路面的設計應從瀝青混合料和路面結構組合等方面入手，使得在這種特殊條件下的瀝青路面結構具有一定的抗車轍能力，延長車轍產生的時間，達到有效控制的目的。

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［2］ 胡玲玲，盧 輝，張肖寧.高溫條件下長陡坡路段瀝青混凝土路面結構分析［J］.公路，2009（10）：68-71.

［3］ 張 媛，鄒桂蓮.長大縱坡的瀝青路面受力研究［J］.科學技術與工程，2010，22（10）：5580-5583.

［4］ 張業(yè)茂，陳拴發(fā)，胡光偉，等.瀝青混合料車轍影響因素研究［J］.公路，2012（3）：112-116.

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