基于現場鉆芯取樣的車轍形成機理研究

李世華，胡鵬飛，陳 春

（1.濟寧市鴻翔公路勘察設計研究院，山東 濟寧 272000；2.中國交通建設股份有限公司投資事業部，北京 100088）

基于現場鉆芯取樣的車轍形成機理研究

李世華1，胡鵬飛1，陳 春2

（1.濟寧市鴻翔公路勘察設計研究院，山東 濟寧 272000；2.中國交通建設股份有限公司投資事業部，北京 100088）

通過實體工程車轍檢測，結合典型車轍病害路段芯樣抽提篩分試驗，進行路面車轍類型判斷及成因分析，研究了瀝青路面車轍形成機理。研究結果表明，路面失穩性車轍發生在瀝青上面層和中面層約10cm深度范圍內，LSPM柔性基層未出現車轍；中上面層瀝青混合料合成級配偏細，缺少形成骨架嵌擠作用的4.75～9.5mm粗集料，2.36mm以下的細集料過多，且采用高溫粘度較小的基質瀝青是形成車轍病害的主要因素；高溫時在車輪荷載作用下，瀝青及瀝青膠漿產生流動，使瀝青混合料的網絡骨架結構失穩。

道路工程；瀝青路面；車轍；形成機理

0 引 言

大交通量、重載交通已成為國省道干線公路運行的新常態。全球氣候變暖，極端惡劣天氣不斷增多，在日益復雜的氣候環境和嚴峻的交通荷載耦合作用下，車轍、疲勞開裂等路面結構性破壞愈加嚴重，其中路面車轍是當前道路界最為關注的熱點和難點課題，開展路面車轍病害形成機理研究，具有極其重要的理論指導意義。

當前，各國從室內試驗、有限元力學和試驗路觀測等方面進行了大量的試驗研究，給出了車轍的分類，指出失穩性車轍屬于剪切變形破壞，是瀝青結構內的剪應力超過了瀝青混合料的抗剪強度所致［1－2］。

本文依托省道S329薛館線實體工程，通過路面車轍檢測與對道路橫斷面不同位置的芯樣的各結構層厚度對比研究，以及芯樣抽提篩分數據分析，對車轍類型及形成機理進行深入探討，為瀝青路面車轍病害機理及防治研究提供參考。

1 瀝青混合料面層車轍檢測

采用路面車轍檢測系統對各路段路面進行連續檢測，在正常車流速度下采集有關數據。檢測時，在對正常交通不產生明顯影響的前提下，雙向四車道逐車道進行檢測；然后，封閉右側行車道交通，采用斷面車轍掃描儀對車轍較大的典型橫斷面進行車轍深度檢測。

1.1 路面車轍檢測系統檢測結果

測定時速為50～80km·h－1，每20m計算保存一次，滿足《公路技術狀況評定標準》（JTG H20—2007）所要求的測試頻率。根據高速公路和一級公路路面車轍（RDI）評定標準，S329公路檢測路段車轍均值及評定結果見表1，S329百米車轍統計結果見表2。由表1和表2中的數據可知，車轍評定結果為差和次，道路右幅車轍比左幅嚴重，這與右幅重載交通量比左幅大的實際情況相吻合。

表1 S329公路車轍均值及評定結果

1.2 典型橫斷面檢測結果

由于車轍檢測車檢測出的結果是對一定長度路段的車轍深度取平均值，只能反映路面總體的車轍病害情況，無法反映每一個具體橫斷面的車轍病害情況；因此，借助斷面車轍掃描儀對車轍病害較嚴重的右幅車道進行了檢測。圖1為實測斷面圖，y軸為路面深度方向，x軸為路面橫向，原點為路面右幅行車道外邊線，■～⑧點車轍深度及其與原點的距離如表3所示，其中■和①為路肩上的點，假定路肩不受車輛荷載作用。由圖1和表3可知，②和⑥位于波峰，③和⑦位于波谷。

表2 S329百米車轍統計

圖1 路面右幅行車道斷面車轍

2 車轍成因分析

2.1 路面現場芯樣檢測與分析

根據表1、2車轍檢測結果的統計初步判斷路面車轍為失穩性車轍。為了準確判斷車轍類型并進一步分析車轍形成機理，在圖1所示的點取芯，取芯點涵蓋了車轍波峰和波谷，芯樣統計結果如表3所示。

表3 路面右幅行車道橫斷面車轍及芯樣統計

由表3可知，瀝青路面車轍發生在AC－13和AC－20面層，LSPM結構層厚度為設計厚度10cm未變；芯樣②最大面層厚度為16cm，較設計厚度10 cm增加了6cm；芯樣③面層厚度為8cm，較設計厚度減小了2cm，兩個芯樣面層厚度差為8cm，與該處最大車轍深度8cm相等；芯樣⑥面層最大厚度14.5cm，較設計厚度增加了4.5cm；芯樣⑦面層厚度為9.5cm，較設計厚度減小了0.5cm，兩個芯樣面層厚度差為5cm，與該處車轍深度47mm近似相等。

根據不同部位芯樣的瀝青混合料結構層厚度測量及分析結果，可以判斷該結構段車轍為失穩性車轍。在車輪反復碾壓的作用下，荷載產生的剪應力超過瀝青混合料的抗剪強度，使流動變形不斷累積而形成車轍［3－4］。

省道S329大修時沒有足夠重視瀝青混合料的高溫抗車轍性能，采用的瀝青為70號A級道路石油瀝青，導致高溫時在車輪荷載作用下瀝青及瀝青膠漿產生剪切流動，從而使瀝青混合料的網絡骨架結構失穩［5－7］。

2.2 路面現場混合料級配分析

為了進一步分析車轍產生機理，在硬路肩上鉆取了6個直徑為150mm的芯樣，把AC－13和AC－20分離，經高溫烘散并去掉經鉆頭磨削的側面混合料后進行抽提試驗，分析瀝青混合料的級配組成［8－9］。圖2為瀝青混合料合成級配曲線，由圖2可知，AC－13和AC－20合成級配偏向規范級配上限，并且9.5mm和2.36mm篩孔通過率過大。由于瀝青混合料中缺少形成骨架嵌擠作用的4.75～9.5mm粗集料，而2.36mm以下的細集料含量過多，粒子干涉嚴重，使混合料抵抗剪切變形能力降低。

圖2 混合料合成級配抽提結果

3 車轍處治

根據路面車轍檢測系統的檢測結果及評定結果，并考慮到重載交通路段的要求，提出以下處治方案。

（1）對于車轍深度大于35mm的路段，銑刨AC－13上面層和 AC－20下面層，加鋪6cm AC－20中粒式改性瀝青混凝土下面層，然后加鋪4cm SBS改性瀝青SMA－13上面層。

（2）對于車轍深度為15～35mm的路段，銑刨AC－13上面層，然后加鋪4cm改性瀝青SMA－13上面層。

（3）對車轍深度小于15mm的路段采用微表處方案，或全線銑刨掉車轍波峰后，用微表處填補車轍。

4 結 語

（1）含LSPM混合料層的半剛性瀝青路面車轍發生在上面層和中面層，主要為剪切流動形成的失穩性車轍。

（2）應保證4.75～9.5mm粗集料用量，使混合料形成骨架嵌擠結構，增加混合料的抗剪能力；小于2.36mm篩孔合成礦料通過率宜控制在中值和下限之間，以保證壓實度并防止水損壞。

（3）在交通量較大、軸載較重的情況下應重視瀝青混合料抗剪切變形能力的設計，在膠結料的選擇上，中上面層宜采用高溫粘度較大的改性瀝青。

［1］JTG H20—2007，公路技術狀況評定標準［S］.

［2］JTG E60—2008，公路路基路面現場測試規程［S］.

［3］張 毅.陜西省高速公路瀝青路面車轍成因及對策研究［D］.西安：長安大學，2004.

［4］沙慶林.高速公路瀝青路面早期破壞現象及預防［M］.北京：人民交通出版社，2001.

［5］孫立軍.瀝青路面結構行為理論［M］.北京：人民交通出版社，2005.

［6］李一鳴，俞建榮.瀝青路面車轍形成機理力學分析［J］.東南大學學報，1994，24（1）：90－95.

［7］JTG E20—2011，公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程［S］.

［8］關宏倍，張起森，劉 敬.瀝青混合料車轍試驗改進方案［J］.交通運輸工程學報，2011，11（3）：16－21.

［9］崔文社，陶 晶，張爭奇，等.高速公路瀝青路面車轍成因試驗［J］.長安大學學報：自然科學版，2009，29（4）：8－12.

Research on Formation Mechanism of Rutting with Samples Cored on Site

LI Shi－hua1，HU Peng－fei1，CHEN Chun2
（1.Hongxiang Highway Survey，Design and Research Institute，Jining 272000，Shandong，China；2.Department of Investment Business，China Communications Construction Co.Ltd.，Beijing 100088，China）

Based on the rutting test in the field with typical core samples extracted from different cross－sections，rutting type judgment and formation causes were analyzed，and the formation mechanism of asphalt pavement rutting was researched.The results show that the flow deformation at surface layer and mid－surface layer are the main contribution to the rutting，and the influential depth is about 10cm.The main reasons for the rutting are lacking of gradation from 4.75mm to 9.5mm，too much fine aggregate under 2.36mm and the adoption of matrix asphalt whose viscosity is too low at high temperature.Asphalt－mineral filler mastic，of which the main character is viscous at high temperature，flows when it is subjected to vehicle load，which causes the instability of asphalt mixture.

road engineering；asphalt pavement；rutting；formation mechanism

U418.6

B

1000－033X（2015）08－0063－03

2015－01－27

［責任編輯：王玉玲］