高速公路瀝青路面車轍發展規律及影響因素分析*

張征宇 劉林林 盧 勇

(1.常熟市交通工程管理處 蘇州 215500； 2.蘇交科集團股份有限公司 南京 211112；3.新型道路材料國家工程實驗室 南京 211112)

車轍病害是江蘇省高速公路瀝青路面的典型病害之一，車轍深度一直以來是瀝青路面研究的重點。針對瀝青路面的高溫穩定性，全世界范圍內已經開展了全面、深入的研究，現有的研究成果能夠較全面地分析車轍成因，提供一些有效的改進措施。但車轍依舊是高速公路瀝青路面的典型病害，由此可見，車轍并不是能完全杜絕的一類路面病害，尤其在特定的氣候環境和交通條件下，車轍總是不可避免，但可以基于車轍影響因素的研究，掌握車轍的成因，從而提供瀝青路面車轍病害的改善措施。

車轍發展的過程也是瀝青路面損傷的過程，隨著使用年限的增長，瀝青路面抗車轍變形能力在逐步減弱，按照瀝青路面高溫蠕變發展的三階段可知：第三階段永久變形發展很快，屬于失穩破壞。因此，第二階段和第三階段的臨界點也是車轍失穩破壞的臨界點，為了避免產生過大車轍病害，需采取必要的措施盡量延長達到該臨界點的時間，解決該技術問題的關鍵是要掌握瀝青路面使用過程中車轍發展規律。因此，為了深入掌握不同交通等級路面車轍深度的發展規律，分別選擇滬寧高速、淮鹽高速、沿江高速、新揚高速、連徐高速等重載交通路段，開展車轍深度的時空演變規律研究，分析主要影響因素并建立車轍深度預測模型。

1 車轍深度隨時間的發展規律

分別選擇淮鹽高速(路段D7)、沿江高速(路段D9)、新揚高速(路段D13和D16)、連徐高速(路段D14)、滬寧高速(路段D5和D6)，繪制車轍深度隨通車時間的變化圖，見圖1。其中，D9、D13、D16和D14為重交通，D5和D6為特重交通，D7為中等交通(對比路段)。

圖1 車轍深度隨時間發展規律

由圖1可知，隨著通車時間的增長，路面車轍深度逐漸增大，并表現出初期增長迅速，之后逐漸趨于平穩發展的規律，基本符合車轍形成的前2個階段，即初期壓密階段和中期混合料流變階段，目前，尚不存在第三階段，即后期剪切破壞階段。由于交通等級的不同，車轍形成的階段特征存在一定的差異性。

由上述可知，車轍在初期壓密的第一階段，車轍深度增長相對較快，而后逐漸進入了緩慢穩定增長的混合料流變第二階段，因此，本文提出對于第一階段采用對數函數進行回歸，對第二階段采用logistics函數進行回歸，建立車轍深度兩階段模型，見式(1)、式(2)。

y(x)=alnx+b(t≥t0)

(1)

(2)

式中：根據相關研究結論，中、重、特重3種交通等級條件下的路面車轍深度進入第二階段的時間分別取7年、5年和3年，由此計算的結果見表1。

表1 不同交通等級的車轍深度預測模型

為了驗證上述車轍深度預測模型，采用其他不同交通等級路段的車轍深度數據，計算了每年的車轍深度預測值，并與實測值進行對比，結果見圖2。

圖2 不同交通等級的車轍深度預測值與實測值對比

由圖2可見，所建立的兩階段模型車轍深度預測值與實際值之間的殘差維持在2 mm以內，相關性達到了0.9左右，具有較高的預測精度，所建立的模型可靠，可選擇該模型對高速公路瀝青路面進行車轍深度預估，為后期養護決策方案提供參考依據。

2 車轍深度隨空間的分布規律

分別針對不同高速公路斷面進行取芯，通過測量不同層位的厚度，計算車轍貢獻率和變形度指標，通過變形度指標可以評價不同結構層變形率與該結構層厚度比例之間的關系，當Hi=1時，表示該結構層變形率與該結構層厚度占總厚度的比例相同，即結構層的變形率與厚度比例是一致的，當Hi>1時，表示該結構層變形率大于該結構層厚度占總厚度的比例，變形較為嚴重，而當Hi<1時，表示該結構層變形率小于該層厚度占總厚度的比例，變形較輕[2-3]。

2.1 車轍貢獻率

不同層位車轍深度貢獻率指標表示不同層位的變形對整體車轍的貢獻程度，貢獻率Ci按式(3)計算。

Ci=Δi/Δ

(3)

式中：Δi為第i層的變形量，mm；Δ為總變形量，mm。

2.2 變形度

不同層位變形度指標表示各結構層的變形情況，變形度Hi按式(4)計算。

Hi=(Δi/Δ)/(hi/h)

(4)

式中：hi為第i層厚度，mm；h為路面結構總厚度，mm。

根據不同層位的芯樣厚度測量結果計算車轍貢獻率和變形度，結果見圖3。由圖3可見，不同斷面的各層位車轍貢獻率基本表現出中面層最大，上面層和下面層除D5段外均較小。

不同層位車轍貢獻率與車轍深度間的關系見圖4。

圖4 不同層位車轍貢獻率與車轍深度之間的關系

由圖4可見，上面層和中面層車轍貢獻率與車轍深度存在一定的線性相關性，隨著車轍深度的增加，上面層貢獻率逐漸減小，中面層貢獻率逐漸增大，而下面層貢獻率與車轍深度沒有明顯的相關關系。由此可見，隨著車轍深度的增加，瀝青路面車轍深度逐漸由上面層下移至中面層。

3 車轍深度影響因素分析

3.1 荷載的影響

根據不同高速公路斷面的車轍深度和當量軸載作用次數(ESAL)，建立二者之間的相關性[4-5]，結果見圖5。由圖5可見，車轍深度隨著ESAL的增加而逐漸增大，二者之間存在較好的線性相關性，表明荷載是路面產生車轍病害的影響因素之一。

圖5 車轍深度與累計當量軸次之間的相關關系

3.2 材料的影響

分別針對不同高速公路斷面的取芯芯樣開展漢堡車轍試驗，分析漢堡車轍深度與路面車轍深度和車轍年增量的影響關系，結果見圖6、圖7。

圖6 路面車轍深度與漢堡車轍深度相關關系

圖7 路面車轍與漢堡車轍深度相關關系

由圖6、圖7可見，路面車轍深度和車轍年增量指標與漢堡車轍深度之間存在一定的線性相關關系，隨著漢堡車轍深度的增加，路面車轍深度和車轍年增量逐漸增大，下面層材料與宏觀指標之間的相關性更好。由于中面層采用改性瀝青混合料，下面層采用普通瀝青混合料。因此，下面層的車轍深度和車轍年增量增加幅度相對較快。

另外，針對不同路段的車轍年增量進行對比，結果見圖8。

圖8 不同路段的車轍年增量對比

由圖8可見，雙層改性瀝青路面的車轍年增量相對較小，而單層改性瀝青和三層普通瀝青的車轍年增量明顯較大，也進一步說明了材料性能對于車轍的產生有一定影響。

3.3 綜合影響

瀝青路面車轍深度的產生是荷載、溫度、材料等綜合因素的交互影響，對于實體工程而言，瀝青路面原本就是在各種綜合因素的長期作用下而產生車轍。因此，車轍深度隨通車時間的變化本身就體現了各種因素的綜合影響。基于此，建立典型路段車轍深度與通車時間的相關關系，結果見圖9。

圖9 車轍深度與通車時間之間的相關關系

由圖9可見，車轍深度與通車時間之間具有較好的冪函數關系，相關系數R2達到了0.55。在各種因素長期反復作用下，車轍深度隨通車時間的增加而不斷增長，增長速度先快后慢，符合車轍增長的三階段規律。

4 結論

1) 隨著通車時間的不斷增長，路面車轍深度逐漸增大，并表現出初期增長迅速，之后逐漸趨于平穩發展的規律，基本符合車轍形成的前兩個階段，即初期壓密階段和中期混合料流變階段，目前，尚不存在第三階段，即后期剪切破壞階段。

2) 基于歷年檢測數據，所建立的兩階段模型車轍深度預測值與實際值之間的殘差維持在2 mm以內，相關性達到了0.9左右，具有較高的預測精度，所建立的模型可靠。

3) 不同斷面的各層位車轍貢獻率基本表現為中面層最大、上面層和下面層較小，上面層和中面層車轍貢獻率與車轍深度存在一定的線性相關性，隨著車轍深度的增加，上面層貢獻率逐漸減小，中面層逐漸增大，而下面層貢獻率與車轍深度沒有明顯的相關關系。

4) 車轍深度隨著ESAL的增加而逐漸增大，二者之間存在較好的線性相關性。雙層改性瀝青路面的車轍年增量相對較小，而單層改性瀝青和三層普通瀝青的車轍年增量明顯較大。荷載和材料性能對于車轍的產生有一定的影響。