瀝青路面車轍預估研究進展與評述

趙碧全 王亞強

摘 要：分析了瀝青路面車轍產生機理及其影響因素，綜述了國內外車轍預估的研究歷程，在此基礎上指出車轍預估的研究發展方向，并提出在瀝青路面車轍預估研究中有必要考慮層間接觸狀態這一重要影響因素。

關鍵詞：瀝青路面;車轍預估;剪切流動變形;有限元模擬

0 引言

車轍是道路主要損壞類型之一，過量的車轍變形將對行車構成安全隱患，不僅降低道路服務質量，還會誘發路面開裂，嚴重縮短道路的使用壽命，長期以來，車轍問題已成為國內外道路科研工作者的研究熱點。建立合理的車轍預估模型，對車轍的防治和瀝青路面設計具有重要的學術意義及工程應用價值。本文綜述了國內外車轍預估的研究歷程，以便為車轍預估研究及路面設計提供參考。

1 車轍產生機理及影響因素

1.1 車轍產生機理

針對車轍病害問題，目前較為統一地認為常見的失穩型車轍的產生主要存在兩種機理：壓密變形和剪切流動變形。

（1）壓密變形。瀝青混合料骨料之間存在大量孔隙，攤鋪碾壓過程使得大部分孔隙被細料填充并壓實，但混合料內仍有較多孔隙存在。在道路碾壓完畢并開放交通的初期，車輛荷載反復作用下混合料內的孔隙再一次被壓實和填充，輪碾作用區路面壓實度進一步增加，伴隨著瀝青混凝土的體積縮小，從而形成壓密型車轍。

（2）剪切流動變形。混合料的壓密變形趨于穩定后，高溫條件下，由細集料、礦粉和瀝青拌合形成的瀝青砂漿在車輛荷載反復作用下將呈現出流動狀態，失去對瀝青混合料骨架結構的穩定及支撐作用，使得瀝青混凝土的骨架結構從穩定狀態向不穩定狀態轉變，最終在剪應力作用下發生剪切失穩破壞，最終形成失穩型車轍。

1.2 車轍的影響因素

從材料組成上看，表面粗糙、有棱角且針片狀含量少的粗集料會增強骨料之間的嵌擠力，大大提高混合料的抗車轍能力。不同的針入度指標對應不同的瀝青標號，針入度小的瀝青稠度大，由此種瀝青拌制而成的瀝青混凝土抗變形能力強。混合料中瀝青用量越大，富集的瀝青越多，導致在高溫條件下混合料容易發生流動，致使瀝青路面易發生變形。此外，優良的骨架密實型結構的瀝青混合料內部骨架結構能充分發揮嵌擠力，這對瀝青路面的抗車轍能力有較大促進作用。

瀝青路面在太陽輻射和雨水沖刷等影響下逐漸發生老化，其路用性能不斷衰減，易發生破壞。道路上的行車數量逐年增加，作用在路面上的荷載值和荷載作用頻率也不斷增長，超負荷的交通量和荷載值將顯著影響路面車轍。目前，瀝青路面設計一般假定層間接觸狀態處于完全連續狀態，但實際道路層間接觸并非完全連續。已有研究表明，層間接觸不良將造成瀝青路面力學響應發生顯著變化。由此可知，層間接觸狀態會影響瀝青路面車轍的產生和發展，進而影響道路的使用性能和耐久性。

2 國內外車轍預估研究現狀

1972年Romain[1]綜合考慮了車輛荷載和環境溫、濕度等對道路結構的影響，將瀝青路面的車轍總變形看成是各個亞層變形的總和，提出了“層應變法”的預估方法，并利用彈性層狀體系理論計算車轍變形，該預估方法屬于典型的理論法。

第四屆國際瀝青路面設計會議上，有學者利用回歸統計的方法，對車輛荷載反復作用下瀝青混合料永久變形進行了詳細研究，得出基于回歸統計的車轍預估方法，該方法屬于經驗法的范疇。修正了路基頂面壓應變的設計指標，使道路設計更加符合實際情況，同時還提出了路表面永久變形的設計標準，該標準可以對路表面過量的變形進行有效控制，這為后來提出的Shell車轍預估方法打下了基礎。此外，有學者基于粘彈性理論計算路面內的應力和應變，并結合大量試驗計算瀝青路面的永久變形，最終建立了瀝青混合料塑性應變和瀝青面層內應力、環境溫度、車輛輪載累積作用時間之間的關系式，實現了車轍的預估，該預估方法屬于力學-經驗法。

到了21世紀，隨著計算機技術的發展，有限元方法在車轍研究中得到了廣泛應用。眾多研究者采用有限元法對瀝青路面結構進行了數值模擬計算，并結合室內試驗，回歸擬合了有限元的分析結果，實現對車轍的預估。

在國內，徐世法等人[2]為了合理表達瀝青混合料的材料性質，開展了大量的蠕變試驗，較為全面的分析了瀝青混凝土在多因素影響下的變形特性，并基于此，針對瀝青混合料建立了“四單元”與“五參數”相結合的蠕變模型。研究還發現，瀝青混合料內部存在大量孔隙，具有一定的透水能力，而半剛性基層透水性較差，雨水滲入后易滯留在基層內部。車輛荷載作用下易出現唧漿現象，造成路面結構嚴重破壞。車轍變形在半剛性路面中普遍存在，由于基層剛度較大，發生在瀝青面層內的車轍變形占主導部分，而基層中產生的永久變形相對較少，甚至可以忽略不計。黃曉明等人[3]通過室內足尺試驗，建立了永久變形與車輛輪載作用次數之間的關系，同時提出在進行瀝青混合料配合比設計時，要注意材料的抗剪切流動性能。近年來，全國各地針對車轍問題進行了大量的研究和現場實際調查，綜合考慮車輛荷載、氣候、自然環境、路面結構組成、施工質量控制、原材料等因素，對瀝青路面車轍病害進行了詳細分析與評價。

3 研究現狀的評述

國內外學者經過多年對瀝青路面車轍問題的研究，提出了許多以瀝青路面永久變形為基礎的車轍預估模型。對于瀝青路面車轍的計算，目前常用的有經驗法、理論法和力學-經驗法。

經驗法直接來源于實際路面，針對性較強，對特定道路精度很高，但該方法在進行車轍預估時僅適用于非常具體的環境條件，因此難以推廣;理論法建立模型較容易，但無論是彈性理論還是黏彈性理論都基于一定的假設條件，混合料性質得不到真實表達，因此在實際應用中不能很好的預估車轍，具有一定局限性;力學-經驗法首先利用理論求解路面的應力、應變，再結合室內外試驗，統計得出瀝青層永久變形同路面結構、材料性質和荷載之間的經驗關系。它借鑒了理論法和經驗法各自的優勢，可得出適用于各種道路結構的永久變形預估模型，是目前車轍預估研究的發展方向。

在對瀝青路面的研究中，層間接觸性能的劣化往往造成路面結構內力學響應發生較大變化，進而對車轍有較大影響。因此，有必要在現有的車轍預估研究基礎上，合理考慮層間接觸狀態這一重要影響因素，進而對車轍預估研究做進一步的完善和發展。

4 結語

（1）力學-經驗法是車轍預估研究的主流方法，但隨著計算機技術的發展，有限元法因其強大的功能被越來越多地應用在車轍研究中，其發展空間廣闊。

（2）目前對車轍的計算和分析主要考慮路面材料特性、荷載、環境、路面結構組成等影響因素，但沒有考慮由于層間接觸狀態變化引起的路面結構力學響應的變化，從而導致對車轍的預估準確性不夠。因此，有必要對考慮層間接觸狀態的車轍病害進行深入研究。

參考文獻：

[1]Barksdale，R.D.Laboratory Evaluation of Rutting in Base Course Materials，Proceedings，Third international Conference on the Structural Design of Asphalt Pavements，London，1972.

[2]徐世法，朱照宏.按粘彈性理論預估瀝青路面車轍[J].同濟大學學報，1990（3）：299-305.

[3]黃曉明，張曉冰，鄧學鈞.瀝青路面車轍形成規律環道試驗研究[J].東南大學學報（自然科學版），2000（5）：96-101.