柔性基層瀝青路面車轍演化規律研究

廖小芳

（湖南省交通規劃勘察設計院有限公司，湖南永州410203）

1 引言

柔性基層瀝青路面在國外應用廣泛，西非許多國家也普遍采用柔性基層的結構形式。柔性基層瀝青路面的主要病害之一是車轍，一直以來也是學者研究的重點[1~9]。紅土粒料是西非地區特殊的礫石材料，料源豐富，工程性能良好，在赤道幾內亞等西非國家道路建設中應用廣泛，一般應用于道路底基層，也有使用改良紅土粒料作為基層材料的項目[10，11]，但其用作柔性基層的長期性能及車轍演化規律尚需進一步驗證研究。本文基于修筑的柔性基層瀝青路面試驗段，采用足尺加速加載試驗方法，對比了6種由紅土粒料和碎石組成的典型路面結構，通過分析車轍變形曲線、最大變形量、車轍變形面積等指標，確定典型路面結構的車轍演化規律。

2 足尺加速加載試驗方法

2.1 試驗段概況和結構設計

以1∶1的比例建立6種典型路面結構形式。設計面層厚度為5 cm和10 cm，分別適用于輕交通和中交通；設計4種基層形式，具體結構形式見表1。本實驗采用足尺加速加載設備MLS66，為滿足MLS66加載的作業空間，并保證3次加載帶（1#、2#和3#）互不干擾，結構寬度取6 m，其中，左側和右側分別為3.5 m和2.5 m；長度需滿足作業空間要求，且加載長度為6.6 m，因此，結構長度取8~12 m，此處取為10 m。

表1 6種典型路面結構形式

2.2 材料性能

試驗材料包括石灰土、紅土粒料系材料（天然紅土粒料、水穩紅土粒料、摻碎石紅土粒料）、未篩分碎石、瀝青混合料（瀝青穩定碎石ATB和瀝青混凝土AC）等，未篩分碎石是軋石機軋出來的粒徑大小不一的碎石混合料，摻碎石紅土粒料是綜合未篩分碎石與紅土粒料的級配特點，以1∶1配合而成，水穩紅土粒料則是在天然紅土粒料中摻加3%水泥。7%石灰土是為了模擬當地板結高強度的路基土條件，瀝青穩定碎石ATB-25C、瀝青混凝土AC-13C和瀝青混凝土AC-20C均按照標準材料設計。

天然紅土粒料的細料和大粒徑料偏多，中間粒徑料偏少，而未篩分碎石的細料偏少，二者都是級配不良。摻碎石紅土粒料的級配得到有效改良，位于規范一級路上下限之間。同時，比較5種筑路材料的CBR（加州承載比）和現場承載板模量可知，未篩分碎石和摻碎石紅土粒料的CBR最大，均超過120，但水穩紅土粒料基層的承載板模量更高，這與其板結硬化有關。鋪設完瀝青層后，結構C的現場承載板模量最大，其他結構模量接近，均處于250~290 MPa。

2.3 加載方案

足尺加速加載試驗（APT）的軸載近似模擬法國標準軸載，雙輪軸載60 kN，胎壓0.662 MPa，加載速度22 km/s；模擬真實氣候環境，氣溫一般在20~35℃，故本文僅在冬季低溫環境加熱至20~35℃（2017年2月7日~2017年3月8日采用加熱板），不設高溫條件。3個輪跡帶位置依次按照圖1中1#、2#、3#的順序開展加載。輪跡帶1#、2#加載結束后，加鋪瀝青混凝土AC-13C上面層，再加載輪跡帶3#。3個輪跡帶實際加載次數分別為4×105次、1.06×106次和1×106次。采用MLS66配套的斷面儀測量車轍變化，每條輪跡帶都有7個橫向測試斷面，如圖1所示，其中，1~3號斷面屬于結構A、結構C、結構E，5~7號斷面屬于結構B、結構D、結構F。4號斷面位于結構交界處。對于1#輪跡帶，前5.5×104次，每1×104次測量1次，5.5×104次后，每1.5×104次測量1次；對于輪跡帶2#和3#，前1×105次每1×104次測量1次，1×105次后，每2×104次測量1次。

圖1 結構平面尺寸

3 試驗結果

3.1 車轍變形曲線

分析6種結構的車轍變形曲線（以結構F為例，見圖2），發現各結構均為整體凹陷變形，結構A、結構B、結構D、結構E、結構F的斷面兩側的車轍凹陷橫向長度為800~960 mm，斷面中間的隆起橫向長度約為150 mm，兩側無隆起；結構C的斷面兩側車轍凹陷橫向長度超過1 000 mm，橫向長度比其他結構大，車轍變形橫向分布更均勻；未篩分碎石基層（結構C和結構E）的隆起高度比＞摻碎石紅土粒料基層（結構B和結構F）的隆起高度比＞水穩紅土粒料基層（結構D）的隆起高度比，說明了水穩紅土粒料層呈現整體凹陷最顯著。

圖2 結構F的車轍變形曲線

3.2 斷面最大變形量

統計各結構隨加載次數的最大車轍變形量，即最大隆起高度與最大凹陷深度之和。按照國內外柔性基層瀝青路面車轍控制標準，美國以最大車轍變形量25 mm代表車轍損壞嚴重級。我國以25 mm為輕度和重度車轍的界限值。因此，本文以25 mm作為車轍損壞的參考標準。分別采用1＃輪跡帶3號、5號斷面，2＃輪跡帶3號、5號斷面，3＃輪跡帶3號、5號斷面為結構A、結構B、結構C、結構D、結構E、結構F的代表斷面，做出代表斷面的最大變形量隨加載次數的變化曲線，如圖3所示。

由圖3可知，最大變形量與加載次數之間呈冪函數關系，最大變形量曲線均表現出先快速上升后平穩增長的趨勢；5 cm瀝青層的加載早期車轍增長最快；10 cm瀝青層3條曲線接近，穩固增長，水穩紅土粒料早期開裂導致加載2×105~6×105次時車轍增長快；20 cm瀝青層的車轍最小、增長最慢，加載8×105次基本趨于穩定。

圖3 代表斷面車轍最大變形量變化規律

3.3 車轍變形面積

車轍變形僅能反映某一點的變形特性，不能反映路面整體結構的變形情況。通過計算路面車轍變形面積，可以得出車轍凹陷面積、車轍隆起面積等。車轍變形面積曲線變化趨勢與最大變形量變化圖基本相同，但加載至后期，5 cm瀝青層的2種結構凹陷面積差距比最大變形量2條曲線差距減小，10 cm瀝青層的3種結構凹陷面積差距也比最大變形量的3條曲線要小，說明了雖然結構B的最大變形量比結構A大得多，但整體凹陷面積相差不大，這是由于結構A橫向凹陷寬度增加引起的。結構D、結構E、結構F也具備相同規律，說明了加載后期，摻碎石紅土粒料和水穩紅土粒料的車轍變形主要體現在深度增加，而其他結構雖然深度增加較緩，但寬度增加加快，變形呈向水平面擴展。

4 結論

1）所有柔性基層結構均表現為整體凹陷變形，屬于結構性車轍，車轍隨著加載而逐漸變大；厚瀝青層車轍橫向分布更均勻，水穩紅土粒料層隆起高度比最小，整體凹陷最顯著。

2）最大變形量與加載次數之間呈冪函數關系；瀝青層越薄，早期車轍增長越快，僅在3×105軸次時達到車轍破壞，而瀝青層越厚，總車轍越小、增長越緩，20 cm瀝青層的車轍在1×106次僅達到輕微車轍標準，這是由于瀝青層越厚，基層底基層豎向應力越小，基層變形量減少。

3）對于柔性基層，基層抗車轍能力排序：瀝青穩定碎石+未篩分碎石＞未篩分碎石≥摻碎石紅土粒料＞水穩紅土粒料；面層抗車轍能力排序：20 cm瀝青層＞10 cm瀝青層＞5 cm瀝青層。

4）加載后期，摻碎石紅土粒料和水穩紅土粒料的車轍變形主要體現在車轍深度的增加，而其他結構雖然車轍深度增加減緩，但橫向凹陷寬度增加加快，變形呈向水平兩側擴展。