瀝青路面車轍形成機制及影響因素研究

賈幀鈞

（中國市政工程西北設計研究院有限公司，甘肅 蘭州 730000）

0 引言

車轍是我國城市道路瀝青路面的常見病害之一，其不但降低了行車的舒適性、安全性，還易積水積冰，引起其他次生病害［1-2］，如圖1 所示。二十世紀六十年代以前，道路交通量小、重載車輛少，車轍問題并未引起重視。但隨著路面結構變化、重載車輛的增多，車轍問題日益嚴重并迅速成為研究熱點［3-4］。

圖1 瀝青路面結構示意圖及車轍病害

美國瀝青學會提出以路基頂面壓應變為車轍控制參數進行路面結構設計，Barksdale［5］提出了層應變法，考慮了車輛軸載、溫度等因素影響；徐世法等［6］采用線黏彈性層狀理論建立了車轍的預測模型；廖公云等［7］考慮車輛荷載作用、環境因素影響，建立了路面結構有限元模型，通過數值預測車轍的發展。除了上述學者的研究以外，我國2017 年的《公路瀝青路面設計規范》也對瀝青路面車轍的計算做出了規定，要求基于標準車轍試驗測得的瀝青混合料試件永久變形量，按照經驗公式推算混合料面層永久變形（車轍）［8］。但我國城市道路的車轍病害分布具有較為明顯的不均勻特征，公交站、道路交叉口車轍病害較為嚴重，普通順暢路段則較為輕微。現行規范在進行瀝青路面設計時采用統一標準，忽視了上述分布特征，致使瀝青路面未達使用年限過早出現車轍病害［9-10］。此外，道路運營期間車輛為移動荷載，采用靜力分析方法難以準確評估路面結構的真實應力狀態，無法對早期車轍病害做出合理解釋。因此，探究瀝青路面車轍病害的早期分布特征，明確其形成機理，對于優化路面結構設計、提升路面使用壽命具有重要的工程實際意義。

鑒于此，本研究對湖南省某市多條城市道路的公交站、交叉口路段進行實地調研，研究不同路段車轍病害的分布規律，并基于有限元軟件構建瀝青路面數值仿真模型，模擬剎車過程的瀝青路面力學行為，以期為同類項目的設計、施工提供參考。

1 瀝青路面車轍病害現場調查

依據前期調研資料可知，城市市政道路的公交站、交叉口等路段通常會出現更明顯的車轍病害。基于調研結果，本研究對湖南省某市的多條市政道路進行實地調研，重點關注公交站、交叉口等路段的車轍病害情況，并分析車轍病害的統計特征、分布規律、產生機理。其中，調研對象A 道路為連接市區與高速公路的重要主干道路，采用雙向6 車道、直線式公交車站設計，公交車站設置在輔道，如圖2 所示。路面面層結構采用4 cm（AC-13）+6 cm（AC-20）+半剛性基層。該市政道路的通車時間為2021 年6 月，調研時間為2022 年7 月，測量工具為三米尺及數顯深度儀。

圖2 公交站示意

1.1 公交站路段車轍病害分布規律統計

考慮到不同公交站的車輛班次存在差異，現場調查了5 個班次較為接近的公交站進行數據統計分析，不同公交站的班次信息見表1，車轍深度、分布統計數據如圖3 所示。現場調查結果表明，公交站前后30 m 路段車轍較其他路段更為明顯，深度大于5 mm，最大值出現在公交站處，約為12 mm。

表1 主要調查公交站信息

圖3 公交站路段車轍統計數據

1.2 交叉口路段車轍病害分布規律統計

被調查道路交叉口共有2 個，其中JCK-1 為較小的交叉口，右側車道為右轉車道，JCK-2設有專門的右轉匝道且與直行車道分離。相關交叉口的紅綠燈時長數據見表2。現場調查發現，各交叉口駛入車道的車轍較為嚴重，駛出車道未見明顯車轍。因此，駛入車道為交叉口路段車轍統計的重點。

表2 目標交叉口詳細信息

調查結果表明，瀝青路面車轍主要發生在交叉口50 m 范圍內，且距離交叉口停止線越近車轍越明顯，最大數值達到8 mm。超過距交叉口停車線50 m 范圍的路面車轍深度較小（小于5 mm）。因此下文主要研究距交叉口50 m 內的車轍數據。各交叉口的車轍具體調查情況如圖4 所示。由圖4 可知，交叉口直行車道車轍深度最大，左轉車道次之，右轉車道最小；紅燈時長對左轉車道的車轍深度影響較小，兩者相關性較弱，直行車道的車轍深度受紅燈時長影響明顯，存在正相關性，不同車道車流的連貫性是導致上述現象的主要原因。

圖4 不同交叉口駛入車道車轍縱向分布情況

2 剎車荷載下瀝青路面的數值模型

為了進一步研究車輛荷載，尤其是車輪輪壓荷載、剎車制動及其他因素對車轍病害形成的影響規律，本研究以某市A 道路為研究對象，采用商用數值軟件構建該道路的瀝青路面結構數值仿真模型，分析車輪輪壓、剎車制動等荷載作用下瀝青路面的力學行為，探究公交車站、交叉路口處車轍病害產生的深層原因。

2.1 構建數值幾何模型

依據A 道路的設計資料，道路的路面結構主要為：4 cm（AC-13）+6 cm（AC-20）+半剛性基層。考慮車轍病害大多出現在柔性大的瀝青面層，半剛性基層可近似視為剛性邊界。因此，構建數值模型只考慮瀝青面層。面層結構尺寸為2.0 m×（0.04 m+0.06 m）×2.0 m，采用20 節點的六面體單元，網格平均尺寸為0.2 m，且呈中間小、周邊大分布，以提高計算效率和精度，如圖5 所示。底面約束三個方向的平動位移，側面約束垂直方向的平動位移，以模擬實際結構的邊界條件。

圖5 瀝青面層數值模型

2.2 瀝青數值本構模型

根據調研結果，車轍病害主要是在公車車站、交叉口車輛輪壓靜載、剎車制動荷載的長時間作用下產生的。其中，剎車荷載采用“荷載大小+作用時間”模擬，相關參數基于現場統計結果確定。在數值模擬過程中涉及荷載作用的時間效應以及瀝青材料的蠕變、硬化模擬。鑒于此，數值仿真過程中采用軟件內嵌的Burgers 模型描述瀝青的永久變形與時間的關系，即固結效應。Burgers 模型的應變方程中的加載方程見式（1），卸載方程見式（2）。

式中：σ0、t0分別為初始應力、初始時間；E1、E2分別為瞬時彈性模量、系統延遲彈性模量；η1為黏性系數，τ=瀝青材料的蠕變則采用Bailey-Norton 蠕變模型來表征，相關本構模型的參數通過室內試驗擬合確定。

2.3 材料試驗及本構參數擬合

為確定相關本構模型的參數，在室內制作了瀝青材料試件，通過三軸試驗測定不同溫度、不同荷載下的時間—變形數據。試件為標準試件，采用旋轉壓實儀制作。加載設備為UTM-130 液壓動態試驗系統，如圖6 所示。試驗圍壓為138 kPa，通過預先安裝的兩個位移傳感器反饋位移數據，并通過數據擬合、對比試驗確定瀝青材料的彈性變形參數及相關本構模型參數，具體見表3、表4。

表3 瀝青混合料面層的彈性變形參數

表4 Burgers模型參數擬合

圖6 瀝青材料性能試驗

3 車轍計算及其影響因素數值分析

基于數值模擬計算車轍的過程中，需要將車輛荷載表示為一個具有方向、大小、速度的荷載作用。本研究采用荷載大小+作用時間的方式來描述車輛移動荷載。車輛荷載大小按照車輛不同換算為標準軸載，荷載作用時間則與設計車速成反比。通過現場的相關統計數據可以大致確定車輛荷載。-2 m∕s2制動加速度下瀝青路面的變形云圖如圖7 所示，不同深度路面變形曲線如圖8 所示。計算結果表明，剎車荷載作用下，路面最大凹陷深度為-6.5 mm，最大凸起高度為2.1 mm，即瞬時車轍為8.6 mm。路面的豎向變形最大，從表面往下不同深度處（h=0 cm、2 cm、4 cm、7 cm、10 cm）豎向位移分別為：-6.5 mm、-4.4 mm、-2.5 mm、-1.0 mm、0 mm。結果表明，交叉口、公交車站附近，由于長期存在剎車荷載，瀝青路面不僅會產生凹陷，還有凸起，在時間效應下容易產生較為明顯的車轍。

圖7 剎車荷載下瀝青層變形云圖

圖8 剎車荷載下不同深度處路面變形曲線

一般認為，車輛行駛速度越大，其對瀝青路面的作用力越大，但是作用時間會越小。因此，可以通過改變與速度相關的荷載參數來研究不同車速下車轍的變化及關聯性。不同荷載作用時間、不同制動荷載的車轍計算結果見表5、表6。結果表明，剎車荷載及荷載作用時間對車轍的計算結果有顯著的影響，市政道路公交車站、交叉口車輛頻繁制動是導致瀝青路面車轍病害的重要原因。

表5 不同荷載作用時間對車轍的影響

表6 制動荷載對車轍的影響

4 結論

本研究通過對湖南省某市多條城市道路的公交站、交叉口路段開展實地調研，分析不同路段車轍病害的統計分布規律，并基于有限元軟件構建瀝青路面數值仿真模型，分析了剎車過程的瀝青路面力學行為及主要控制參數對車轍病害的影響規律。研究結果如下。

①城市道路的公交站、交叉口附近30 m 范圍內路段車轍病害明顯，且離停車點越近越嚴重。

②不同車道中，直行車道車轍最為嚴重，右轉車道未發現車轍病害。紅燈時長與車轍深度呈正相關，等待時間越長車轍越深，不同車道車流的連貫性是導致上述現象的主要原因。

③數值仿真結果顯示，公交站或交叉口車輛頻繁減速、制動，使得路面上車輪荷載作用時長增加，是該類路段車轍病害嚴重的另一個重要原因。

④在進行城市道路瀝青路面設計時，應對公交車站、交叉路口30～50 m 范圍內路段進行單獨設計，提高結構層的強度、形變控制指標，以減少車轍病害的產生。