張永福，童景盛，康聯(lián)國(guó)

（中國(guó)市政工程西北設(shè)計(jì)研究院有限公司，甘肅 蘭州 730000）

0 引 言

車轍是車輛行駛后，在路面上留下車輪的壓痕。也是我們對(duì)路面能否正常使用，對(duì)其進(jìn)行評(píng)價(jià)和養(yǎng)護(hù)的一個(gè)重要指標(biāo)。車轍的深度直觀反映了車輛在行駛時(shí)的舒適度，具體表現(xiàn)在瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度、永久變形指標(biāo)的變化。直接影響在一下方面：車輛行駛橫向穩(wěn)定性，車輛變道困難；車轍也可能積水，形成水坑，帶來面層水損壞和行車安全。目前，對(duì)瀝青路面永久變形的研究也是一個(gè)難題，主要是瀝青混合料具有粘彈性的特點(diǎn)，影響瀝青路面的高溫穩(wěn)定性因素的多樣性和復(fù)雜性。車轍的計(jì)算深度δ由輪下的車轍深度D1和車轍每邊凸起的材料高度D2，直接相加得出。公式為：δ=D1+D2，見圖1。

圖1 車轍深度的計(jì)算

1 工程概況

蘭州市九州經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)S468#道路已于2012年建成通車，路面病害主要為局部路段的車轍、沉降、大面積龜（塊）裂，表層剝落等。加之該路段處于經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)進(jìn)出口干道，隨著片區(qū)周邊大型項(xiàng)目的相繼開工建設(shè)，重型車輛增多，局部破損嚴(yán)重路段出現(xiàn)路面沉降，沉降輕重不一，車轍破壞嚴(yán)重，人行道存在鼓包、塌陷等問題。

2019年4月16日我公司組織相關(guān)檢測(cè)人員對(duì)九州經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)S468#道路車轍現(xiàn)象進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，對(duì)車轍比較嚴(yán)重的K0+200、K0+554、K0+805處進(jìn)行設(shè)置檢測(cè)點(diǎn)，依據(jù)《公路路基路面現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試規(guī)程》，利用3 m直尺測(cè)定車轍長(zhǎng)度、深度，見表1。每個(gè)檢測(cè)點(diǎn)進(jìn)行三個(gè)取芯試驗(yàn)，進(jìn)行量取各面層的厚度，與原有瀝青混合料的上下面層厚度比較，結(jié)果見表2。

表1 車道路面車轍檢測(cè)結(jié)果

表2 車道開挖斷面瀝青面層厚度統(tǒng)計(jì)結(jié)果

2 車轍現(xiàn)象分析

通過對(duì)蘭州市九州經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)S468#道路的檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)路面結(jié)構(gòu)層的永久變形，主要是集中在瀝青面層。瀝青混合料是由礦料、瀝青膠漿和空氣組成。在溫度和荷載作用下，通過瀝青膠漿的流動(dòng)，對(duì)瀝青混合料原有礦質(zhì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行破壞等機(jī)理。將瀝青混合料的永久變形大致劃分為三個(gè)階段，即初期壓實(shí)階段、中期穩(wěn)定變形階段、后期破壞失穩(wěn)階段，見圖2。

圖2 瀝青混凝土變形劃分階段

2.1 初期壓實(shí)階段

主要表現(xiàn)在道路運(yùn)行初期，因?yàn)r青混合料面層沒有形成完全壓實(shí)而過度追求平整度，導(dǎo)致出現(xiàn)車轍現(xiàn)象。在高溫季節(jié)和交通量增加的情況下，孔隙率不斷降低，達(dá)到極限空隙率后趨于穩(wěn)定。

現(xiàn)場(chǎng)踏勘初始車轍現(xiàn)象，主要在車行道輪胎附近，兩側(cè)沒有凸起，只有凹面。對(duì)于不在輪胎范圍之內(nèi)的部位，影響不大。這屬于施工不當(dāng)造成的非正常情況下的車轍現(xiàn)象。為了減少車轍的形成，加固碾壓是設(shè)計(jì)中最重要的工序，不要盲目追求平整度，忽略壓實(shí)的適宜性，孔隙率應(yīng)符合規(guī)定的可控范圍。

瀝青混合料主要有瀝青膠漿，在高溫和荷載作用下主要借用于流變學(xué)的應(yīng)用，表現(xiàn)為瀝青的蠕變現(xiàn)象，面層平整度下降，造成明顯車轍現(xiàn)象?；旌狭虾瑸r青占比越大，說明其流動(dòng)性增加，永久變形也增大。

在這一階段，道路剛通車，壓應(yīng)變速率快速增大，瀝青混合料的永久變形隨著增大；在“永久變形-荷載次數(shù)”的拋物線中，表現(xiàn)為“凸”形。

2.2 中期變形階段

該階段，在正常的道路行駛過程中，瀝青混合料處于半固膠狀態(tài)，自身產(chǎn)生流動(dòng)的形態(tài)，填滿瀝青的部分空隙，從而產(chǎn)生了瀝青混凝土的緩慢變形，體積略有變化，開始慢慢產(chǎn)生剪切變形。瀝青混合料的壓應(yīng)變速率維持不變，近視為穩(wěn)定狀態(tài)。

根據(jù)David Roylance所編寫的《屈服和塑性流動(dòng)》[1]，瀝青面層粘結(jié)措施不好，在高溫下集料的位移還會(huì)沿著行車方向進(jìn)行，直接表現(xiàn)為推移病害。而瀝青混合料的推移正是由車輛長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行，施加了一個(gè)水平應(yīng)力；在其應(yīng)力大于瀝青混合料塑性的屈服點(diǎn)時(shí)，瀝青混合料不能夠恢復(fù)到原有狀態(tài)。屈服應(yīng)力通常在僅有單軸應(yīng)力的拉伸試驗(yàn)中確定，預(yù)測(cè)合適發(fā)生時(shí)，根據(jù)屈服準(zhǔn)則來判斷，見圖3。本質(zhì)上的粘性流動(dòng)過程，跟液體的流動(dòng)十分地相似，發(fā)生塑性流動(dòng)時(shí)通常體積不變，相應(yīng)的泊松比V=1/2。

圖3 水平應(yīng)力作用下滑移

此種車轍現(xiàn)象的主要表現(xiàn)為：影響的范圍大，車輪兩側(cè)沒有明顯隆起現(xiàn)象，呈“V”形橫斷面形式。因?yàn)樵谖覈?guó)道路設(shè)計(jì)中，基層設(shè)置半剛性材料，而路面采用瀝青混合料，為流動(dòng)性車轍。對(duì)這一階段所產(chǎn)生的車轍現(xiàn)象，主要是通過新材料和改造再生材料等措施，預(yù)防車轍現(xiàn)象的產(chǎn)生。

2.3 后期失穩(wěn)階段

此階段，路段在重型車輛反復(fù)作用下，其瀝青混合料的承載能力超出其穩(wěn)定極限。隨著車輛運(yùn)行次數(shù)的增加，對(duì)原有粗骨料產(chǎn)生了擠壓，原有的瀝青及膠漿，流向車行道自由端，重新對(duì)骨架進(jìn)行排列，通過剪切變形，不再有體積變化。當(dāng)水平應(yīng)力超過某一點(diǎn)時(shí)，應(yīng)變有非常明顯的增加，而水平應(yīng)力先是下降，然后作微小的波動(dòng)，這種水平應(yīng)力基本保持不變，而應(yīng)變顯著增加的現(xiàn)象，稱為屈服或者流動(dòng)。而流動(dòng)數(shù)表示該階段達(dá)到迅速破壞起點(diǎn)時(shí)，荷載作用的次數(shù)，一般用“FN”表示。

參考東南大學(xué)的《瀝青混合料永久變形的三軸重復(fù)荷載試驗(yàn)研究》[2]，按照道路原有瀝青面層結(jié)構(gòu)，選取不同級(jí)配的四種瀝青混合料，AC-13F、AC-13C、AC-16和AC-20的比較。流動(dòng)數(shù)為永久應(yīng)變對(duì)荷載作用次數(shù)的變化率，應(yīng)變率開始增大點(diǎn)對(duì)應(yīng)變?yōu)槠茐乃苄詰?yīng)變。分析影響流動(dòng)數(shù)變化的因素，見表3級(jí)配形式。

表3 瀝青混合料級(jí)配

通過三軸荷載試驗(yàn)，分別選用不同溫度40℃、50℃、60℃下，根據(jù)不同的水平應(yīng)力0.7、0.8、1.0 MPa，研究瀝青混合料流動(dòng)數(shù)的影響。經(jīng)驗(yàn)證，在溫度為40℃，水平應(yīng)力在0.7 MPa的條件下，試驗(yàn)結(jié)果測(cè)得見表4。

表4 瀝青用量、孔隙率、流動(dòng)數(shù)（溫度40℃，水平應(yīng)力0.7 MP a）

根據(jù)表4可知，每種瀝青混合料，在孔隙率相同條件下，瀝青用料多，流動(dòng)數(shù)??；反之，在瀝青用料相同條件下，孔隙率大的流動(dòng)數(shù)小。

通過荷載試驗(yàn)，溫度和加載應(yīng)力對(duì)混合料流動(dòng)數(shù)的影響，試驗(yàn)結(jié)果見表5。

表5 不同溫度、應(yīng)力、流動(dòng)數(shù)

由表5可知，隨著溫度的增大，相同應(yīng)力下，流動(dòng)數(shù)減小；相同溫度下，隨著水平應(yīng)力的增大，流動(dòng)數(shù)也減小。

損壞時(shí)容易使車輪對(duì)應(yīng)的路面部位下凹，車輪作用的路面兩側(cè)容易產(chǎn)生隆起現(xiàn)象。在彎道處還明顯向外推擠，使車道線與停車線容易變成彎曲的曲線，造成交通事故的發(fā)生。

在該階段，主要表現(xiàn)為瀝青混合料的流動(dòng)特性。一般在道路的上坡、轉(zhuǎn)彎、道路交叉口位置，該處的路面因車輛速度較低，輪胎接地引起的側(cè)向應(yīng)力較大，對(duì)主要行駛雙輪車的路段，車轍斷面成“W”形橫斷面，對(duì)行駛寬幅單輪車的路段，車轍成非對(duì)稱形狀。導(dǎo)致瀝青面層出現(xiàn)了推移破壞，影響道路壽命。

3 結(jié) 語

經(jīng)過對(duì)瀝青混凝土車轍的形成、破壞，進(jìn)行剖析，分析產(chǎn)生這種現(xiàn)象的影響。外部有溫度、行車荷載等因素的影響；內(nèi)部主要有瀝青的優(yōu)化級(jí)配、油石比、孔隙率等因素影響。對(duì)瀝青混合料產(chǎn)生塑性變形的情況下，找到瀝青混合料的屈服點(diǎn)，繪制瀝青混合料變形劃分階段的拋物線，以及預(yù)測(cè)瀝青混合料的后期失穩(wěn)破壞。

對(duì)于工程師，在瀝青面層建設(shè)時(shí)，建議根據(jù)當(dāng)?shù)販囟冗x擇合適的瀝青種類，可添加一定量的抗車轍劑，應(yīng)用改性瀝青，控制瀝青穩(wěn)定度，延長(zhǎng)瀝青路面壽命。