2021, Vol. 38扩展功能
文章信息
- 周健民, 吴博
- ZHOU Jian-min, WU Bo
- 长大纵坡路段沥青路面车辙规律和影响因素
- Rutting Rule and Influencing Factors of Asphalt Pavement in Large Longitudinal Slope Section
- 公路交通科技, 2021, 38(7): 9-16, 44
- Journal of Highway and Transportation Research and Denelopment, 2021, 38(7): 9-16, 44
- 10.3969/j.issn.1002-0268.2021.07.002
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文章历史
- 收稿日期: 2021-03-31
2. 长安大学 公路学院, 陕西 西安 710064
2. School of Highway, Chang'an University, Xi'an Shaanxi 710064, China
近年来，随着我国高速公路的不断延伸和发展，建设的主战场已经逐渐向山区转移。但是，由于山区地形的限制以及大高差的不利影响，高速公路在设计和建造时不可避免地形成了较多长大纵坡路段。在高温、重载、慢速等耦合作用的影响下，长大纵坡路段容易产生推移、拥包等病害，尤其是长大爬坡路段的沥青路面上经常产生严重的车辙，极大地影响了通行车辆的安全性和道路的服役寿命[1-6]。
从已有的研究成果来看，国外对沥青路面的车辙问题进行了不少研究[7-10]，但是，国外大多数研究针对的都是平坡路段，较少有针对长大纵坡路段的研究。相比于国外，国内研究者针对山区长大纵坡路段的车辙问题，在材料设计、结构优化、病害防治等方面开展了大量研究[11-16]。李明国等[17]研究发现，重载车辆在长大纵坡往往慢速行驶，但是在重载与慢速的耦合下，其对沥青混合料动稳定度的影响超过单一的重载影响。吴浩等[18]发现长大纵坡路段的车辙沿纵向的分布规律与其他路段的基本一致，而在同一坡段观察(由坡底至坡顶)，车辙深度逐渐增大，不足之处在于未进行现场取样和室内测试，以及只考虑了爬坡速度对车辙的影响。陈宝[19]通过数值模拟建立了长大纵坡处力学响应模型，研究了纵坡坡度、超载、低速、轴载等外因对车辙的影响，同样未进行现场调查，模型中也未考虑沥青混合料材料特性对车辙的影响。
目前，国内对山区长大纵坡路段沥青路面车辙的研究确实取得了一些成果，但是还存在以下不足: (1)研究成果大多基于室内试验和数值模拟所得出，缺少与实际工程之间的有效结合，研究结论的可靠性还需要进一步验证；(2)研究者较少采用钻芯取样的方法获得现场样本，同时，也较少结合室内测试试验，系统研究长大纵坡沥青路面车辙的特点和形成机理；(3)研究人员在分析车辙的影响因素时不够全面，且较少定量分析坡长、车速等因素对车辙的影响程度，导致车辙预估模型的精度与实际测量值相差较大。
为了填补上述不足，本研究依托铜黄高速公路，通过对其长大纵坡路段典型车辙病害的详细调查和钻芯取样，采用自主开发的圆柱形试件车辙试验(CSWTT)，探讨长大纵坡沥青路面车辙分布规律和产生机理。另外，通过分析外部和内部因素对长大纵坡路段车辙的影响，提出改善路面抗车辙性能的建议。
1 长大纵坡路段沥青路面调查 1.1 交通量调查铜黄高速位于黄土丘陵地区，设计速度为80 km·h-1, 路线所经地段的高差为100~200 m，分水岭及河间地段大于300 m，全线存在多个长大纵坡路段。根据调查的交通量数据，绘制了日平均交通量图(见图 1)。
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| 图 1 铜黄高速日平均交通量 Fig. 1 Average daily traffic of Tongling-Huangshan expressway |
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由图 1可知，将各种车型按车辆换算系数折算为小客车后，日平均交通量总和大于10 000辆，因此具有重载交通的特点，而且各种货车总和占总日平均交通量的比例超过50%。初步推断，这些重载货车在长大爬坡路段的低速行驶可能是诱发车辙病害的重要原因之一。
1.2 长大纵坡路段车辙病害调查采用抽样统计法随机抽取了铜黄高速不同长大纵坡路段的车辙深度(表 1)。由表 1可知，长大纵坡路段的车辙普遍比一般路段更深，尤其当坡度较大(>3%)和坡长较长时，车辙深度普遍都大于40 mm。
| 序号 | 坡度/% | 坡长/m | 车辙深度/mm |
| 1 | 2.08 | 1 480 | 26 |
| 2 | 2.47 | 2 307 | 42 |
| 3 | 2.57 | 980 | 34 |
| 4 | 3.00 | 1 058 | 39 |
| 5 | 3.17 | 915 | 43 |
| 6 | 3.18 | 1 251 | 47 |
| 7 | 3.50 | 861 | 49 |
| 8 | 3.62 | 607 | 47 |
在车辙较为严重的路段，开挖了车辙典型断面，同时，测量了典型断面处的车辙深度。由图 2可知，中面层的变形最大，且车辙主要发生在上、中面层。
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| 图 2 典型断面处的车辙深度 Fig. 2 Rutting depth at typical section |
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另外，选取车辙病害严重的路段制取直径为150 mm的圆柱形沥青路面芯样，以便于室内研究。
2 长大纵坡路段沥青路面车辙分布规律 2.1 基于现场取芯的车辙分布规律据调查，铜黄高速大多数路段路面结构层的设计厚度为“上面层40 mm+中面层50 mm+下面层60 mm”，少数路段路面结构层的设计厚度为：“上面层40 mm+中面层60 mm+下面层100 mm”，现场钻取芯样的总厚度和结构层厚度，见表 2。由表 2可知，中面层的变形最大，其次是下面层，上面层最小。但是在少数路段中(如芯样2所在路段)，变形最大处发生在下面层。因而多数路段的车辙发生于中面层，只有在下面层比较软弱的路段，车辙才主要发生于下面层。
| 芯样编号 | 总厚度/mm | 上面层厚度/mm | 中面层厚度/mm | 下面层厚度/mm | |||||||||||
| 车辙处 | 隆起处 | 停车道 | 车辙处 | 隆起处 | 停车道 | 车辙处 | 隆起处 | 停车道 | 车辙处 | 隆起处 | 停车道 | ||||
| 1# | 139 | 149 | — | 36 | 38 | — | 44 | 56 | — | 58 | 59 | — | |||
| 2# | 102 | 127 | — | 38 | 40 | — | 38 | 40 | — | 34 | 44 | — | |||
| 3# | 127 | 163 | 147 | 34 | 40 | 38 | 38 | 60 | 49 | 60 | 62 | 58 | |||
| 4# | 133 | 155 | 148 | 36 | 39 | 37 | 43 | 57 | 50 | 59 | 60 | 58 | |||
| 5# | 162 | 196 | — | 34 | 37 | — | 40 | 66 | — | 91 | 93 | — | |||
| 6# | 168 | 201 | — | 33 | 38 | — | 42 | 68 | — | 92 | 92 | — | |||
| 注：带#号者为铜黄高速公路结构层设计厚度较厚处的路面芯样，下同。 | |||||||||||||||
由表 3可知：(1)中面层的平均变形率最高，达到了60%，主要原因是其受到的横向剪应力最大，而此层位沥青的抗车辙能力又未能满足抗车辙的要求；(2)上面层的平均变形率最小，只有17%，说明上面层并不是车辙的主要发生层；(3)下面层的变形率分布差异较大，如2#芯样下面层的变形率接近60%，可能是该芯样所在路段存在软弱下面层，所以当行车荷载作用时，下面层变形较大。
| 芯样编号 | 隆起处与车辙处厚度差值/mm | 变形率/% | ||||||
| 总变形 | 上面层 | 中面层 | 下面层 | 上面层 | 中面层 | 下面层 | ||
| 1# | 18 | 3 | 12 | 3 | 17 | 67 | 17 | |
| 2# | 22 | 3 | 6 | 13 | 14 | 27 | 59 | |
| 3# | 33 | 7 | 21 | 5 | 21 | 64 | 15 | |
| 4# | 20 | 4 | 13 | 3 | 20 | 65 | 15 | |
| 5# | 32 | 4 | 22 | 6 | 13 | 69 | 19 | |
| 6# | 38 | 6 | 25 | 7 | 16 | 66 | 18 | |
| 平均值 | 27 | 5 | 17 | 6 | 17 | 60 | 24 | |
另外，通过观察芯样的外观(图 3)，很容易看出，中面层附近的变形最大，其中沥青与集料的错动最为明显。
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| 图 3 中面层严重的流动变形 Fig. 3 Severe flow deformation in middle surface course |
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2.2 基于圆柱形试件车辙试验(CSWTT)的车辙分布规律 2.2.1 可行性分析
为了测试沥青混合料的高温抗车辙能力，常选用30 cm×30 cm×5 cm的板式试件进行车辙试验，但是在现场若切割同规格的板式试件，既会对路面造成较大的损害，也难以在现场开展大量试验。鉴于此，开发了一种可承载圆柱形芯样的车辙模具[20](见图 4)，利用圆柱形试件车辙试验(CSWTT)评价沥青混合料的抗车辙性能，其力学原理、试验参数、试验条件都同国产车辙仪，显著优点是适合现场取样、快速评价，同时对路面破坏较小，测试结果更为准确。
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| 图 4 圆柱形试件车辙试验模具(单位: mm) Fig. 4 Test moulds of CSTT(unit: mm) |
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张争奇等[20]通过模拟软件建立了圆柱形和板式试件的三维有限元模型，并且计算了断面的应力分布，发现两种试件的横向应力及剪应力分布具有相似的变化规律，从理论上论证了CSWTT的可行性。试验方面，本研究分别对成型的板状试件和圆柱形试件进行了车辙试验，结果如表 4所示，相关性分析见图 5。
| 混合料类型 | 油石比 | 动稳定度/(次·mm-1) | |
| 板式试件 | 圆柱形试件 | ||
| AC-13 | 5.1 | 5 000 | 13 145 |
| 3 010 | 11 200 | ||
| 4 236 | 9 087 | ||
| 4 720 | 8 277 | ||
| AC-20 | 4.3 | 4 308 | 13 152 |
| 3 967 | 8 750 | ||
| 5 263 | 10 008 | ||
| 4 725 | 14 660 | ||
| AC-25 | 3.7 | 5 285 | 14 799 |
| 5 082 | 13 222 | ||
| 4 565 | 9 700 | ||
| 6 269 | 10 087 | ||
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| 图 5 不同形状试样的相关性分析 Fig. 5 Correlation analysis of different shaped samples |
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由图 5可知，在60 ℃的试验条件下，圆柱形试件与板式试件的动稳定度(DS)相关系数达到了0.904 2，表明圆柱形试件车辙试验表征沥青混合料的高温抗车辙性能是可靠的，因此基于CSWTT分析了车辙规律和车辙机理，试验方法及步骤描述详见文献[20]。
2.2.2 CSWTT分析对某断面(下称断面A)的超车道和行车道处钻取芯样，并且实施了CSWTT，结果见图 6。
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| 图 6 断面A处芯样的CSWTT结果 Fig. 6 CSTT result of core samples at section A |
| |
由图 6可知: (1)抗车辙性能最好的是上面层，其次是下面层，而中面层在所有面层结构中的抗车辙能力最差；(2)行车道处与超车道处中面层的车辙发展速度均很快，当行走次数＜2 000次时，试样已发生破坏，表明中面层的抗车辙性能存在严重不足。
3 长大纵坡路段沥青路面车辙产生机理 3.1 基于芯样测试的车辙产生机理测试了芯样结构层的毛体积密度，见表 5。由表 5可知，各结构层车辙处的密度一般都大于隆起处和停车道处。因为开放交通后，由于行车碾压引起的压密作用会使得沥青混合料的体积发生变化，同时颗粒之间的排列更为紧密，进而产生压密变形。
| 芯样编号 | 上面层密度/(g·cm-3) | 中面层密度/(g·cm-3) | 下面层密度/(g·cm-3) | ||||||||
| 车辙处 | 隆起处 | 停车道 | 车辙处 | 隆起处 | 停车道 | 车辙处 | 隆起处 | 停车道 | |||
| 1# | 2.520 0 | 2.518 8 | — | 2.458 7 | 2.452 1 | — | 2.508 8 | 2.505 0 | — | ||
| 2# | 2.500 3 | 2.451 0 | — | 2.499 7 | 2.744 0 | — | 2.488 0 | 2.463 9 | — | ||
| 3# | 2.547 9 | 2.507 3 | 2.507 9 | 2.502 9 | 2.490 1 | 2.499 6 | 2.483 6 | 2.475 0 | 2.492 2 | ||
| 4# | 2.513 4 | 2.505 7 | 2.506 0 | 2.506 9 | 2.481 9 | 2.472 3 | 2.493 9 | 2.773 0 | 2.467 9 | ||
| 5# | 2.532 1 | 2.501 3 | — | 2.503 8 | 2.493 7 | — | 2.485 2 | 2.473 5 | — | ||
| 6# | 2.520 7 | 2.496 4 | — | 2.502 3 | 2.492 1 | — | 2.481 3 | 2.471 2 | — | ||
基于流变学原理，测试了芯样结构层的沥青含量(表 6)。从表 6可以发现，整体上隆起处的油量高于车辙处，路段油量差平均在0.1%以上，最大为0.22%(见3号芯样路段下面层处)，说明沥青混合料在高温和荷载下发生了明显的横向流动。
| 芯样编号 | 上面层沥青含量/% | 中面层沥青含量/% | 下面层沥青含量/% | ||||||||
| 车辙处 | 隆起处 | 停车道 | 车辙处 | 隆起处 | 停车道 | 车辙处 | 隆起处 | 停车道 | |||
| 1# | 4.98 | 4.92 | — | 4.72 | 4.86 | — | 4.38 | 4.27 | — | ||
| 2# | 4.86 | 4.97 | — | 4.60 | 4.81 | — | 4.30 | 4.32 | — | ||
| 3# | 4.96 | 5.14 | 4.81 | 4.12 | 4.63 | 4.70 | 4.18 | 4.40 | 4.55 | ||
| 4# | 4.84 | 4.86 | 4.81 | 4.68 | 4.62 | 4.68 | 4.24 | 4.40 | 4.45 | ||
| 5# | 4.81 | 4.95 | — | 4.59 | 4.76 | — | 3.51 | 3.62 | — | ||
| 6# | 4.83 | 4.96 | — | 4.62 | 4.78 | — | 3.54 | 3.66 | — | ||
3.2 基于CSWTT试验的车辙机理
对同一断面(断面A)不同位置的路面芯样实施了CSWTT试验, 见图 7。
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| 图 7 断面A不同位置处芯样的CSWTT结果 Fig. 7 CSTT result of core samples at different positions of section A |
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由图 7可知，停车道的车辙要大于超车道和行车道，得出开放交通后沥青路面每个结构层都会产生一定的压密变形，另外，车辙变形都会包含一定程度的压密变形。经过进一步分析，对于沥青路面表面层的所有测点的车辙变形分为两个阶段，即压密阶段和稳定阶段；而对于沥青路面中面层和下面层来说，其车辙变形较快，相对之下其压密过程不显著。因此沥青路面车辙变形分为两个部分，即起初的压密变形和剪切流动变形。此外，沥青路面表面层胶结料采用了抗车辙改性沥青，高温性能比较好，表明该路面的车辙变形绝大部分是由中面层和下面层的剪切流动变形所导致。
综上，长大纵坡路段沥青路面车辙产生的机理应是沥青混合料在重载、高温、慢速下产生的剪应力超过了材料本身的抗剪强度，进而使混合料发生流动变形，逐渐形成了车辙。因此，需要通过分析长大纵坡路段车辙的影响因素，并且提出针对性的措施，以控制剪应力的大小，减少车辙的发生。
4 长大纵坡路段路面车辙的影响因素 4.1 纵坡坡度和坡长从表 1中可以发现，当坡度一定时，坡长越长，车辙越易出现，同理亦然。进一步分析，若纵坡坡度保持不变，当纵坡坡长增加1%时，车辙深度随之增加0.11 cm；反之，若纵坡坡长保持不变，当纵坡坡度增加1%时，车辙深度随之增加0.30 cm，表明纵坡坡长对车辙的贡献率远高于纵坡坡度。这可能是由于纵坡坡度的增加对剪应力的增长幅度较为有限，而纵坡坡长的增加会直接引起行驶车辆的车速下降，同时也导致轮胎与路面作用时间的延长。因此，在设计阶段，就要合理选用坡度与坡长的组合，尽量避免长陡坡的发生。
4.2 行车速度采用雷达测速仪分别测试了4处长大纵坡坡脚和坡顶处重载车辆的车速，同时测量了最大车辙深度(表 7)，发现坡长越长，坡度越大，平均车速越低，相应地，车辙最大深度也最深，可能是行车速度的降低延长了荷载作用于路面的时间，依据时温等效原理，相当于间接提高了沥青路面所要承受的温度，从而导致沥青路面相同交通量下引起的车辙增大。因此，在设计时就要综合考虑坡度和坡长的合理组合，满足重载车辆的最低爬坡速度。
| 测点 | 坡长/m | 坡度/% | 平均车速/(km·h-1) | 最大车辙深度/cm |
| 1坡脚 | 600 | 4.0 | 55.5 | 1.8 |
| 1坡顶 | 600 | 4.0 | 40.67 | 2.0 |
| 2坡顶 | 500 | 4.6 | 37.56 | 2.5 |
| 3坡顶 | 1 000 | 5.0 | 28.11 | 3.0 |
| 4坡顶 | 2 400 | 3.1 | 41.05 | 2.0 |
4.3 温度
沥青混合料的不足之处是对温度比较敏感，高温时易产生流动变形，低温时又易产生开裂。一方面，路面的高温和环境温差直接导致了混合料的抗剪强度、回弹模量、泊松比等存在显著下降；另一方面，在重载和渠化交通等的不利组合下，更易使路面车辙发生。因而建议在路面表面设置热反射涂层以降低路面结构内部温度。
4.4 沥青混合料材料特性 4.4.1 混合料及集料级配利用上文中提到的圆柱板试件，采用马歇尔方法设计了TH高速各面层沥青混合料的级配类型及设计级配，如表 8所示。此外，对典型车辙断面的芯样进行了筛分试验，如表 9所示。
| 面层层位 | 混合料类型 | 不同筛孔尺寸/(mm)通过率/% | ||||||||||||
| 31.5 | 26.5 | 19 | 16 | 13.2 | 9.5 | 4.75 | 2.36 | 1.18 | 0.6 | 0.3 | 0.15 | 0.075 | ||
| 上面层 | AC-13 | 100 | 100 | 100 | 100 | 95.6 | 80.4 | 42.3 | 25.2 | 18.8 | 14.1 | 10.3 | 8.6 | 6 |
| 中面层 | AC-20 | 100 | 100 | 98.2 | 88 | 76 | 62.8 | 39.5 | 27.8 | 18.5 | 13.1 | 10.1 | 8.3 | 5.7 |
| 下面层 | AC-25 | 100 | 97.1 | 78.7 | 68.7 | 60 | 50.4 | 32 | 19.8 | 14.2 | 9.7 | 7.8 | 6.7 | 4 |
| 断面位置 | 车辙深度/mm | 4.75 mm关键筛孔通过率/% | ||
| 上面层 | 中面层 | 下面层 | ||
| 1 | 18 | 50.7 | 50.1 | 44.1 |
| 2 | 22 | 57.2 | 53.8 | 38.4 |
| 3 | 33 | 53.0 | 52.0 | 46.0 |
| 4 | 20 | 45.1 | 35.2 | 50.2 |
| 5# | 32 | 52.7 | 49.3 | 38.6 |
| 6# | 38 | 54.3 | 51.2 | 49.3 |
由表 8和表 9可知，铜黄高速各面层主要级配类型属于细级配，而各断面4.75 mm筛孔的通过率都相对较大，大都超过了45%，说明集料之间未形成骨架结构，相应地，沥青混合料的抗车辙能力也存在明显不足。因此在混合料设计时需要注意优化集料级配，以形成较为密实的骨架结构。
另外，集料的几何特性(形状、粒径等)及表面特性(表面粗糙度、棱角性等)特性也会影响混合料的骨架密度程度，继而影响抗车辙能力。因此在沥青混合料设计时，应优选质地坚硬，表面粗糙且多棱角的集料，并适当提高集料粒径。
4.4.2 沥青种类沥青种类会影响相应沥青混合料的高温稳定性, 不同面层使用的沥青种类如表 10所示。
| 面层层位 | 沥青种类 |
| 上面层 | SBS-70#改性沥青 |
| 中面层 | 盘锦AH-70#基质沥青 |
| 下面层 | 盘锦AH-70#基质沥青 |
由表 10可知，上面层选用了SBS改性沥青，其抗车辙能力更强，中、下面层选用了基质沥青，抗剪切变形能力并不如SBS改性沥青。由于中面层是路面结构最主要的抗车辙层，基质沥青的抗剪切能力很不理想，因而导致车辙易在本层发生，这点也在前述的CSWTT结果中得到了验证。因此宜在中面层使用抗车辙能力更强的SBS改性沥青。
4.4.3 沥青用量油石比会对沥青混合料的压实性能产生重要影响，具体表现为当油量较小时，混合料难以达到规定的压实度；而当油量过高后，结构沥青并不会相应地增加，反而自由沥青对混合料的润滑作用愈强，使沥青混合料的抗车辙能力急剧下降。从表 6可知，中面层的沥青含量基本上大于4.6%，且车辙处的沥青含量都小于隆起处和停车道处，说明沥青和沥青胶浆发生了横向流动，造成这种现象的原因是中面层沥青含量较高。因此，宜控制油石比，以保证混合料的压实性能和抗车辙能力。
5 结论基于车辙现场调查、钻芯取样和CSWTT测试，获得的主要结论如下：
(1) 根据典型断面车辙深度以及车辙处路面芯样的测试结果，发现当纵坡坡度较大、纵坡长度较长时，沥青路面车辙最为严重，且长大纵坡路段沥青路面车辙集中分布在中、下面层。因此，为了保证中面层材料的抗车辙性能，宜优化混合料级配设计，选用高模量沥青混凝土，在基质沥青中掺加抗车辙剂等措施。
(2) 利用自主开发的圆柱形车辙试验(CSWTT)，测试了长大纵坡路段路面芯样的毛体积密度和沥青含量，结果表明：车辙处的密度值和油量都大于隆起处和停车处。这可能是由于沥青在高温与荷载的作用下抗剪切能力不足，从而发生了流动变形。此外，分析长大纵坡路段沥青路面车辙的组成可知，其主要由压密变形和剪切流动变形组成。其中，剪切流动变形持续时间更长，对沥青路面车辙的影响更为严重。
(3) 通过分析纵坡坡度与坡长、行车速度、温度等外部因素和沥青混合料材料特性(混合料及集料级配、沥青种类、沥青用量)等内部因素对长大纵坡车辙的影响，分别提出了选用合理坡度与坡长组合、考虑重载车辆的最低爬坡速度、设置热反射涂层、优化集料级配、选用抗车辙性能较好的抗性沥青以及控制沥青用量等切实建议。
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