目前我国规范还没有针对沥青路面结构的标准车辙试验方法，也没有设定整体的抗车辙性能控制标准，因而无法依据规范从抗车辙性能的角度进行沥青面层结构组合设计。目前依据规范所能做的就是对沥青混合料的抗车辙性能进行控制，但沥青混合料的抗车辙性能好坏并不代表由其组成的结构的抗车辙性能的好坏。虽然有研究试图修正和完善沥青混合料的抗车辙性能的评价指标和标准^{[1, 2, 3, 4, 5, 6, 7]}，但通过室内或现场试验直接对比不同组合结构的整体抗车辙性能是最直接的方法。

目前也有学者直接针对沥青面层或沥青路面结构开展过整体抗车辙性能研究，如纪小平等通过现场ALF试验对比过3种不同组合结构的抗车辙性能^[5]；杨博等开展过双层组合结构的室内轮辙试验^[8]；杨军等通过汉堡车辙试验和环道试验开展过两层式沥青面层结构的抗车辙性能研究^[9]；吴瑞麟开展过三层式沥青面层的室内轮辙试验^[10];笔者也利用改进的轮辙试验机对比过三层式试件不同组合情况下的动稳定度^[11]。但是，这些研究工作并不系统，更多的是对不同组合结构整体动稳定度的一种对比，并没有基于整体动稳定度的控制标准进行结构组合的优选。

本文将现场调查道路交通组成，测试路面的车辙深度，并在对应位置取全厚式面层试件，利用改进的轮辙试验机测试其整体动稳定度；通过分析车辙深度、结构整体动稳定度和交通量之间的关系，推荐该道路的结构整体动稳定度控制标准；将该标准应用于延展线沥青路面工程，作为结构组合的依据，优选出合适的路面组合结构。

1 现场调查

本文对已通车运营8 a的某高速公路开展了现场调查，包括交通状况和车辙病害。

1.1 交通状况调查

调查内容包括交通荷载组成和交通量。表 1是在收费站提供的2012年各月实际交通量的基础上得到的2012年日平均交通通行次数。

由表 1可见，该道路大中型客车和货车通行次数约占总交通量的一半；而且调查还发现约92%的货车超载，而超载0~30%的又占到约82%。

按照前面提到的研究思路，本文在依托工程选取了K99—K105路段作为车辙调查和取样的路段，该路段内包含了不同深度的车辙病害。调查路段为半刚性基层沥青路面，面层厚度为18 cm。现场测试车辙深度如图 1所示。

图 1 调查路段主车道车辙深度 Fig. 1 Rut depth in main lane of investigation section

图选项

图 1表示的是每100 m路段车辙深度的平均值，实际测试时每10 m测得一个数据，有部分测点车辙深度超过20 mm甚至是30 mm；从图 1还可以看出，右轮迹车辙深度普遍大于左轮迹处车辙深度，这一方面是由于路拱横坡引起的轴载不均匀分配所致；另一方面是因左轮迹靠近超车道，车辆变道超车导致左轮迹车辙隆起处被碾压所致。

2 全厚式沥青面层取样和轮辙试验 2.1 取样

根据研究需要，取样地点的选择，首先要保证各点车辙深度的分布区间涵括轻度、中等、严重车辙病害等各个等级(本文在右轮迹处车辙深度位于0~5 mm，5~10 mm，10~15 mm和15 mm以上区间分别选取了2个点位)；其次要保证取样点的交通量及交通组成是相同的，即所有取样点位于的路段内不能有出入口；其三是要保证各取样点温度状况相同，即要避开桥梁、隧道和背阴处等；其四是要保证各取样点处车辆行驶速度相当，即要避开长大纵坡、急弯、隧道等处。为此，本文确定了如表 2所示的取样点桩号。

取样的具体位置为表 2中各桩号的硬路肩，取样的平面尺寸为75 cm×75 cm，厚度为整个沥青面层。取样时先用切割机切出如图 2所示的槽口作为操作空间，然后再用风镐和钢钎掘出全厚式试件。

图 2 全厚式试件取样 Fig. 2 Taking total thickness sample

图选项

大量研究已经表明，温度对车辙试验结果影响非常大。我国规范对5 cm厚单层沥青混合料规定的车辙试验方法中，设定的温度条件为试件内部处于均匀温度60 ℃，这能勉强解释为该温度代表实际路面表面层内的平均温度。但本文现场所取的全厚式试件厚度达到18 cm，如果仍然取均匀温度60 ℃作为试件内部的温度条件，则无法进行合理解释。

为此，本文采用的轮辙试验设备为经过改造后的新型车辙试验机^[12]，该设备能够完成大厚度试件的车辙试验，而且还能够在试件内部形成沿厚度方向的温度梯度，即沿试件表面往下的温度逐渐降低，以模拟路面结构内部的温度场。利用文献^[13]的方法，经过计算为本文取样试件确定的温度梯度条件为顶面60 ℃、底面48.3 ℃。

试验时将全厚式试件置于车辙仪内，试件表面温度经由鼓风机鼓出的60 ℃热风来保证，试件底面温度则由置于试模底下的水循环系统来保证(水温设置成48.3 ℃)，试件内部的温度场则经由10 h的热传导来自动实现(经在试件内部埋设温度传感器实测，发现10 h后试件内部的温度场就趋于稳定了)。

全厚式车辙试验的其他条件为：轮压为0.7 MPa，轮碾速度采用42次/min，试验时长为1 h。按照沥青混合料动稳定度的定义，取第45 min和第60 min的车辙深度来计算全厚式试件的整体动稳定度。

现场取样试件的平面尺寸为75 cm×75 cm，在进行轮辙试验前先将其切割成4块30 cm×30 cm大小的小试件，再进行平行试验，取平行试验得到的4个动稳定度结果的平均值作为该点的整体动稳定度试验结果。

经分析发现3号、8号试件的整体动稳定度结果异常，其他试验结果示意于图 3。

图 3 试件整体动稳定度与对应实际车辙深度 Fig. 3 Total DS of sample vs.field rut depth

图选项

由图 3可见，全厚式沥青面层试件的整体动稳定度越大，其对应位置的车辙深度越小，表明整体动稳定度总体上是能够反映抗车辙性能好坏的。至于相同道路不同桩号处沥青面层结构的整体动稳定度在数值上为何相差比较大(车辙深度相差也比较大)，其原因是多方面的，主要在于施工的变异性引起各处沥青混合料的级配发生了变化。

3 调查路段的路面结构整体动稳定度控制标准

如果图 3的数据是在路面使用15 a后调查和测试得到，那么可以直接对其进行拟合或插值得到15 mm 车辙深度(该深度为我国规范设定的需要进行车辙维修的门槛值)对应的整体动稳定度值，这个值就可以被视为调查路段的路面结构整体动稳定度控制标准。但是，图 3的数据对应的是通车8 a的结果，其对应的交通量有限，按照前述方法得到的整体动稳定度控制标准值只能保证在该交通量范围内不会出现深达15 mm的车辙病害。

本文进一步分析调研路段的车辙深度在8~15 a 时间段内的发展趋势，从而得到设计年限末期路面车辙深度与路肩取样试件的整体动稳定度之间的关系，以便得到对应的整体动稳定度控制标准。这个过程中不可避免地会涉及到车辙预估模型。

3.1 设计年限末期车辙深度预估

国内外很多学者和机构开展过车辙预估方法研究，得到过许多模型。由于这个问题的复杂性，本文没有再开展这方面的研究，而是直接引用相关文献的结论来进行计算分析。

本文直接利用文献^[5]的车辙预估模型，在已知某一当量轴次N₁及其车辙深度R₁的情况下，可以得到任意当量轴次N对应的车辙预估深度R：

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t年内累计当量轴次的计算公式为：

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将式(2)代入式(1)，得到：

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将t₁=8，t=15和调研路段交通量年平均增长率γ=7%代入式(3)，可以计算得到设计年限末期(15 a)各取样点的车辙预估深度。计算结果如图 4所示，图中5个数据点为从左至右依次对应编号1，2，4，5，6，7的试件的结果。

图 4 设计年限末期车辙深度与结构整体动稳定度 Fig. 4 Total DS of structure vs.rut depth at end of design life

图选项

本文对图 4中调研路段沥青路面设计年限末车辙预估深度与面层结构的整体动稳定度数据进行了拟合，然后利用拟合的公式计算得到设计年限末期容许车辙深度[RD]=15 mm所对应的沥青面层整体动稳定度为3 689次/mm。本文将[DS]=3 689 次/mm作为调研路段沥青面层结构的抗车辙性能控制标准。

4 结构组合优选

对于交通状况和气候特征与前面调研路段相当的沥青路面而言，前文得到的沥青面层结构的整体动稳定度控制标准是可以直接用来指导结构组合设计的。本文的调研路段所在道路正在修建延展线，其预计交通组成和交通量与调研路段相当。为此，本节将以沥青面层结构整体动稳定度≥3 689次/mm为依据对延展线道路进行沥青面层结构组合的优选。

本文拟定了18种不同的沥青面层组合结构，列于表 3中，其中包含2种类型材料的表面层，3种类型材料的中面层，1种类型材料的下面层，以及3种厚度组合。

调研路段延展线道路的基层和垫层设计方案为20 cm水泥稳定碎石+20 cm水泥稳定碎石+20 cm水泥稳定碎石+20 cm未筛分碎石。本文在应用HPDS软件对表 3中的这18种结构进行弯沉和层底拉应力验算后发现，这些组合结构都满足抗裂性能要求。

本文按照表 3的结构层材料和厚度组合成型了全厚式试件，试验条件为：轴载为0.7 MPa，轮碾速度采用42次/min，试验时长为1 h，试验温度梯度仍然根据文献^[13]的方法进行计算得到。试验结果列于表 3。

由表 3可见：

(1)在相同材料组合情况下，沥青面层总厚度越大，其整体动稳定度越小，代表其抗车辙性能越差。

(2)如果以整体动稳定度≥3 689次/mm作为优选标准，那么以70^#A级沥青AC-13作为表面层的所有组合结构都不能满足抗车辙性能要求，而以SMA13作为表面层的(4+6+8) cm厚度组合的所有结构，以及(5+7+10)cm厚度组合双层改性沥青的结构都能满足抗车辙性能的要求。

(3)最接近3 689次/mm整体动稳定度标准的组合结构为4 cmSMA-13+6 cm70^#A级沥青AC-20+ 8 cm 70^#A级沥青AC-25,但考虑到试验可能存在的误差以及经济性，笔者推荐4 cm SMA-13+6 cm添加0.2%抗车辙剂70^#A级沥青AC-20+8 cm70^#A级沥青AC-25组合结构作为调研路段延展线道路的路面面层组合方案。

表 3中的每一个DS数据都只能反映该组合结构各层所用特定级配沥青混合料组合而成的整体动稳定度，如果改变各层混合料的级配，可能会导致整体动稳定度试验结果发生比较大的变化。所以，如果需要在上述组合结构优选的基础上，用整体动稳定度控制标准来具体指导各层沥青混合料的组成设计，则还需要开展更细致的全厚式轮辙试验。

另外，本文虽然搭建了“通过现场调查交通状况和车辙深度并取样测试全厚式沥青面层整体动稳定度→调研路段的路面结构整体动稳定度控制标准值→指导相同交通和气候状况道路沥青面层结构组合”的总体框架，但其中的车辙预估模型并不是本文的研究成果，不一定能够反映调研路段的实际(如果能收集到长达15 a的沥青路面车辙深度随累计交通量增加而变化的数据，这样就可以避开车辙预估这个环节)。同时，由于对现场取全厚式沥青面层试件的工作量和劳动强度估计不足，取样数量并不太多；而且由于全厚式轮辙试验结果存在比较大的离散性，出现了无效的数据，这都导致有效数据点偏少，对分析结果会有一定程度影响。

5 结论

(1)通过分析全厚式沥青面层试件的整体动稳定度与对应点在设计年限末期的预估车辙深度的关系，提出了调研路段的路面结构整体动稳定度控制标准的建议值为3 689次/mm。

(2)为调研路段延展线拟定了多个沥青路面面层结构组合方案(包括不同材料组合和厚度组合)，并开展了全厚式轮辙试验；以整体动稳定度控制标准的建议值为依据，对这些组合方案进行了比选，并综合考虑结构的经济性，推荐了最优组合方案：4 cm SMA-13 + 6 cm添加0.2%抗车辙剂的70^#A级沥青AC-20+8 cm70^#A级沥青AC-25。

路面结构出现的车辙深度离不开交通量，那么按照本文的思路，路面结构整体动稳定度控制标准也应该随交通量不同而发生变化。这将是本文后续的研究方向之一。