高 鵬 胡旭輝

(1.廣東省長(zhǎng)大公路工程有限公司第三分公司，廣東廣州 511431;2.重慶高速公路集團(tuán)有限公司，重慶 401121)

1 概述

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)不斷發(fā)展，我國(guó)高速公路建設(shè)逐漸由平原、微丘區(qū)向山嶺重丘區(qū)延伸，受山嶺地區(qū)地形、地貌和地質(zhì)條件的限制，山區(qū)高速公路線形往往難以達(dá)到理想狀態(tài)，局部位置甚至突破規(guī)范值而進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)。通過(guò)調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，車(chē)轍是山區(qū)高速公路瀝青路面的典型病害之一，嚴(yán)重的車(chē)轍往往發(fā)生在長(zhǎng)大坡路段，而車(chē)速(坡度、坡長(zhǎng)、車(chē)況)、荷載、溫度是產(chǎn)生路面車(chē)轍最為直接的三個(gè)因素。

本文通過(guò)實(shí)地調(diào)查分析和室內(nèi)試驗(yàn)研究調(diào)查了長(zhǎng)大縱坡路段車(chē)轍病害情況，分析了溫度、荷載、縱坡等因素對(duì)瀝青路面車(chē)轍的影響，以為瀝青路面的設(shè)計(jì)、施工和養(yǎng)護(hù)提供參考。

2 溫度對(duì)車(chē)轍的影響

根據(jù)各地的溫度觀測(cè)數(shù)據(jù)分析，在高溫時(shí)路表溫度往往較氣溫高出20℃左右，如處于山區(qū)通風(fēng)不好的山谷路段或四周高中間低凹路段，甚至可能高出30℃，這是因?yàn)闉r青混合料的深色具有很強(qiáng)的吸熱能力，導(dǎo)致瀝青路面溫度較好，而在高溫時(shí)段瀝青路面處于長(zhǎng)時(shí)間高溫狀態(tài)，在荷載的作用下容易產(chǎn)生流動(dòng)變形，從而形成車(chē)轍、推移、壅包等病害。

瀝青混合料是瀝青和集料混和而成，由于瀝青為粘彈塑性體，從而使得瀝青混合料也具有粘彈塑性特性，因此具有明顯的溫度敏感性。

2.1 溫度對(duì)瀝青混合料的影響

瀝青混合料的抗車(chē)轍指標(biāo)動(dòng)穩(wěn)定度隨著溫度的升高而迅速下降，同時(shí)變形量增加較快。研究表明，混合料的動(dòng)穩(wěn)定度在溫度達(dá)到瀝青軟化點(diǎn)時(shí)將大幅度下降。在軟化點(diǎn)附近的溫度范圍內(nèi)，瀝青的彈性比例降低，混合料粘結(jié)力降低，并發(fā)生粘塑性流動(dòng)，此時(shí)在行車(chē)作用下極易產(chǎn)生永久性變形。

2.2 高溫條件下的路面剪應(yīng)變計(jì)算

夏季時(shí)瀝青路面表面溫度非常高，導(dǎo)致瀝青混合料的強(qiáng)度和勁度大幅度下降，此時(shí)瀝青混合料會(huì)產(chǎn)生橫向流動(dòng)，抗剪強(qiáng)度降低。當(dāng)抗剪強(qiáng)度進(jìn)一步下降至小于所受的剪應(yīng)力時(shí)，瀝青混合料就產(chǎn)生剪切變形，在車(chē)輛荷載的持續(xù)作用下，形成車(chē)轍，甚至成為轍槽。因此計(jì)算分析瀝青混合料的剪切應(yīng)變對(duì)于分析瀝青路面結(jié)構(gòu)的車(chē)轍損壞特點(diǎn)具有一定的意義。

根據(jù)測(cè)試某高溫條件下100 kN雙圓荷載條件下的15 cm典型半剛性瀝青路面的最大剪應(yīng)變和最大剪應(yīng)變深度情況，可以得出高溫下瀝青混合料的模量極大降低，瀝青混合料內(nèi)部的應(yīng)力分布發(fā)生了極大的變化，影響車(chē)轍的剪應(yīng)變急劇增加，極端高溫使得瀝青路面處于極高的剪應(yīng)變狀態(tài)。每天14點(diǎn)左右，路面溫度最高，此時(shí)路面體的結(jié)構(gòu)剪應(yīng)變也達(dá)到最大。

根據(jù)某氣溫條件下100 kN雙圓荷載條件下的不同時(shí)刻路面結(jié)構(gòu)剪應(yīng)變較大值沿深度變化情況，可以看出在高溫情況下，瀝青路面結(jié)構(gòu)在標(biāo)準(zhǔn)荷載作用下隨著溫度的上升總體上剪應(yīng)變的極大值是向面層發(fā)展的;總體來(lái)看，剪應(yīng)變極大值出現(xiàn)在路表面以下1 cm～11 cm的位置，這些位置較容易產(chǎn)生剪切破壞，可見(jiàn)，在高溫條件下，半剛性瀝青路面的表面層、中面層和下面層均會(huì)產(chǎn)生剪切破壞，相對(duì)而言中面層是產(chǎn)生剪切破壞最嚴(yán)重的層位，因此在高溫區(qū)域應(yīng)該注意加強(qiáng)中面層的抗車(chē)轍性能。

3 荷載對(duì)車(chē)轍的影響

3.1 不同荷載條件對(duì)車(chē)轍試驗(yàn)動(dòng)穩(wěn)定度的影響

通過(guò)室內(nèi)車(chē)轍試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比分析荷載對(duì)路面車(chē)轍的影響，三種不同瀝青混合料不同荷載在溫度60℃的車(chē)轍試驗(yàn)動(dòng)穩(wěn)定度結(jié)果，發(fā)現(xiàn)隨著荷載壓力的增加，瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度急劇下降。

3.2 高溫條件下超載的結(jié)構(gòu)剪應(yīng)變分析

由于重交通條件和重(超)載車(chē)輛使路面結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)發(fā)生了變化，許多車(chē)轍的產(chǎn)生就是由于瀝青混合料不能抵抗較大的剪應(yīng)變而發(fā)生了破壞，導(dǎo)致車(chē)轍的形成。計(jì)算表明，隨著軸載的增加，最大剪應(yīng)變的影響深度逐漸加深，剪應(yīng)變值不斷加大。在相同條件下最大剪應(yīng)變隨著荷載增加而增加，但是剪應(yīng)變的增加并非隨著荷載的增加成正比，剪應(yīng)變的增加比例與輪胎接地壓力增加比例接近。

3.3 經(jīng)年溫度實(shí)際變化下的不同荷載的車(chē)轍預(yù)估

考慮不同的荷載條件下瀝青路面車(chē)轍的發(fā)展情況，根據(jù)試驗(yàn)和統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)車(chē)轍量并非與荷載呈指數(shù)增加，實(shí)際上車(chē)轍量的增加量要低于荷載軸重增加率;但如果路面本來(lái)的荷載就屬于重載、超載水平較高，此時(shí)如果荷載進(jìn)一步加重，其對(duì)瀝青路面的破壞會(huì)更大。

4 路面縱坡對(duì)車(chē)轍的影響

長(zhǎng)大坡是瀝青路面產(chǎn)生車(chē)轍的主要路段，主要是因?yàn)榻煌ê奢d在這些路段的通行狀況與正常路段不同，表現(xiàn)為荷載作用時(shí)間變長(zhǎng)、瀝青混合料模量降低、荷載水平作用力加大以及結(jié)構(gòu)剪應(yīng)變的增加，再加上溫度等因素影響，特別是在我國(guó)重車(chē)超載、動(dòng)力性能差及駕駛行為不盡規(guī)范的現(xiàn)實(shí)情況下，這就使得長(zhǎng)大坡路段車(chē)轍問(wèn)題較為突出。

長(zhǎng)大坡路段車(chē)輛行車(chē)速度的衰減受縱坡大小、坡長(zhǎng)，車(chē)輛的爬坡性能、車(chē)輛的載重、海拔高度等影響。

4.1 行車(chē)速度對(duì)瀝青、瀝青混合料的影響

移動(dòng)軸載駛過(guò)路面結(jié)構(gòu)時(shí)，會(huì)對(duì)路面結(jié)構(gòu)內(nèi)各點(diǎn)產(chǎn)生應(yīng)力脈沖，影響荷載作用時(shí)間的因素包括行車(chē)速度、路面結(jié)構(gòu)形式及結(jié)構(gòu)組合、各層材料特性等參數(shù)。行車(chē)速度越大，作用時(shí)間越短。如法國(guó)的力學(xué)分析程序中考慮了行車(chē)速度不同結(jié)構(gòu)厚度下的(平均)等效作用時(shí)間和頻率，可以看出厚度越深，車(chē)輛行駛速度越低，作用時(shí)間越長(zhǎng)，等效頻率越低。

荷載作用時(shí)間、頻率的變化對(duì)瀝青、瀝青混合料性能產(chǎn)生影響很大，隨著車(chē)速的降低，荷載作用時(shí)間迅速增加，瀝青粘度隨荷載作用時(shí)間的增加而迅速降低。隨著荷載作用時(shí)間的增加，瀝青粘度逐漸降低，繼而導(dǎo)致瀝青混合料模量的降低。隨著車(chē)速的降低，瀝青混合料的動(dòng)態(tài)模量也降低。

4.2 重載、慢速條件下的瀝青路面結(jié)構(gòu)剪應(yīng)變

瀝青混合料屬于粘彈性材料，車(chē)速的降低，相當(dāng)于作用時(shí)間的延長(zhǎng)，這會(huì)直接導(dǎo)致路面的破壞增加;另外荷載頻率的降低，會(huì)影響瀝青路面的荷載傳遞，也會(huì)影響瀝青路面材料力學(xué)性能，如模量的降低，進(jìn)而影響瀝青路面的應(yīng)力應(yīng)變水平和結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變的分布。

考慮20 km/h，40 km/h和80 km/h車(chē)速情況，根據(jù)半剛性瀝青路面在100 kN，200 kN雙圓荷載條件下的最大剪應(yīng)變和最大剪應(yīng)變深度情況，可見(jiàn)隨著車(chē)速的降低、最大剪應(yīng)變迅速增加，即荷載和慢速交通的疊加造成的瀝青路面的破壞非常大。

4.3 重載、慢速及水平應(yīng)力下的瀝青路面結(jié)構(gòu)剪應(yīng)變

長(zhǎng)大上坡瀝青路面在交通荷載作用下，不僅僅是車(chē)速降低和瀝青混合料模量的降低導(dǎo)致結(jié)構(gòu)剪應(yīng)變的增加，同時(shí)在長(zhǎng)大坡路段行車(chē)荷載的水平阻力的增加導(dǎo)致表面層荷載水平應(yīng)力的成倍增加，路表剪切應(yīng)變的增加會(huì)引起不確定破壞面的剪切變形，產(chǎn)生推移、壅包等病害。

縱坡的水平力對(duì)剪應(yīng)變的影響主要在面層0 cm～7 cm和下面層的底部，特別是路面下0 cm～3.5 cm處，其中路表面增加最大，且路面溫度越高，增加比例越大，表面層剪應(yīng)變的增加容易產(chǎn)生表面的推擠、壅包等變形損壞。另外，水平應(yīng)力的增加也會(huì)使下面層的底部剪應(yīng)變有所增加，但是由于瀝青層底的剪應(yīng)變水平本身不大，且受縱坡影響增加的比例較小。

5 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)對(duì)溫度、荷載和縱坡等影響瀝青路面車(chē)轍的主要原因分析和調(diào)查，得出以下結(jié)論:

1)路面溫度達(dá)瀝青軟化點(diǎn)溫度附近時(shí)瀝青路面的抗車(chē)轍性能急劇下降，因此，山區(qū)高速瀝青路面設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)加強(qiáng)中面層的抗車(chē)轍性能，建議對(duì)長(zhǎng)大縱坡路段的中面層也進(jìn)行改性;2)重載和慢速交通的疊加對(duì)瀝青路面的破壞非常大，應(yīng)加強(qiáng)爬坡車(chē)道的路面設(shè)計(jì)。

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