危 強 唐國奇 朱國慶 熊昌平

（1.貴州高速公路集團有限公司 貴陽 550004； 2.交通運輸部公路科學(xué)研究院 北京 100088）

車轍是我國高速公路瀝青路面的典型病害之一，幾乎不同程度地發(fā)生于每條高速公路，在長大縱坡路段的高速公路上尤甚。長大縱坡路段的車轍病害不僅妨礙了正常交通，影響了通行能力，降低了道路服務(wù)水平，在降雨、冰凍等復(fù)雜環(huán)境狀況下，更易導(dǎo)致交通安全事故，造成巨大經(jīng)濟財產(chǎn)損失［1］。通過深入開展對長大縱坡瀝青路面抗車轍技術(shù)的研究，降低路面病害的發(fā)生，改善長大縱坡瀝青路面的路用性能，延長使用壽命，對推動我國公路網(wǎng)的整體建設(shè)具有十分重要的意義。

1 貴州地區(qū)高速公路路面車轍問題分析

1.1 車轍病害情況

在貴州省高速公路開發(fā)總公司、貴州省質(zhì)安交通工程監(jiān)控檢測中心有限責(zé)任公司等單位的配合下，通過對貴州地區(qū)部分陡長坡路段車轍病害實地測量及對現(xiàn)有資料收集，從縱向、橫向、深度方向分析長大縱坡車轍分布規(guī)律，并對未來交通有關(guān)多軸車輛進行闡述，具體分析如下：

（1）縱向車轍分布規(guī)律。根據(jù)調(diào)查資料可以得出長大縱坡縱向車轍與坡度、坡長密切相關(guān)，其分布大致存在以下一些特點：①同一路段車轍病害通常發(fā)生在長大縱坡路段，坡度較大，坡長較長的路段車轍變形較大，縱向分布呈現(xiàn)先增長后平緩的趨勢；②連續(xù)爬坡路段車轍分布與各段坡度及坡長有關(guān)，車轍病害嚴(yán)重區(qū)通常在坡底及坡頂段附近；③坡長對車轍變形縱向分布存在一定影響，坡度值不大，但坡長較大時，在坡頂處的變形值較大。

（2）橫向車轍分布規(guī)律。由于渠化交通的存在，車輛在爬坡路段行駛時，右側(cè)車行道多為行駛速度低的重載車輛，而左側(cè)超車道多為車速較高的小型汽車，這使得行車道的車轍比超車道嚴(yán)重。行車道橫向車轍在輪跡帶凹陷，兩邊伴有隆起，車轍斷面呈W形，靠近路邊一側(cè)的車轍變形較大，而在靠近超車道一側(cè)的變形較小。車轍的橫向分布與車輛爬坡速度有關(guān)，超車道由于行駛速度快，車轍變形較行車道小，同一車道兩側(cè)輪胎下車轍變形同樣是靠近超車道一側(cè)變形小。

（3）深度方向車轍分布規(guī)律。從鉆取心樣的厚度統(tǒng)計分析可知：3個面層均有車轍產(chǎn)生，中面層車轍最大，下面層次之，上面層車轍最小，各層永久變形平均比例為上面層占18%，中面層占52%，下面層占30%。因此，應(yīng)將中面層和上面層作為抗車轍設(shè)計的重點，特別是中面層，是以前重視不足的層次，需要通過各種技術(shù)防治車轍病害的發(fā)生［2］。

1.2 車轍病害產(chǎn)生的外部因素

（1）重載問題。從交通部公路科研院的研究成果可以知道，車轍發(fā)生深度與溫度和軸載2個參數(shù)均呈現(xiàn)指數(shù)級增長的關(guān)系，軸載每增加一級，相應(yīng)的轍深度的發(fā)展會急劇增加；使用同等材料和配比條件下的重載排水瀝青路面，隨著荷載的增加，瀝青混合料動穩(wěn)定度呈現(xiàn)顯著的衰減加速趨勢，軸載增加一倍，動穩(wěn)定度已經(jīng)衰減約70%。因此，必須對重載運輸可能引起的車轍問題充分重視，并采取各種加強措施予以避免。

（2）長大縱坡路段問題。從路面受力角度分析，車輛上坡時，開始速度較快，車輛主要依靠慣性來爬坡，車輛對路面施加的水平力較小；之后，車輛要依靠自身的牽引力才能繼續(xù)爬坡，車輛對路面施加的水平力會在坡底到坡中之間的某個地方突然增大，并維持至坡頂，由此對路面層的剪應(yīng)力和作用深度也隨之增大，而這正是影響瀝青路面層發(fā)生失穩(wěn)型車轍的重要外因。

重載車輛的爬坡過程為先減速后勻速的過程，根據(jù)時溫等效原則，行駛速度越慢，輪胎與路面接觸時間越長；這相當(dāng)于減小了瀝青的剪切強度，間接提升了路面瞬間接觸溫度，加劇了瀝青混合料在高溫下的流動，蠕變量漸漸積累產(chǎn)生永久變形。隨著坡度的增大，車輛對路面產(chǎn)生的橫向剪切作用隨之增大，也會加速瀝青路面永久變形的產(chǎn)生。

我國對多個項目的調(diào)查也表明，長上坡路段車轍病害比正常路段嚴(yán)重得多，且最容易發(fā)生車轍的位置為長上坡的坡腳后一段到坡頂后［3］。長上坡路段車轍常發(fā)生的位置見圖1。

圖1 長上坡路段車轍發(fā)生示意圖

2 長大縱坡路段車轍病害形成機理

2.1 基于粘彈性的瀝青路面車轍形成過程

對于交通量較大的瀝青路面，雖然單次車輛荷載作用時間較短，瀝青混合料產(chǎn)生的粘彈性變形可能并不顯著，但是由于車流量較大，每次“加載－卸載”循環(huán)過程中的間隔時間較短，加載過程中產(chǎn)生的粘彈性變形尚未得到充分恢復(fù)就進入下一個加載過程中，當(dāng)累積變形量較大時，最終形成瀝青路面車轍。

對于長大縱坡路段瀝青路面，由于坡度較大，車輛行駛速度緩慢，瀝青混合料在加載過程中產(chǎn)生的粘彈性變形較大，殘余變形也隨之增加，因此，多次重復(fù)荷載作用下的累積變形較大，并最終導(dǎo)致瀝青路面出現(xiàn)車轍。如果上述2種情況在同一路段出現(xiàn)，即車輛行駛速度緩慢且車流量較大，則瀝青路面的車轍問題會進一步惡化。瀝青混合料的粘彈性變形與溫度有密切的關(guān)系，隨著溫度升高，瀝青膠漿逐漸軟化，并趨于流動狀態(tài)，瀝青膠漿的粘結(jié)性和混合料的強度逐漸降低，在荷載作用下易于發(fā)生變形。因此，在開展瀝青路面結(jié)構(gòu)研究時，應(yīng)從瀝青混合料粘彈性變形特性及影響因素出發(fā)，正確認(rèn)識瀝青路面車轍形成的過程，科學(xué)合理地確定材料參數(shù)。

2.2 長大縱坡路段的瀝青路面車轍影響因素

對于長大縱坡路段的瀝青路面來說，產(chǎn)生車轍的主要原因是由于車輛運行速度的降低而帶來的剪切變形，在高溫條件下，車轍的發(fā)展會進一步加劇［4］。

由于車輛荷載沿縱坡方向分量的存在，瀝青路面內(nèi)部的剪應(yīng)力將會因此而增加，上坡時荷載的剪應(yīng)力分量與驅(qū)動輪對路面的剪應(yīng)力方向一致，使路面受到的剪應(yīng)力增加；而在下坡時自重的剪應(yīng)力分量與驅(qū)動輪對路面的剪應(yīng)力方向相反，使路面受到的剪應(yīng)力減少，這是導(dǎo)致上坡的車轍比下坡的車轍嚴(yán)重的原因之一，坡度在9%以內(nèi)時，sinα是遞增函數(shù)，瀝青面層內(nèi)部剪應(yīng)力將隨著縱坡的增大而一直增大，從而使長大縱坡路段瀝青路面的抗車轍能力要求更高。

研究資料表明，車速與作用時間存在一定的相關(guān)性，車輛行駛時，速度越快，蠕變時間越短，相應(yīng)的蠕變量越小；而當(dāng)車速很低時，蠕變時間相應(yīng)延長［5］?；趹?yīng)力膨脹理論的蠕變速率模型計算也表明，對于具有粘彈塑性的瀝青混合料，縱坡越大，除了因為應(yīng)力增加而產(chǎn)生車轍外，還會因為行車速度慢和應(yīng)力作用時間長而加劇車轍的產(chǎn)生。低速荷載的持續(xù)作用時間越長，輪胎的摩擦熱越大，瀝青混合料的塑性流動就越大。從Willia ms－Landel-Ferry公式可以得到，當(dāng)車輛以3～10 k m／h車速行駛時，相當(dāng)于以80 k m／h行駛時增加路面作用溫度9.7～22.1℃，相當(dāng)于使瀝青混合料的車轍動穩(wěn)定度下降49%～79%，因此，車輛低速行駛對車轍動穩(wěn)定度的影響比夏季高溫和超載的影響還要大。

3 貴州地區(qū)長上坡路段瀝青路面抗車轍措施

3.1 車道數(shù)的設(shè)計

根據(jù)《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（JTGB01－2003），我國高速公路車道數(shù)的選擇和確定是根據(jù)各種汽車折合成小客車后的交通量來確定的，在總則中也明確規(guī)定：“一條公路根據(jù)需求可分段選用不同的公路等級、設(shè)計速度、路基寬度”。對于山區(qū)長上坡路段來說，由于長上坡引起的交通車輛減速，載重運輸車輛的實際行車速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于設(shè)計車速，因此，通行能力變得不足，在這種情況下，適當(dāng)增加車道是一個最好的辦法，既提高了通行能力又?jǐn)U大了交通荷載的橫向分布范圍。

表1為現(xiàn)行《公路瀝青路面設(shè)計規(guī)范》（JTGD50－2006）推薦的車道系數(shù)取值推薦表，根據(jù)以上車道系數(shù)的取值可以看到，單項每增加1個車道，車道系數(shù)約減小30%～40%，采取在長上坡路段增加車道的辦法是減少交通荷載當(dāng)量次數(shù)、減少交通荷載作用時間的有效手段之一。因此，建議在山區(qū)高速公路長上坡路段進行設(shè)計時，在相應(yīng)的車道數(shù)的上坡路段增加1個車道，以提高上坡路段內(nèi)交通車輛的通行能力，減少原有設(shè)計行車道的累計通行軸次，從而提高車輛行駛速度，減少交通荷載對路面的作用時間，同時減少維修養(yǎng)護時對通行能力的影響。

表1 車道系數(shù)

3.2 瀝青混合料的設(shè)計

提高瀝青混合料的抗車轍能力是有效預(yù)防或緩解長上坡路段瀝青路面產(chǎn)生車轍的關(guān)鍵和基本前提，因此要根據(jù)現(xiàn)場實際的荷載和溫度條件對瀝青混合料的級配設(shè)計、結(jié)合料及外摻劑的選擇、試驗方法的性能提出要求，從而滿足抗車轍能力的需求。

在對瀝青混合料抗車轍能力的研究中，很多研究成果表明，骨架密實型級配具有良好的抗車轍能力，這也是現(xiàn)行《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》JTGF40－2004推薦的級配形式，試驗證明其具有良好的抗車轍能力［6］。因此，本文提出適用于貴州地區(qū)高等級公路瀝青路面用AC-20C型RA抗車轍劑瀝青混合料建議的工程設(shè)計級配范圍，見表2。

表2 建議的工程設(shè)計級配范圍

瀝青混合料結(jié)合料的類型對瀝青混合料的抗車轍能力具有一定的影響，推薦采用70號道路石油瀝青、SBS改性瀝青、NS型RA抗車轍劑等結(jié)合料［5］。在對長上坡路段瀝青路面的專項設(shè)計中，首先采用規(guī)范規(guī)定的動穩(wěn)定度的試驗方法對瀝青混合料的抗車轍能力進行評價；其次建議進行65，70℃和0.7 MPa條件下的動穩(wěn)定度試驗，以檢驗瀝青混合料的抗車轍能力是否出現(xiàn)急劇的衰變；另外，建議采用以粘彈性指標(biāo)動態(tài)模量控制的混合料設(shè)計方法，進行SPT動態(tài)模量（｜E＊｜）試驗，驗證瀝青混合料抗車轍能力。

3.3 路面結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)對山區(qū)長上坡路段瀝青路面車轍形成機理的研究成果，在瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計時，需要充分考慮瀝青路面結(jié)構(gòu)的受力特點。與普通平坡路段相比，長上坡路段瀝青層承受的剪應(yīng)力更大，因此在對長上坡路段瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計時，除了滿足規(guī)范的要求外，還需要進行抗車轍的設(shè)計。

瀝青層是長上坡路段瀝青路面的最主要承重層，不僅承受交通荷載的正向壓力，還要承受較大的水平推力，因此在瀝青層內(nèi)形成較大的剪應(yīng)力。傳統(tǒng)的柔性路面損壞主要是疲勞開裂和永久變形這2種結(jié)構(gòu)性損壞，幾乎所有力學(xué)設(shè)計方法都是基于瀝青層底拉應(yīng)變和土基頂面壓應(yīng)變這2個指標(biāo)進行柔性路面的結(jié)構(gòu)設(shè)計，且一般假定路面結(jié)構(gòu)在分析期或使用期末將因結(jié)構(gòu)性破壞而失效。因此，借鑒國際上長壽命、永久性路面概念，基于典型的長壽命瀝青路面結(jié)構(gòu)研究，按照長壽命瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計理念進行長上坡路段瀝青混合料的設(shè)計，可以降低傳統(tǒng)的瀝青層底開裂和避免結(jié)構(gòu)性車轍，使路面的損壞僅限于表面層，在使用年限內(nèi)避免結(jié)構(gòu)性破壞，使路面不需要大的結(jié)構(gòu)性重建，只需要定期進行表面銑刨、罩面修復(fù)工作［7］。因此，提出貴州地區(qū)抗車轍瀝青路面瀝青層的組合可以采用上面層為SMA13-SBS改性瀝青混合料，中面層為AC-20C-RA抗車轍劑瀝青混合料，下面層為AC-25-70號瀝青瀝青混合料的結(jié)構(gòu)形式。

瀝青層厚度的設(shè)計在滿足力學(xué)設(shè)計要求的情況下，必須按照規(guī)范的要求，保證各層瀝青層的厚度與混合料的公稱最大粒徑相匹配，即每層最小厚度不小于混合料公稱最大粒徑的2.5～3倍。結(jié)合國內(nèi)針對高速公路瀝青路面早期損壞研究取得的研究成果以及貴州省的氣候溫度以及荷載條件，建議長上坡路段高速公路瀝青路面瀝青層的總厚度不小于18 c m。

4 貴州地區(qū)長上坡路段瀝青路面抗車轍技術(shù)應(yīng)用

汕昆高速公路安龍互通連接線位于云南、貴州、廣西3省交界地，黔西南州煤炭外運，百貨、汽配遠(yuǎn)期規(guī)劃3省批發(fā)市場，安龍縣物流園主要通道。安龍互通連接線GK2＋748.5～GK8＋764.334全幅，全長6.016 k m，最大坡度6%，具有重載、慢行、減速、停車、啟動等容易出現(xiàn)瀝青混合料剪應(yīng)力破壞的特征。為了更苛刻驗證RA高模量劑路用性能，在安龍互通連接線的長上坡路段進行NS型RA抗車轍瀝青路面試驗段的鋪設(shè)。試驗路路面結(jié)構(gòu)不變，在瀝青中面層瀝青礦料中摻加0.35%NS型RA抗車轍劑（外摻）。

試驗段施工完畢后，通過抽提篩分試驗、馬歇爾試驗、車轍試驗、低溫彎曲試驗對其性能進行了檢測，測試結(jié)果表明：2.36和4.75 mm的通過率基本可以得到較好的控制，瀝青的油石比控制得也較好，與要求瀝青用量略有增加；室內(nèi)馬歇爾試件的密度、空隙率、飽和度等也均能滿足要求；車轍板的動穩(wěn)定度、小梁彎拉強度和彎拉勁度模量也能滿足規(guī)范要求，表明RA瀝青混合料具有較好的高溫穩(wěn)定性、高溫抗車轍性能和低溫性能。

在路面鋪筑完后第二天，按《公路路基路面現(xiàn)場測試規(guī)程》對其進行了滲水及平整度的試驗。經(jīng)評定，試驗路不滲水，表面平整密實，集料顆粒分布均勻，無脫落、掉渣、裂縫、搓板等現(xiàn)象。但為了更好地評價添加RA瀝青混合料的路用性能，尤其是高溫性能，還應(yīng)對整個RA瀝青試驗路段進行長期跟蹤觀測。

5 結(jié)論

瀝青路面車轍的直觀表現(xiàn)為路面的變形，路面材料是導(dǎo)致瀝青路面產(chǎn)生車轍的直接原因，而瀝青混合料的變形是由于一定的荷載作用引起的，瀝青路面結(jié)構(gòu)的荷載或應(yīng)力才是導(dǎo)致瀝青路面產(chǎn)生車轍的根本原因。對于長大縱坡路段，重載車輛爬坡速度也是引起路面車轍病害形成的關(guān)鍵因素。因此，山區(qū)高速公路長上坡路段瀝青路面的設(shè)計應(yīng)從瀝青混合料和路面結(jié)構(gòu)組合等方面入手，使得在這種特殊條件下的瀝青路面結(jié)構(gòu)具有一定的抗車轍能力，延長車轍產(chǎn)生的時間，達到有效控制的目的。

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