車轍類型及形成機(jī)理調(diào)研分析

李英濤

摘 要：本文調(diào)研了瀝青層車轍的主要類型：分別為結(jié)構(gòu)性車轍、失穩(wěn)性車轍、磨損性車轍、壓密型車轍及形成原因;并分析了瀝青層車轍的三階段形成過程。

關(guān)鍵詞：車轍類型;形成機(jī)理;三階段過程

中圖分類號：U416.217 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

0 引言

車轍是瀝青路面在汽車荷載反復(fù)作用下產(chǎn)生豎直方向永久變形的累積。車轍一般發(fā)生在高溫季節(jié)，尤其是渠化交通以后，在行車荷載的作用下，瀝青面層進(jìn)一步被壓密、擠壓使輪跡帶下沉，其內(nèi)部材料也可能在剪應(yīng)力的作用下橫向流動，在兩側(cè)隆起，形成波峰和波谷。我國目前廣泛采用半剛性基層瀝青路面，車轍主要發(fā)生在瀝青面層，路基和基層的變形僅占很小部分。

1 車轍類型

目前根據(jù)車轍形成原因的不同將其分為以下四種類型。

（1）結(jié)構(gòu)性車轍：這類車轍是在交通荷載作用下，路面結(jié)構(gòu)產(chǎn)生整體永久變形形成。主要由路面各層對車輛荷載產(chǎn)生的應(yīng)力擴(kuò)散能力不足造成的，因此結(jié)構(gòu)性車轍是由瀝青路面面層以下各結(jié)構(gòu)層（包括路基）變形組成。結(jié)構(gòu)性車轍的形態(tài)表現(xiàn)為，變形寬度范圍大，兩側(cè)不隆起，斷面呈現(xiàn)出U形或凹形的淺盆狀?，F(xiàn)階段，板體性較好及強(qiáng)度較高的半剛性材料作為基層的瀝青路面結(jié)構(gòu)已成為我國高等級公路建設(shè)中的主要路面結(jié)構(gòu)形式，該種路面結(jié)構(gòu)的基層及基層以下的變形小，因此出現(xiàn)結(jié)構(gòu)性車轍的可能性較小，但也不排除在超載嚴(yán)重或地下水浸軟的挖方路基路段，由于路基和基層施工質(zhì)量達(dá)不到要求，同樣有結(jié)構(gòu)性車轍出現(xiàn)的情況。

（2）失穩(wěn)性車轍：這類車轍是在交通荷載作用下，瀝青混合料的抗剪強(qiáng)度小于由交通荷載產(chǎn)生的路面結(jié)構(gòu)層內(nèi)的剪應(yīng)力，從而使得剪切流動變形不斷累積而形成，在夏季高溫的情況下這類車轍病害更容易發(fā)生。表現(xiàn)形式上，主要體現(xiàn)為瀝青混合料高溫穩(wěn)定性不足。隨瀝青混合料塑性流動程度不同，該類車轍也表現(xiàn)出不同現(xiàn)象：有的表現(xiàn)為輪跡兩側(cè)混合料有隆起，中面層或中、下面層產(chǎn)生流動變形，縱向標(biāo)線沒有表現(xiàn)出推移變形，僅局部隆起;有的表現(xiàn)為輪跡兩側(cè)混合料大幅推移和隆起，上面層混合料也產(chǎn)生了流動變形，縱向標(biāo)線表現(xiàn)為出現(xiàn)大幅的推移變形。

（3）磨損性車轍：這類車轍是在車輛輪胎的磨耗作用和各種自然因素影響下，瀝青路面結(jié)構(gòu)頂層材料不斷損失而逐漸形成的，使用凸釘輪胎或防滑鏈的車輛對瀝青路面的影響更嚴(yán)重，更容易促使這種車轍的發(fā)生。在冬季較嚴(yán)寒、冰凍期較長的北方地區(qū)，為了能使車輛能夠在已結(jié)冰路面上安全行駛，通常會在輪胎上嵌入防滑釘，這種措施會使輪胎對路面產(chǎn)生較大程度的物理磨耗，從而會使路表輪跡處結(jié)構(gòu)層厚度減薄。這種車轍類型在我國發(fā)生的概率較小，且磨損性車轍并不屬于路面高溫穩(wěn)定性的研究范疇內(nèi)，因此磨損性車轍不是車轍永久變形的主要研究范圍。

（4）壓密型車轍：這類車轍是指由于施工中壓實(shí)功不足，從而使瀝青混合料內(nèi)部存在較大空隙率，路面進(jìn)入運(yùn)營階段后，由于車輛荷載的進(jìn)一步碾壓，使瀝青路面再度被壓實(shí)，從而使瀝青路面結(jié)構(gòu)層厚度減薄，在車輛荷載較集中處將可能出現(xiàn)向下凹陷，形成壓密型車轍。瀝青路面結(jié)構(gòu)層在車輛的不斷反復(fù)碾壓作用下，空隙率將會不斷減小，直到達(dá)到極限殘余空隙率后變形才會穩(wěn)定。壓密型車轍一般僅有下凹，兩側(cè)沒有隆起。

在我國，四種類型車轍中以失穩(wěn)性車轍最嚴(yán)重，其次為結(jié)構(gòu)性車轍。現(xiàn)階段，板體性較好及強(qiáng)度較高的半剛性材料作為基層的瀝青路面結(jié)構(gòu)已成為我國高等級公路建設(shè)中的主要路面形式，該種路面結(jié)構(gòu)的基層及基層以下的變形小，因此出現(xiàn)結(jié)構(gòu)性車轍的可能性較小，除施工質(zhì)量沒有達(dá)到要求的不良路段外，出現(xiàn)結(jié)構(gòu)性車轍破壞的情況很少。在冬季路面積雪時，我國除北方地區(qū)使用防滑鏈外，很少有汽車使用帶釘輪胎，因此在我國磨損性車轍幾乎沒有。所以目前我國高速公里所見到的車轍，基本上均是失穩(wěn)性車轍和壓密型車轍。

2 車轍形成過程

瀝青層車轍的形成過程可簡單地分為以下三個階段：

（1）開始階段的壓密過程。瀝青混合料是由礦料、瀝青膠漿和空氣組成的松散混合物，在碾壓過程中高溫下處于半流動狀態(tài)的瀝青膠漿被擠進(jìn)礦料間隙中，同時集料被強(qiáng)力作用排列成具有一定骨架的結(jié)構(gòu)。瀝青路面投入使用后，在行車荷載作用下這種壓密過程還會進(jìn)一步發(fā)展。

（2）中間階段的壓密穩(wěn)定過程。高溫下的瀝青混合料是處于以粘性為主的半固體，在荷載作用下，瀝青膠漿便產(chǎn)生流動，從而使混合料的網(wǎng)絡(luò)骨架結(jié)構(gòu)失穩(wěn)。這種半固態(tài)物質(zhì)除部分填充混合料空隙外，還將隨瀝青混合料自由流動，從而使路面受載處被壓縮變形。

（3）最后階段的剪切破壞過程。高溫下處于半固態(tài)的瀝青混合料，由于瀝青膠漿在荷載作用下首先流動，混合料中粗、細(xì)集料組成的骨架逐漸破壞，在荷載直接作用下會沿礦料間接觸面滑動，促使瀝青膠漿向富集區(qū)流動，以至流向混合料自由面，特別是當(dāng)個別集料間瀝青膠漿過多時，這一過程會更加明顯。

瀝青混合料的車轍主要是在交通荷載條件下由混合料的壓密變形和剪切變形引起的。其中壓密變形主要是由于行車荷載的進(jìn)一步壓實(shí)作用引起，通常伴隨著體積的變化，有些情況下石料被壓碎也會導(dǎo)致瀝青層的垂直變形。而剪切變形沒有體積變化，只表現(xiàn)為瀝青混合料的橫向剪切流動，導(dǎo)致輪跡帶下陷兩側(cè)隆起。在初始階段，瀝青混合料變形主要由壓密變形引起，其后的變形則主要由等體積的剪切變形引起。Hofstra and Lomp指出引起車轍的主要原因是剪切變形而不是壓密變形，Eisenmannn and Hilmer也得出瀝青混合料的高溫車轍主要是由等體積的剪切變形引起的。由此可見，車轍形成的最初原因是壓密及瀝青膠漿高溫下的流動，最終導(dǎo)致骨架的失穩(wěn)。

3 結(jié)論

本文調(diào)研了瀝青層車轍的主要類型：分別為結(jié)構(gòu)性車轍、失穩(wěn)性車轍、磨損性車轍、壓密型車轍，并對四種車轍的形成原因進(jìn)行研究;最后分析了瀝青層車轍的三階段形成過程，即壓密階段、壓密穩(wěn)定階段、剪切破壞階段。

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