瀝青路面車轍預(yù)估研究進展與評述

趙碧全 王亞強

摘 要：分析了瀝青路面車轍產(chǎn)生機理及其影響因素，綜述了國內(nèi)外車轍預(yù)估的研究歷程，在此基礎(chǔ)上指出車轍預(yù)估的研究發(fā)展方向，并提出在瀝青路面車轍預(yù)估研究中有必要考慮層間接觸狀態(tài)這一重要影響因素。

關(guān)鍵詞：瀝青路面;車轍預(yù)估;剪切流動變形;有限元模擬

0 引言

車轍是道路主要損壞類型之一，過量的車轍變形將對行車構(gòu)成安全隱患，不僅降低道路服務(wù)質(zhì)量，還會誘發(fā)路面開裂，嚴重縮短道路的使用壽命，長期以來，車轍問題已成為國內(nèi)外道路科研工作者的研究熱點。建立合理的車轍預(yù)估模型，對車轍的防治和瀝青路面設(shè)計具有重要的學(xué)術(shù)意義及工程應(yīng)用價值。本文綜述了國內(nèi)外車轍預(yù)估的研究歷程，以便為車轍預(yù)估研究及路面設(shè)計提供參考。

1 車轍產(chǎn)生機理及影響因素

1.1 車轍產(chǎn)生機理

針對車轍病害問題，目前較為統(tǒng)一地認為常見的失穩(wěn)型車轍的產(chǎn)生主要存在兩種機理：壓密變形和剪切流動變形。

（1）壓密變形。瀝青混合料骨料之間存在大量孔隙，攤鋪碾壓過程使得大部分孔隙被細料填充并壓實，但混合料內(nèi)仍有較多孔隙存在。在道路碾壓完畢并開放交通的初期，車輛荷載反復(fù)作用下混合料內(nèi)的孔隙再一次被壓實和填充，輪碾作用區(qū)路面壓實度進一步增加，伴隨著瀝青混凝土的體積縮小，從而形成壓密型車轍。

（2）剪切流動變形?；旌狭系膲好茏冃乌呌诜€(wěn)定后，高溫條件下，由細集料、礦粉和瀝青拌合形成的瀝青砂漿在車輛荷載反復(fù)作用下將呈現(xiàn)出流動狀態(tài)，失去對瀝青混合料骨架結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定及支撐作用，使得瀝青混凝土的骨架結(jié)構(gòu)從穩(wěn)定狀態(tài)向不穩(wěn)定狀態(tài)轉(zhuǎn)變，最終在剪應(yīng)力作用下發(fā)生剪切失穩(wěn)破壞，最終形成失穩(wěn)型車轍。

1.2 車轍的影響因素

從材料組成上看，表面粗糙、有棱角且針片狀含量少的粗集料會增強骨料之間的嵌擠力，大大提高混合料的抗車轍能力。不同的針入度指標(biāo)對應(yīng)不同的瀝青標(biāo)號，針入度小的瀝青稠度大，由此種瀝青拌制而成的瀝青混凝土抗變形能力強。混合料中瀝青用量越大，富集的瀝青越多，導(dǎo)致在高溫條件下混合料容易發(fā)生流動，致使瀝青路面易發(fā)生變形。此外，優(yōu)良的骨架密實型結(jié)構(gòu)的瀝青混合料內(nèi)部骨架結(jié)構(gòu)能充分發(fā)揮嵌擠力，這對瀝青路面的抗車轍能力有較大促進作用。

瀝青路面在太陽輻射和雨水沖刷等影響下逐漸發(fā)生老化，其路用性能不斷衰減，易發(fā)生破壞。道路上的行車數(shù)量逐年增加，作用在路面上的荷載值和荷載作用頻率也不斷增長，超負荷的交通量和荷載值將顯著影響路面車轍。目前，瀝青路面設(shè)計一般假定層間接觸狀態(tài)處于完全連續(xù)狀態(tài)，但實際道路層間接觸并非完全連續(xù)。已有研究表明，層間接觸不良將造成瀝青路面力學(xué)響應(yīng)發(fā)生顯著變化。由此可知，層間接觸狀態(tài)會影響瀝青路面車轍的產(chǎn)生和發(fā)展，進而影響道路的使用性能和耐久性。

2 國內(nèi)外車轍預(yù)估研究現(xiàn)狀

1972年Romain[1]綜合考慮了車輛荷載和環(huán)境溫、濕度等對道路結(jié)構(gòu)的影響，將瀝青路面的車轍總變形看成是各個亞層變形的總和，提出了“層應(yīng)變法”的預(yù)估方法，并利用彈性層狀體系理論計算車轍變形，該預(yù)估方法屬于典型的理論法。

第四屆國際瀝青路面設(shè)計會議上，有學(xué)者利用回歸統(tǒng)計的方法，對車輛荷載反復(fù)作用下瀝青混合料永久變形進行了詳細研究，得出基于回歸統(tǒng)計的車轍預(yù)估方法，該方法屬于經(jīng)驗法的范疇。修正了路基頂面壓應(yīng)變的設(shè)計指標(biāo)，使道路設(shè)計更加符合實際情況，同時還提出了路表面永久變形的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)可以對路表面過量的變形進行有效控制，這為后來提出的Shell車轍預(yù)估方法打下了基礎(chǔ)。此外，有學(xué)者基于粘彈性理論計算路面內(nèi)的應(yīng)力和應(yīng)變，并結(jié)合大量試驗計算瀝青路面的永久變形，最終建立了瀝青混合料塑性應(yīng)變和瀝青面層內(nèi)應(yīng)力、環(huán)境溫度、車輛輪載累積作用時間之間的關(guān)系式，實現(xiàn)了車轍的預(yù)估，該預(yù)估方法屬于力學(xué)-經(jīng)驗法。

到了21世紀(jì)，隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，有限元方法在車轍研究中得到了廣泛應(yīng)用。眾多研究者采用有限元法對瀝青路面結(jié)構(gòu)進行了數(shù)值模擬計算，并結(jié)合室內(nèi)試驗，回歸擬合了有限元的分析結(jié)果，實現(xiàn)對車轍的預(yù)估。

在國內(nèi)，徐世法等人[2]為了合理表達瀝青混合料的材料性質(zhì)，開展了大量的蠕變試驗，較為全面的分析了瀝青混凝土在多因素影響下的變形特性，并基于此，針對瀝青混合料建立了“四單元”與“五參數(shù)”相結(jié)合的蠕變模型。研究還發(fā)現(xiàn)，瀝青混合料內(nèi)部存在大量孔隙，具有一定的透水能力，而半剛性基層透水性較差，雨水滲入后易滯留在基層內(nèi)部。車輛荷載作用下易出現(xiàn)唧漿現(xiàn)象，造成路面結(jié)構(gòu)嚴重破壞。車轍變形在半剛性路面中普遍存在，由于基層剛度較大，發(fā)生在瀝青面層內(nèi)的車轍變形占主導(dǎo)部分，而基層中產(chǎn)生的永久變形相對較少，甚至可以忽略不計。黃曉明等人[3]通過室內(nèi)足尺試驗，建立了永久變形與車輛輪載作用次數(shù)之間的關(guān)系，同時提出在進行瀝青混合料配合比設(shè)計時，要注意材料的抗剪切流動性能。近年來，全國各地針對車轍問題進行了大量的研究和現(xiàn)場實際調(diào)查，綜合考慮車輛荷載、氣候、自然環(huán)境、路面結(jié)構(gòu)組成、施工質(zhì)量控制、原材料等因素，對瀝青路面車轍病害進行了詳細分析與評價。

3 研究現(xiàn)狀的評述

國內(nèi)外學(xué)者經(jīng)過多年對瀝青路面車轍問題的研究，提出了許多以瀝青路面永久變形為基礎(chǔ)的車轍預(yù)估模型。對于瀝青路面車轍的計算，目前常用的有經(jīng)驗法、理論法和力學(xué)-經(jīng)驗法。

經(jīng)驗法直接來源于實際路面，針對性較強，對特定道路精度很高，但該方法在進行車轍預(yù)估時僅適用于非常具體的環(huán)境條件，因此難以推廣;理論法建立模型較容易，但無論是彈性理論還是黏彈性理論都基于一定的假設(shè)條件，混合料性質(zhì)得不到真實表達，因此在實際應(yīng)用中不能很好的預(yù)估車轍，具有一定局限性;力學(xué)-經(jīng)驗法首先利用理論求解路面的應(yīng)力、應(yīng)變，再結(jié)合室內(nèi)外試驗，統(tǒng)計得出瀝青層永久變形同路面結(jié)構(gòu)、材料性質(zhì)和荷載之間的經(jīng)驗關(guān)系。它借鑒了理論法和經(jīng)驗法各自的優(yōu)勢，可得出適用于各種道路結(jié)構(gòu)的永久變形預(yù)估模型，是目前車轍預(yù)估研究的發(fā)展方向。

在對瀝青路面的研究中，層間接觸性能的劣化往往造成路面結(jié)構(gòu)內(nèi)力學(xué)響應(yīng)發(fā)生較大變化，進而對車轍有較大影響。因此，有必要在現(xiàn)有的車轍預(yù)估研究基礎(chǔ)上，合理考慮層間接觸狀態(tài)這一重要影響因素，進而對車轍預(yù)估研究做進一步的完善和發(fā)展。

4 結(jié)語

（1）力學(xué)-經(jīng)驗法是車轍預(yù)估研究的主流方法，但隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，有限元法因其強大的功能被越來越多地應(yīng)用在車轍研究中，其發(fā)展空間廣闊。

（2）目前對車轍的計算和分析主要考慮路面材料特性、荷載、環(huán)境、路面結(jié)構(gòu)組成等影響因素，但沒有考慮由于層間接觸狀態(tài)變化引起的路面結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)的變化，從而導(dǎo)致對車轍的預(yù)估準(zhǔn)確性不夠。因此，有必要對考慮層間接觸狀態(tài)的車轍病害進行深入研究。

參考文獻：

[1]Barksdale，R.D.Laboratory Evaluation of Rutting in Base Course Materials，Proceedings，Third international Conference on the Structural Design of Asphalt Pavements，London，1972.

[2]徐世法，朱照宏.按粘彈性理論預(yù)估瀝青路面車轍[J].同濟大學(xué)學(xué)報，1990（3）：299-305.

[3]黃曉明，張曉冰，鄧學(xué)鈞.瀝青路面車轍形成規(guī)律環(huán)道試驗研究[J].東南大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2000（5）：96-101.