高速公路长大坡路段沥青路面车辙成因分析

高 鹏 胡旭辉

(1.广东省长大公路工程有限公司第三分公司，广东广州 511431;2.重庆高速公路集团有限公司，重庆 401121)

1 概述

随着经济社会不断发展，我国高速公路建设逐渐由平原、微丘区向山岭重丘区延伸，受山岭地区地形、地貌和地质条件的限制，山区高速公路线形往往难以达到理想状态，局部位置甚至突破规范值而进行特殊设计。通过调查研究发现，车辙是山区高速公路沥青路面的典型病害之一，严重的车辙往往发生在长大坡路段，而车速(坡度、坡长、车况)、荷载、温度是产生路面车辙最为直接的三个因素。

本文通过实地调查分析和室内试验研究调查了长大纵坡路段车辙病害情况，分析了温度、荷载、纵坡等因素对沥青路面车辙的影响，以为沥青路面的设计、施工和养护提供参考。

2 温度对车辙的影响

根据各地的温度观测数据分析，在高温时路表温度往往较气温高出20℃左右，如处于山区通风不好的山谷路段或四周高中间低凹路段，甚至可能高出30℃，这是因为沥青混合料的深色具有很强的吸热能力，导致沥青路面温度较好，而在高温时段沥青路面处于长时间高温状态，在荷载的作用下容易产生流动变形，从而形成车辙、推移、壅包等病害。

沥青混合料是沥青和集料混和而成，由于沥青为粘弹塑性体，从而使得沥青混合料也具有粘弹塑性特性，因此具有明显的温度敏感性。

2.1 温度对沥青混合料的影响

沥青混合料的抗车辙指标动稳定度随着温度的升高而迅速下降，同时变形量增加较快。研究表明，混合料的动稳定度在温度达到沥青软化点时将大幅度下降。在软化点附近的温度范围内，沥青的弹性比例降低，混合料粘结力降低，并发生粘塑性流动，此时在行车作用下极易产生永久性变形。

2.2 高温条件下的路面剪应变计算

夏季时沥青路面表面温度非常高，导致沥青混合料的强度和劲度大幅度下降，此时沥青混合料会产生横向流动，抗剪强度降低。当抗剪强度进一步下降至小于所受的剪应力时，沥青混合料就产生剪切变形，在车辆荷载的持续作用下，形成车辙，甚至成为辙槽。因此计算分析沥青混合料的剪切应变对于分析沥青路面结构的车辙损坏特点具有一定的意义。

根据测试某高温条件下100 kN双圆荷载条件下的15 cm典型半刚性沥青路面的最大剪应变和最大剪应变深度情况，可以得出高温下沥青混合料的模量极大降低，沥青混合料内部的应力分布发生了极大的变化，影响车辙的剪应变急剧增加，极端高温使得沥青路面处于极高的剪应变状态。每天14点左右，路面温度最高，此时路面体的结构剪应变也达到最大。

根据某气温条件下100 kN双圆荷载条件下的不同时刻路面结构剪应变较大值沿深度变化情况，可以看出在高温情况下，沥青路面结构在标准荷载作用下随着温度的上升总体上剪应变的极大值是向面层发展的;总体来看，剪应变极大值出现在路表面以下1 cm～11 cm的位置，这些位置较容易产生剪切破坏，可见，在高温条件下，半刚性沥青路面的表面层、中面层和下面层均会产生剪切破坏，相对而言中面层是产生剪切破坏最严重的层位，因此在高温区域应该注意加强中面层的抗车辙性能。

3 荷载对车辙的影响

3.1 不同荷载条件对车辙试验动稳定度的影响

通过室内车辙试验进行对比分析荷载对路面车辙的影响，三种不同沥青混合料不同荷载在温度60℃的车辙试验动稳定度结果，发现随着荷载压力的增加，沥青混合料的动稳定度急剧下降。

3.2 高温条件下超载的结构剪应变分析

由于重交通条件和重(超)载车辆使路面结构的受力状态发生了变化，许多车辙的产生就是由于沥青混合料不能抵抗较大的剪应变而发生了破坏，导致车辙的形成。计算表明，随着轴载的增加，最大剪应变的影响深度逐渐加深，剪应变值不断加大。在相同条件下最大剪应变随着荷载增加而增加，但是剪应变的增加并非随着荷载的增加成正比，剪应变的增加比例与轮胎接地压力增加比例接近。

3.3 经年温度实际变化下的不同荷载的车辙预估

考虑不同的荷载条件下沥青路面车辙的发展情况，根据试验和统计发现车辙量并非与荷载呈指数增加，实际上车辙量的增加量要低于荷载轴重增加率;但如果路面本来的荷载就属于重载、超载水平较高，此时如果荷载进一步加重，其对沥青路面的破坏会更大。

4 路面纵坡对车辙的影响

长大坡是沥青路面产生车辙的主要路段，主要是因为交通荷载在这些路段的通行状况与正常路段不同，表现为荷载作用时间变长、沥青混合料模量降低、荷载水平作用力加大以及结构剪应变的增加，再加上温度等因素影响，特别是在我国重车超载、动力性能差及驾驶行为不尽规范的现实情况下，这就使得长大坡路段车辙问题较为突出。

长大坡路段车辆行车速度的衰减受纵坡大小、坡长，车辆的爬坡性能、车辆的载重、海拔高度等影响。

4.1 行车速度对沥青、沥青混合料的影响

移动轴载驶过路面结构时，会对路面结构内各点产生应力脉冲，影响荷载作用时间的因素包括行车速度、路面结构形式及结构组合、各层材料特性等参数。行车速度越大，作用时间越短。如法国的力学分析程序中考虑了行车速度不同结构厚度下的(平均)等效作用时间和频率，可以看出厚度越深，车辆行驶速度越低，作用时间越长，等效频率越低。

荷载作用时间、频率的变化对沥青、沥青混合料性能产生影响很大，随着车速的降低，荷载作用时间迅速增加，沥青粘度随荷载作用时间的增加而迅速降低。随着荷载作用时间的增加，沥青粘度逐渐降低，继而导致沥青混合料模量的降低。随着车速的降低，沥青混合料的动态模量也降低。

4.2 重载、慢速条件下的沥青路面结构剪应变

沥青混合料属于粘弹性材料，车速的降低，相当于作用时间的延长，这会直接导致路面的破坏增加;另外荷载频率的降低，会影响沥青路面的荷载传递，也会影响沥青路面材料力学性能，如模量的降低，进而影响沥青路面的应力应变水平和结构应力应变的分布。

考虑20 km/h，40 km/h和80 km/h车速情况，根据半刚性沥青路面在100 kN，200 kN双圆荷载条件下的最大剪应变和最大剪应变深度情况，可见随着车速的降低、最大剪应变迅速增加，即荷载和慢速交通的叠加造成的沥青路面的破坏非常大。

4.3 重载、慢速及水平应力下的沥青路面结构剪应变

长大上坡沥青路面在交通荷载作用下，不仅仅是车速降低和沥青混合料模量的降低导致结构剪应变的增加，同时在长大坡路段行车荷载的水平阻力的增加导致表面层荷载水平应力的成倍增加，路表剪切应变的增加会引起不确定破坏面的剪切变形，产生推移、壅包等病害。

纵坡的水平力对剪应变的影响主要在面层0 cm～7 cm和下面层的底部，特别是路面下0 cm～3.5 cm处，其中路表面增加最大，且路面温度越高，增加比例越大，表面层剪应变的增加容易产生表面的推挤、壅包等变形损坏。另外，水平应力的增加也会使下面层的底部剪应变有所增加，但是由于沥青层底的剪应变水平本身不大，且受纵坡影响增加的比例较小。

5 结语

根据对温度、荷载和纵坡等影响沥青路面车辙的主要原因分析和调查，得出以下结论:

1)路面温度达沥青软化点温度附近时沥青路面的抗车辙性能急剧下降，因此，山区高速沥青路面设计时应加强中面层的抗车辙性能，建议对长大纵坡路段的中面层也进行改性;2)重载和慢速交通的叠加对沥青路面的破坏非常大，应加强爬坡车道的路面设计。

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