大交通量、轻荷载对沥青路面车辙影响研究

余海洋

（郑州市市政工程勘测设计研究院，河南郑州 450052）

0 前言

随着我国高等级道路工程的大量修建,沥青路面发展迅速。沥青混合料是一种典型的热流变材料,在夏季高温季节,材料表现为弹、粘-塑性体或粘-塑性体。沥青混合料在荷载作用下产生较大的塑性变形,特别是在城市道路中,由于渠化交通的作用,荷载及荷载重复次数的增加,导致塑性变形的累积。在炎热地区，很多沥青路面都出现了泛油、车辙等高温稳定性不够的问题,严重影响沥青路面平整度与行车安全。

根据车辙形成机理，车辙通常可分为以下三类:磨耗型车辙、结构型车辙和失稳型车辙。在路面车辙中，一般以失稳型车辙为主。对于沥青路面结构，车辙的形成主要有两部分：一部分车辙为各结构层在荷载作用下的进一步压实引起的永久变形的积累，另一部分是结构层材料承受不了车辆作用而产生剪切形变和侧向移动的不可恢复变形的积累。

本文针对郑州市旧路改造项目采用的沥青加铺结构进行全厚度车辙试验，就大交通量、轻荷载对沥青路面结构的影响进行研究。

1 轻荷载车辙试验

1.1 试验轻荷载标准

根据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTJ052-2000）规定，车辙试验的试验温度为60℃，轮压为0.7MPa。为了解轻荷载对路面的影响，本次试验利用改进的ZCZ-7型自动车辙试验仪，针对拟定沥青结构层进行了全厚度车辙试验[1]。

根据有关文献研究的结果，轮胎因花纹的存在，使有效接地面积小于虚面积。考虑荷载作用面积的折减，当轮胎的平均接地压力为0.45MPa，对于横向花纹轮胎，当胎压为250 kPa时，单轮负荷约7.0 kN；当胎压为390 kPa时，单轮负荷约6.5 kN。对于走向花纹轮胎，当胎压为250 kPa时，单轮负荷约7.1 kN；当胎压为390 kPa时，单轮负荷约5.2 kN[2]。根据中国汽车车型手册，轻型货车轮胎，以6.5－16型号的轮胎最为普遍[3]。一般而言，轻型货车轮胎以走向花纹居多，只有少量的横向花纹。因此，当胎压为250 kPa时，轮压0.45MPa相当于走向花纹轮胎的轻型车重约28 kN（包括车辆的前、后轴）；当胎压为390 kPa时，轮压0.45MPa相当于走向花纹轮胎的轻型车重约21 kN（包括车辆的前、后轴）。本试验采用0.45MPa荷载就是尽量模拟城市道路上占总交通量80%以上的小客车、面包车、轻型货车等对沥青路面车辙的影响情况。

1.2 大交通量的模拟

常规车辙试验连续测试的时间为1 h，本次全厚度车辙试验的时间均为5 h，相当于加载次数18 000次。从试验原始数据曲线（见图1）可以看出，车辙总量随时间的变化逐渐趋于稳定，5 h以后变形随时间几乎呈线性变化。

图1 0.45MPa时不同温度下变形随时间变化图

1.3 试验条件

沥青混合料是一种粘弹性材料，其强度和模量都随温度升高而急剧下降。郑州地区属夏炎热地区，且高温持续时间长。由于温度是影响动稳定度和车辙深度的重要因素，本次试验在60℃、65℃、70℃的温度下分别做了拟定沥青结构层全厚度车辙试验，试验荷载为0.45MPa，每组试件连续测试时间为5 h。全厚度车辙试验对象为郑州市旧路改造项目采用的沥青加铺结构，其主要路面结构层见图2。

图2 设计路面各结构层示意图（15 cm）

1.4 试验结果

在0.45MPa轮压下，温度分别为60℃、65℃、70℃时，针对沥青路面结构层进行全厚度车辙试验的结果见表1。车辙试验曲线见图1。

表1 0.45MPa轮压下全厚度（15 cm）车辙试验结果

2 试验数据分析

由图1可以看出，车辙变形随着时间的增加而增加，温度越高，变形越大。但对于同一沥青路面结构，温度越高，只是前期的变形速率（切线斜率)较大，3 h以后几乎呈线性变化，变化趋势都比较稳定且相差不大。将表1的试验结果绘成直方图（见图3和图4），可以更清楚地了解在轻荷载作用下，动稳定度和车辙深度随温度的变化趋势。

图3 0.45MPa时动稳定度随温度变化图

图4 0.45MPa时车辙深度随温度变化图

从图3和图4可以看出，当荷载为0.45MPa时，温度从60℃上升到65℃，动稳定度降低了36.6%，车辙深度则增加了41.7%；温度从65℃上升到70℃，动稳定度降低了45.0%，车辙深度则增加了21.9%。本次试验路面结构上面层为改性SMA-13沥青混合料，中面层也为改性AC-25沥青混合料，两种沥青混合料的高温稳定性都较好。在温度为70℃，0.45MPa的轮压下进行全厚度车辙试验5 h，车辙深度达2.297 mm，见图1和表1。当然，不同条件下的试验结果会有所不同，但其变化规律值得借鉴。

为了了解轻荷载对车辙深度和动稳定度的影响程度，本次试验还做了0.7MPa标准荷载下，60℃、65℃、70℃全厚度（15 cm）车辙试验，试验结果见表2，变形随时间变化见图5。

表2 0.7MPa轮压下全厚度(15 cm)车辙试验结果

图5 0.7MPa时不同温度下变形随时间变化图

由图5可以看出，在0.7MPa的轮压下，车辙变形也随着时间的增加而增加，温度越高，变形越大，3 h以后变形几乎都呈线性变化，比较稳定。

将轻荷载(0.45MPa)全厚度车辙试验和标准荷载(0.7MPa)试验结果比较，见图6和图7。

图6 0.45MPa与0.7MPa动稳定度结果比较

图7 0.45MPa与0.7MPa车辙深度结果比较

从图6和图7中可以看出：

（1）无论何种温度，0.45MPa轮压下的动稳定度都比0.7MPa轮压下的动稳定度大，车辙深度都比0.7MPa轮压下的车辙深度小。

（2）无论何种温度，0.45MPa轮压下的动稳定度和0.7MPa轮压下的动稳定度差别较大，而5 h的车辙深度差别相对较小。

（3）无论何种温度，在大交通量的作用下，轮压的变化对动稳定度的影响比对车辙深度的影响大。

动稳定度和车辙深度只能反映45～60 min和5小时的变形情况，为了更清楚地了解5 h内各个时间变形的变化情况，在不同温度下，将0.45MPa和0.7MPa的变形曲线相比较，见图8～图10。

图8 60℃时变形随时间变化曲线图

图9 65℃时变形随时间变化曲线图

图10 70℃变形时随时间变化曲线图

从图8～图10中可以看出：0.45MPa和0.7MPa在3 h以后的变形速率都趋于稳定，但0.7MPa的变形速率比0.45MPa的变形速率（斜率）大。

在车辙深度与时间的半对数图上，时间与车辙深度之间用直线来拟合有较好的相关性，不同温度和荷载下的拟合方程及相关系数见表3。

表3 不同温度下的拟合方程及相关系数

为了了解在0.45MPa的轮压下，沥青路面经车辆反复碾压后车辙深度的变化情况，对其拟合直线方程求极限，并和0.7MPa相比较。以60℃为例，作下列计算：

由上可知，温度为60℃时，在0.45MPa的轮压下，沥青路面经车辆反复碾压后，其车辙深度相当于0.7MPa轮压的54.78%。同样可以求得，在65℃温度下，k65℃=0.6247，在 7 0℃温度下，k70℃=0.6348。其变化趋势见图11。

图11 0.45MPa和0.7MPa车辙深度关系趋势图

从图11可以看出，随着温度的升高，K值逐渐增大，表明在0.45MPa轮压下的车辙变形越接近于0.7MPa轮压下的车辙变形。温度较高时，轻荷载引起的车辙变形约相当于标准荷载0.7MPa引起的车辙变形的60%左右。

3 结论

通过本次大交通量、轻荷载的全厚度车辙试验，并和0.7MPa标准荷载下车辙试验对比,可以得出如下结论:

（1）轻荷载对沥青路面的作用，主要表现在蠕变变形的积累和剪切破坏上，特别是在高温，大交通量的情况下，沥青混合料的蠕变变形增大，轮胎两侧的接地压力和剪应力增大，导致沥青路面产生较深车辙。

（2）当地区温度较高时，原来意义上对沥青路面结构设计不构成影响的轻型车（小于30 kN），对动稳定度和车辙深度的影响不容忽视。

（3）在沥青路面结构设计时，应考虑总重为15～30 kN轻型车（包括车辆的前、后轴）对沥青路面车辙的影响，其对沥青路面车辙的影响相当于标准荷载的60%左右。

[1] 李申惠,廖卫东,李向东,等.超载、超高温条件下全厚式路面车辙试验研究[J].武汉理工大学学报,2003(12):13-16.

[2] 胡小弟,孙立军.轻型货车接地压力分布实测[J].公路交通科技,2005(8):1-7.

[3] GB 516O89,载重汽车斜交轮胎[S].