柔性基层沥青路面车辙演化规律研究

廖小芳

（湖南省交通规划勘察设计院有限公司，湖南永州410203）

1 引言

柔性基层沥青路面在国外应用广泛，西非许多国家也普遍采用柔性基层的结构形式。柔性基层沥青路面的主要病害之一是车辙，一直以来也是学者研究的重点[1~9]。红土粒料是西非地区特殊的砾石材料，料源丰富，工程性能良好，在赤道几内亚等西非国家道路建设中应用广泛，一般应用于道路底基层，也有使用改良红土粒料作为基层材料的项目[10，11]，但其用作柔性基层的长期性能及车辙演化规律尚需进一步验证研究。本文基于修筑的柔性基层沥青路面试验段，采用足尺加速加载试验方法，对比了6种由红土粒料和碎石组成的典型路面结构，通过分析车辙变形曲线、最大变形量、车辙变形面积等指标，确定典型路面结构的车辙演化规律。

2 足尺加速加载试验方法

2.1 试验段概况和结构设计

以1∶1的比例建立6种典型路面结构形式。设计面层厚度为5 cm和10 cm，分别适用于轻交通和中交通；设计4种基层形式，具体结构形式见表1。本实验采用足尺加速加载设备MLS66，为满足MLS66加载的作业空间，并保证3次加载带（1#、2#和3#）互不干扰，结构宽度取6 m，其中，左侧和右侧分别为3.5 m和2.5 m；长度需满足作业空间要求，且加载长度为6.6 m，因此，结构长度取8~12 m，此处取为10 m。

表1 6种典型路面结构形式

2.2 材料性能

试验材料包括石灰土、红土粒料系材料（天然红土粒料、水稳红土粒料、掺碎石红土粒料）、未筛分碎石、沥青混合料（沥青稳定碎石ATB和沥青混凝土AC）等，未筛分碎石是轧石机轧出来的粒径大小不一的碎石混合料，掺碎石红土粒料是综合未筛分碎石与红土粒料的级配特点，以1∶1配合而成，水稳红土粒料则是在天然红土粒料中掺加3%水泥。7%石灰土是为了模拟当地板结高强度的路基土条件，沥青稳定碎石ATB-25C、沥青混凝土AC-13C和沥青混凝土AC-20C均按照标准材料设计。

天然红土粒料的细料和大粒径料偏多，中间粒径料偏少，而未筛分碎石的细料偏少，二者都是级配不良。掺碎石红土粒料的级配得到有效改良，位于规范一级路上下限之间。同时，比较5种筑路材料的CBR（加州承载比）和现场承载板模量可知，未筛分碎石和掺碎石红土粒料的CBR最大，均超过120，但水稳红土粒料基层的承载板模量更高，这与其板结硬化有关。铺设完沥青层后，结构C的现场承载板模量最大，其他结构模量接近，均处于250~290 MPa。

2.3 加载方案

足尺加速加载试验（APT）的轴载近似模拟法国标准轴载，双轮轴载60 kN，胎压0.662 MPa，加载速度22 km/s；模拟真实气候环境，气温一般在20~35℃，故本文仅在冬季低温环境加热至20~35℃（2017年2月7日~2017年3月8日采用加热板），不设高温条件。3个轮迹带位置依次按照图1中1#、2#、3#的顺序开展加载。轮迹带1#、2#加载结束后，加铺沥青混凝土AC-13C上面层，再加载轮迹带3#。3个轮迹带实际加载次数分别为4×105次、1.06×106次和1×106次。采用MLS66配套的断面仪测量车辙变化，每条轮迹带都有7个横向测试断面，如图1所示，其中，1~3号断面属于结构A、结构C、结构E，5~7号断面属于结构B、结构D、结构F。4号断面位于结构交界处。对于1#轮迹带，前5.5×104次，每1×104次测量1次，5.5×104次后，每1.5×104次测量1次；对于轮迹带2#和3#，前1×105次每1×104次测量1次，1×105次后，每2×104次测量1次。

图1 结构平面尺寸

3 试验结果

3.1 车辙变形曲线

分析6种结构的车辙变形曲线（以结构F为例，见图2），发现各结构均为整体凹陷变形，结构A、结构B、结构D、结构E、结构F的断面两侧的车辙凹陷横向长度为800~960 mm，断面中间的隆起横向长度约为150 mm，两侧无隆起；结构C的断面两侧车辙凹陷横向长度超过1 000 mm，横向长度比其他结构大，车辙变形横向分布更均匀；未筛分碎石基层（结构C和结构E）的隆起高度比＞掺碎石红土粒料基层（结构B和结构F）的隆起高度比＞水稳红土粒料基层（结构D）的隆起高度比，说明了水稳红土粒料层呈现整体凹陷最显著。

图2 结构F的车辙变形曲线

3.2 断面最大变形量

统计各结构随加载次数的最大车辙变形量，即最大隆起高度与最大凹陷深度之和。按照国内外柔性基层沥青路面车辙控制标准，美国以最大车辙变形量25 mm代表车辙损坏严重级。我国以25 mm为轻度和重度车辙的界限值。因此，本文以25 mm作为车辙损坏的参考标准。分别采用1＃轮迹带3号、5号断面，2＃轮迹带3号、5号断面，3＃轮迹带3号、5号断面为结构A、结构B、结构C、结构D、结构E、结构F的代表断面，做出代表断面的最大变形量随加载次数的变化曲线，如图3所示。

由图3可知，最大变形量与加载次数之间呈幂函数关系，最大变形量曲线均表现出先快速上升后平稳增长的趋势；5 cm沥青层的加载早期车辙增长最快；10 cm沥青层3条曲线接近，稳固增长，水稳红土粒料早期开裂导致加载2×105~6×105次时车辙增长快；20 cm沥青层的车辙最小、增长最慢，加载8×105次基本趋于稳定。

图3 代表断面车辙最大变形量变化规律

3.3 车辙变形面积

车辙变形仅能反映某一点的变形特性，不能反映路面整体结构的变形情况。通过计算路面车辙变形面积，可以得出车辙凹陷面积、车辙隆起面积等。车辙变形面积曲线变化趋势与最大变形量变化图基本相同，但加载至后期，5 cm沥青层的2种结构凹陷面积差距比最大变形量2条曲线差距减小，10 cm沥青层的3种结构凹陷面积差距也比最大变形量的3条曲线要小，说明了虽然结构B的最大变形量比结构A大得多，但整体凹陷面积相差不大，这是由于结构A横向凹陷宽度增加引起的。结构D、结构E、结构F也具备相同规律，说明了加载后期，掺碎石红土粒料和水稳红土粒料的车辙变形主要体现在深度增加，而其他结构虽然深度增加较缓，但宽度增加加快，变形呈向水平面扩展。

4 结论

1）所有柔性基层结构均表现为整体凹陷变形，属于结构性车辙，车辙随着加载而逐渐变大；厚沥青层车辙横向分布更均匀，水稳红土粒料层隆起高度比最小，整体凹陷最显著。

2）最大变形量与加载次数之间呈幂函数关系；沥青层越薄，早期车辙增长越快，仅在3×105轴次时达到车辙破坏，而沥青层越厚，总车辙越小、增长越缓，20 cm沥青层的车辙在1×106次仅达到轻微车辙标准，这是由于沥青层越厚，基层底基层竖向应力越小，基层变形量减少。

3）对于柔性基层，基层抗车辙能力排序：沥青稳定碎石+未筛分碎石＞未筛分碎石≥掺碎石红土粒料＞水稳红土粒料；面层抗车辙能力排序：20 cm沥青层＞10 cm沥青层＞5 cm沥青层。

4）加载后期，掺碎石红土粒料和水稳红土粒料的车辙变形主要体现在车辙深度的增加，而其他结构虽然车辙深度增加减缓，但横向凹陷宽度增加加快，变形呈向水平两侧扩展。