长大纵坡路段车辙的形成机理以及影响因素

摘要：长大纵坡路段由于特殊的纵坡条件,车辙病害很严重,极大影响了行车安全。长大纵坡路段沥青混合料的抗高温车辙能力不但与沥青混合料和路面结构类型、沥青胶结料种类等有关，还与坡长和施工等密切相关。

关键词：沥青路面 长大纵坡 车辙

1.概述

西南地区属于山岭重丘区，夏季高温多雨，高速公路沿线地形复杂,长陡坡路段多、坡度大,受超载、重载及慢速行车等因素影响,车辙病害较为突出，严重影响了行车安全。

2.车辙类型及机理

沥青路面的车辙有3种类型: 在较大的竖直压应力作用下,由于沥青混合料本身的模量偏低,产生竖向变形,即压密性车辙，沥青路面在行车荷载的作用下层间承受较大的剪应力,在高温季节,沥青混合料产生较大的剪切变形从而发生流变性车辙、车辙主要发生在沥青面层以下包括路基在内的各个结构层的永久变形，叫做结构性车辙。这种车辙的宽度较大，两侧没有隆起现象，横断面呈浅盆状的U字形（凹形）。通过行事路面的变形情况、厚度的总变化率以及车辙深度可以判断车辙的类型,通过各层厚度的变化率以及钻芯取样可以判断车辙主要发生在哪一层。

3.车辙的影响因素

3.1、内部因素：沥青混合料和路面的结构类型

大量研究表明：沥青路面产生车辙主要是由于沥青混合料的塑性剪切变形的不断积累而形成。根据摩尔一库仑定理，沥青混合料抗剪强度取决于沥青与矿料之间的粘结力和矿料之间的内摩擦阻力。矿料间的内摩擦力主要来源于矿料的嵌挤作用，受集料的级配影响最大，集料级配决定了矿料颗粒间嵌挤力的大小及混合料密实程度,直接影响沥青混合料的高温稳定性。研究表明,在最佳沥青含量时,中粒式沥青混合料车辙最小,细粒式次之,粗粒式车辙最大[1]。较好颗粒形状以及表面特性：表面形状接近立方体，表面粗糙的集料有利于混合料的抗车辙性。对于矿料一般要求限制扁平长条颗粒的含量，这些都是为了能保持好的骨架结构。沥青与矿料之间的粘结力主要和所选沥青的粘度以及沥青的用量、矿料的表面化学特性、填料种类和粉胶比等因素有关。为了提高沥青与矿料之间的粘结力，一般采用粘度大、感温性好的改性沥青，但是要合理控制沥青的用量，这样才能保证混合料在具有有效的沥青膜厚度的条件下减小自由沥青的含量，自由沥青虽然能提高耐久性，但是高温下易产生车辙。采用碱性石料提高沥青与矿料的粘结作用，必要时添加抗剥落剂，以及适当增大粉胶比等。另外，天然砂的含量也对抗车辙性有很大的影响，通过试验研究发现,天然砂掺量每增加1%,动稳定度降低4%,天然砂由于是酸性石料,与沥青的粘附性差,且颗粒光滑无棱角性,不能形成嵌锁级配,影响高温稳定性,因此限制使用圆形颗粒的天然砂[2]。

沥青路面的结构组合设计以及面层材料的弹性模量又是影响车辙深度即沥青路面产生永久变形的重要参数。欧美等国家长寿命路面设计以及AASHTO路面设计中都对提高路面的弹性模量提出了具体的指标要求。通过试验研究出了高性能的沥青混凝土材料,并将之应用于对路面车辙影响最大的中面层,分析路面结构的力学响应,在中面层中采用高模量沥青混凝土材料,可以有效地改善路面结构的受力状态,降低应力应变对路面永久性变形的影响[3],较大地提高沥青路面抵抗车辙的能力。

3.2、外部因素：路面纵坡、施工质量和气候交通条件。

3.2.1纵坡对沥青路面抗车辙能力的影响

在长大纵坡路段，由于纵坡大、重载车多、荷载作用时间长，路面结构受到水平剪应力会比一般水平路段增大3～5倍，这将造成沥青层出现剪切破坏，易出现结构性车辙。随着纵坡的增大,由汽车荷载自重作用在沥青面层内部的剪应力分量增大,因此沥青面层内部剪应力随着纵坡的增大而增大,从而使沥青路面的抗车辙能力随着纵坡的增大而要求越来越高[4]。沥青混合料具有典型的粘弹性材料特性,根据时温等效换算法则，相当于增加了路面的作用温度。研究表明：车速为10～30km/h 时，相当于以80km/h 行驶时增加作用温度22.2～9.7℃；同时，汽车荷载作用在沥青路面层的剪应力分量随着路面纵坡的增加而增大，纵坡从2% 增加到5%时，沥青路面内部的剪应力增加约0.03MPa，相当于超载40%对沥青路面车辙的影响程度。可见，路线纵坡对路面车辙的形成影响很大，这对于山区高速公路长大纵坡路段沥青路面的抗车辙能力提出了更高的要求。车速下降、作用时间延长,相当于增加了作用路面结构上的温度,使路面抗车辙能力下降，从而使山区高速公路沥青路面对抗车辙能力的要求更为苛刻。很多研究表明：长大纵坡的车辆低速行驶,对道路抗车辙能力的影响比超载大。

3.2.2 施工影响

长大纵坡路段在混合料施工时，不易压实，路面残留空隙率过大，而在气候的行车作用下，混合料进一步地压密，面层会出现压密性车辙。因此,其碾压工艺需要充分利用胶轮压路机碾压。

4.结语

（1）长大纵坡路段车辙的影响因素颇多，主要体现在混合料结构类型以及设计的坡度和坡长，以及行车荷载的大小。

(2)山区高速公路设计中，路面结构类型最好选取骨架型级配，提高路面的抗车辙能力,特别是中面层的沥青面层的抗车辙能力。

参考文献：

[1]朱洪洲,黄晓明.沥青混合料高温稳定性影响因素分析[J]。公路交通科技,2004,21(4):1-4.

[2]干宏程,黄卫东,陈佩茹。澳大利亚沥青混合料设计方法[J]。中外公路,2002,22(2):64- 67。

[3]孙立军.沥青路面结构行为理论[M].北京.人民交通出版社2005.

[4]和勇,陈孔今.山区高速公路建设中应注意的几个问题[J].铁道建筑.2005,(2):93-95.

[5]沈金安.沥青及沥青混合料路用性能[M].北京:人民交通出版社,2001.