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關(guān)鍵詞：瀝青路面；結(jié)構(gòu)組合；應(yīng)力；車轍

1 影響車轍的主要應(yīng)力

2. 1 結(jié)構(gòu)選取

筆者按剛度從大到小選取 4 種瀝青路面結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu) 1 為典型“白＋黑”路面結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu) 2 為典型半剛性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu) 3 和結(jié)構(gòu) 4 為典型復(fù)合式基層瀝青路面結(jié)構(gòu)。 瀝青路面結(jié)構(gòu)見表 1。

2. 2 模型假設(shè)

瀝青路面設(shè)計(jì)理論采用雙圓垂直均布荷載作用下的多層彈性層狀體系理論［3］，筆者對各結(jié)構(gòu)層作如下假定［4］：1）各結(jié)構(gòu)層為均勻、連續(xù)、各向同性的彈性體；2）各結(jié)構(gòu)層層間豎向位移和水平位移均連續(xù)；3）基礎(chǔ)底面各向位移為零，基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)和路面結(jié)構(gòu)側(cè)面水平方向位移為零；4）不計(jì)瀝青路面結(jié)構(gòu)的自重影響。

2. 3 計(jì)算參數(shù)

模擬行車荷載輪壓為 0.7MPa，接觸面積為360cm2，雙輪間距為 31.95 cm，兩側(cè)輪隙間距為 180 cm，各結(jié)構(gòu)層計(jì)算參數(shù)［5-6］見表 2。

3. 1 垂直壓應(yīng)力

通過有限元計(jì)算分析，在恒定荷載作用下，不同瀝青路面結(jié)構(gòu)壓應(yīng)力計(jì)算結(jié)果見表 3，不同瀝青路面結(jié)構(gòu)壓應(yīng)力隨深度變化曲線如圖 1 所示，瀝青路面結(jié)構(gòu)平均壓應(yīng)力與瀝青層厚度關(guān)系曲線如圖 2 所示，瀝青路面結(jié)構(gòu)預(yù)估車轍深度與瀝青層厚度關(guān)系曲線如圖 3 所示。

從表 3 和圖 1～3 可以看出：

1）不同瀝青路面結(jié)構(gòu)的壓應(yīng)力均隨深度的增大逐漸減??；當(dāng)深度相同時(shí)，接近路表處壓應(yīng)力隨深度的增大下降幅度略大，遠(yuǎn)離路表處壓應(yīng)力隨深度的增大下降幅度有所降低。

2）不同瀝青路面結(jié)構(gòu)壓應(yīng)力水平與總體剛度相關(guān)，總體剛度越大，瀝青層越薄，同一深度處壓應(yīng)力越大；總體剛度越小，瀝青層越厚，同一深度處壓應(yīng)力越小。 增加瀝青層厚度，使得瀝青路面偏柔性，可以降低瀝青層的壓應(yīng)力水平。

3）盡管瀝青層越薄瀝青路面結(jié)構(gòu)的平均壓應(yīng)力水平越高，但壓密型車轍不僅與瀝青層平均壓應(yīng)力值有關(guān)，還與瀝青層厚度相關(guān)，是兩個(gè)因素綜合影響的結(jié)果。 當(dāng)瀝青層厚度為 10 cm 時(shí)，平均壓應(yīng)力為0.573 MPa，預(yù)估車轍深度為 0.287 cm；當(dāng)瀝青層厚度為 30 cm 時(shí)，平均壓應(yīng)力為 0.330 MPa，預(yù)估車轍深度為 0.495 cm。 隨著瀝青層厚度的增加，平均壓應(yīng)力減小，而預(yù)估車轍深度增大。 瀝青層厚度增加對車轍的影響作用大于應(yīng)力水平降低對車轍的影響作用，即對于壓密型車轍，瀝青層越厚車轍深度越大。

4）壓密型車轍主要發(fā)生在瀝青路面上中面層，即路面深度為 10 cm 范圍。當(dāng)瀝青層較厚時(shí)，其對車轍的影響作用也在減弱，并逐步趨于收斂。 例如，結(jié)構(gòu) 2 的瀝青層厚度為結(jié)構(gòu) 1 的 1.8 倍，結(jié)構(gòu) 2 的預(yù)估車轍深度為結(jié)構(gòu) 1 的 1.460 倍，即瀝青層厚度每增加10.00%，預(yù)估車轍深度就增加 5.75%；結(jié)構(gòu) 4 的瀝青層厚度為結(jié)構(gòu) 1 的 3.0 倍，而結(jié)構(gòu)4 的預(yù)估車轍深度僅 為 結(jié) 構(gòu) 1 的 1.725 倍 ， 即 瀝 青 層 厚 度 每 增 加10.00%，預(yù)估車轍深度僅增加 3.63%。 這主要是因?yàn)殡S著瀝青層厚度的增加，一定深度以下的結(jié)構(gòu)壓應(yīng)力下降幅度較大，對瀝青混合料的塑性變形影響作用越來越小。

3. 2 剪應(yīng)力

瀝青路面剪切破壞是導(dǎo)致瀝青路面車轍的主要原因之一，根據(jù)式（2）可知，瀝青路面剪切破壞主要與瀝青面層的最大剪應(yīng)力以及瀝青混合料抗剪切強(qiáng)度有關(guān)［7］。 通過有限元計(jì)算分析，在恒定荷載作用下，不同瀝青路面結(jié)構(gòu)剪應(yīng)力計(jì)算結(jié)果見表 4，不同瀝青路面結(jié)構(gòu)剪應(yīng)力隨深度變化曲線如圖 4 所示。從表 4 和圖 4 可以看出：

1）結(jié)構(gòu) 1 瀝青層厚度為 10 cm，瀝青層剪應(yīng)力在0.30～0.35 MPa；結(jié)構(gòu) 2 瀝青層厚度為 18 cm，瀝青層剪應(yīng)力在 0.25～0.31 MPa；結(jié)構(gòu) 3 瀝青層厚度為22 cm，瀝青層剪應(yīng)力在 0.18～0.30 MPa；結(jié)構(gòu) 4 瀝青層厚度為 30 cm，瀝青層剪應(yīng)力在 0.10～0.27 MPa。

對于瀝青路面以下 10 cm 范圍，結(jié)構(gòu) 1 平均剪應(yīng)力為 0.327 MPa，結(jié)構(gòu) 2 平均剪應(yīng)力為 0.298 MPa，結(jié)構(gòu) 3 平均剪應(yīng)力為 0.282 MPa，結(jié)構(gòu) 4 平均剪應(yīng)力為0.257 MPa。 由此可見，瀝青層剪應(yīng)力的大小與瀝青路面結(jié)構(gòu)組合有關(guān)，或者說與瀝青路面的總體剛度有關(guān)。 瀝青路面剛度越大，結(jié)構(gòu)剪應(yīng)力水平越高，最大剪應(yīng)力越大；剪應(yīng)力水平隨瀝青路面結(jié)構(gòu)剛度的減小而下降。

2）不同瀝青路面結(jié)構(gòu)剪應(yīng)力均隨深度的增大呈先增大后減小的趨勢，峰值大致出現(xiàn)在路面中面層上半段，約距離路面頂以下 6 cm 處。 有關(guān)研究還表明［8］：當(dāng)瀝青層較薄時(shí)，最大剪應(yīng)力往往出現(xiàn)在接近大剛度結(jié)構(gòu)層的瀝青面層上，而當(dāng)瀝青層較厚時(shí)，最大剪應(yīng)力往往出現(xiàn)在接近荷載處。

3）在深度為 10 cm 范圍內(nèi)，各瀝青路面結(jié)構(gòu)剪應(yīng)力保持在較高水平，而在深度大于 18 cm 后，各瀝青路面結(jié)構(gòu)剪應(yīng)力水平迅速下降。 例如，結(jié)構(gòu) 4 在深度為 10 cm 內(nèi)平均剪應(yīng)力為 0.257 MPa，而在 20～30 cm 深度范圍內(nèi)平均剪應(yīng)力為 0.129 MPa，較深度為 10 cm 平均剪應(yīng)力下降約 50%。

4）在實(shí)踐中，瀝青路面上、中面層，即路面以下10 cm 范圍往往采用改性瀝青，壓實(shí)度要求較高，施工控制較嚴(yán)格，因此其抗剪切能力相對較高，而靠近路表的剪應(yīng)力較大，因此產(chǎn)生車轍的臨界條件往往與最大剪應(yīng)力相關(guān)性更高。 而瀝青路面下面層，即 10～18 cm 深度范圍，往往沒有采用改性瀝青，且粒徑較大容易造成離析，抗剪切能力相對弱一些，但由于剪應(yīng)力水平下降幅度并不大，剪切破壞由最大剪應(yīng)力和抗剪切能力共同主導(dǎo)。因此，在瀝青路面上、中、下面層均是發(fā)生車轍概率較高的層位。

5）當(dāng)瀝青層厚度進(jìn)一步增加，尤其是對于瀝青層較厚的純?nèi)嵝曰鶎訛r青路面結(jié)構(gòu)來說，其受力模式有較明顯變化，其最大剪應(yīng)力相對半剛性基層瀝青路面大幅降低，且增厚的瀝青層置于較下的層位，由于應(yīng)力擴(kuò)散作用以及受力模式變化，應(yīng)力水平大幅降低。例如，結(jié)構(gòu) 4 在 20～30 cm 深度范圍內(nèi)平均剪應(yīng)力相對 10～20 cm 深度范圍平均剪應(yīng)力下降約50%，大大降低了瀝青路面結(jié)構(gòu)發(fā)生剪切破壞的可能性。 因此，在瀝青層較厚的路面結(jié)構(gòu)中發(fā)生的車轍沒有在瀝青層較薄的路面結(jié)構(gòu)中嚴(yán)重，正是由于路面結(jié)構(gòu)柔性化后，剪應(yīng)力水平大幅降低的緣故。

從受力角度看，車轍產(chǎn)生是壓應(yīng)力和剪應(yīng)力綜合作用的結(jié)果，分別導(dǎo)致了壓密型車轍和失穩(wěn)型車轍。

1）結(jié)構(gòu) 1 的瀝青層厚度為 10 cm，剛度也較大，往往出現(xiàn)在“白＋黑”工程，也與常規(guī)的橋面鋪裝類似。 橋面鋪裝的車轍通常較少，因?yàn)闃蛎驿佈b較薄，可壓密變形空間相對不高，同時(shí)隨著施工質(zhì)量的提高和對車輛超載的限制，瀝青混凝土抵抗塑性永久變形能力在不斷加強(qiáng)［9］。 盡管橋梁段剪應(yīng)力較大，但由于剪切破壞屬于破壞類變形，不是累積變形，考慮到瀝青路面上、中面層往往采用改性瀝青，抗剪切能力較高，在粘結(jié)良好前提下并不容易發(fā)生剪切破壞。 當(dāng)橋梁縱坡較大、重車較多時(shí)，剪應(yīng)力水平急劇增加，有可能導(dǎo)致剪切破壞產(chǎn)生車轍。

2）結(jié)構(gòu) 2 是較為常見的 3 層瀝青面層的半剛性瀝青路面結(jié)構(gòu)，廣東省高速公路路基段大多采用該結(jié)構(gòu)。 相對橋面鋪裝，路基段車轍較為普遍主要有以下原因：瀝青層厚度相對橋面鋪裝層厚度要大，壓密變形相對顯著；路基段發(fā)生剪切破壞的可能性較橋面鋪裝要高。 盡管瀝青層厚度增加使得剪應(yīng)力水平下降，但下降幅度并不大，18 cm 厚瀝青層的結(jié)構(gòu) 2剪應(yīng)力較 10 cm 厚瀝青層的結(jié)構(gòu) 1 下降約 8.8%。 而在互通出入口、長大縱坡等位置往往加減速也增大了剪應(yīng)力，這些路段大多位于路基段。 另外，路基段瀝青層會(huì)因各種原因?qū)е驴辜羟心芰ο陆?，如半剛性基層常常發(fā)生水損害導(dǎo)致層間連接不連續(xù)，尤其在基層發(fā)生松散或沉陷時(shí)，接觸面處剪應(yīng)力會(huì)迅速加大［10］。 相關(guān)研究表明，接觸面滑移狀態(tài)相對連續(xù)狀態(tài)剪切力增加約 70%［11］，極易超過混合料抗剪強(qiáng)度而失穩(wěn)，形成車轍。 另外，瀝青路面下面層往往沒有改性，混合料的性能要求也較瀝青路面上、中面層低，也導(dǎo)致自身的抗剪切能力偏低，增大了失穩(wěn)破壞風(fēng)險(xiǎn)。 因此，在多種原因綜合作用下，路基段車轍產(chǎn)生的概率較大，瀝青層厚度為18 cm 范圍是車轍發(fā)生的主要層位。

3）結(jié)構(gòu) 4 的瀝青層厚度達(dá) 30 cm，是偏柔性瀝青路面結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)與廣深高速公路極為相似。 廣深高速公路采用了“33 cm 瀝青層＋20 cm 半剛性基層＋50 cm 級(jí)配碎石層”的組合結(jié)構(gòu)［12］，自 1997 年建成通車以來，在超大交通量前提下，幾乎沒有太嚴(yán)重的車轍。 根據(jù)上述理論計(jì)算，瀝青層的壓應(yīng)力和剪應(yīng)力在 18 cm 深度范圍保持較高水平，當(dāng)瀝青層厚度進(jìn)一步增大時(shí)，應(yīng)力水平下降幅度較大并保持極低水平，對瀝青混合料基本沒有太大影響。 另外，瀝青層厚度增加后形成了 30 cm 厚的連續(xù)致密層，對半剛性基層起到了保護(hù)作用，大幅度降低了因水損害或接觸面破壞導(dǎo)致的剪切破壞等問題。

1）瀝青路面車轍主要是壓應(yīng)力導(dǎo)致瀝青混合料壓密變形和剪應(yīng)力導(dǎo)致剪切破壞綜合作用的結(jié)果。隨著瀝青混合料設(shè)計(jì)的優(yōu)化以及施工質(zhì)量的不斷提高，壓密變形對道路車轍的貢獻(xiàn)度在逐步減小，而剪切破壞對道路車轍的貢獻(xiàn)度在逐步增大。 剪切破壞不僅僅發(fā)生在瀝青混合料內(nèi)部，也可能發(fā)生在瀝青路面層間接觸面等薄弱面。

2）壓密變形導(dǎo)致的車轍主要發(fā)生在瀝青路面深度為 18 cm 范圍。 當(dāng)瀝青面層厚度達(dá) 30 cm 時(shí)，路面深度 10 cm 范圍壓密型車轍變形量約占總變形量的60%，路面深度 18 cm 范圍壓密型車轍變形量約占總變形量的 85%。

3）剪切破壞導(dǎo)致的車轍主要發(fā)生在瀝青路面深度為 18 cm 范圍。對于路面深度為 10 cm 范圍（上、中面層），剪應(yīng)力水平較高，而實(shí)踐中往往采用改性瀝青混合料，抗剪切強(qiáng)度較高，剪切破壞的主導(dǎo)因素往往是最大剪應(yīng)力。 對于路面深度為 10～18 cm 范圍（下面層），剪應(yīng)力有所降低但幅度不大（約 8.8%），由于沒有采用改性瀝青，且粒徑較大容易造成離析，抗剪切能力相對弱一些，剪切破壞由最大剪應(yīng)力和抗剪切能力共同主導(dǎo)。

4）不同瀝青路面結(jié)構(gòu)組合對路面應(yīng)力的影響：壓應(yīng)力均隨深度的增大呈線性下降趨勢，剛度越大的路面結(jié)構(gòu)，同深度處的壓應(yīng)力略大，剛度越小的路面結(jié)構(gòu)，同深度處的壓應(yīng)力略小，但變化幅度不明顯；剪應(yīng)力均隨深度的增大呈先增大后減小的趨勢，剛度越大的路面結(jié)構(gòu)，同深度處剪應(yīng)力水平越大，剛度越小的路面結(jié)構(gòu)，同深度處剪應(yīng)力水平越小。 面層厚度為 30 cm 的半剛性基層瀝青路面的最大剪應(yīng)力峰值較面層厚度為 10 cm 的剛性基層瀝青路面的最大剪應(yīng)力峰值下降約 23%。

5）不同瀝青路面結(jié)構(gòu)組合對路面車轍的影響：瀝青層較薄（如 10 cm）而剛度較大的路面結(jié)構(gòu)，壓密變形導(dǎo)致的車轍量相對較少，但由于剪應(yīng)力水平較瀝青層較厚而剛度較小的路面結(jié)構(gòu)要大，當(dāng)抗剪切能力不足時(shí)有可能發(fā)生剪切破壞；若瀝青路面上、下面層均采用改性瀝青，則其具有較強(qiáng)抗車轍性能，這也是橋面鋪裝以及水泥路面“白＋黑”一類路面車轍相對較少的原因。 瀝青面層略厚（如 18 cm）且剛度略小的路面結(jié)構(gòu)，由于壓密變形與剪切破壞主要發(fā)生在 18 cm 深度范圍，相對瀝青層較薄的路面結(jié)構(gòu)，車轍有增加趨勢；另外，該結(jié)構(gòu)為非橋梁段結(jié)構(gòu)，互通出入口以及長大縱坡概率較高，由于汽車制動(dòng)爬坡導(dǎo)致剪應(yīng)力增加，車轍增加的概率大大增加，這也是在路基段看到車轍較多的原因。 瀝青面層較厚（大于 22 cm）而剛度較小的路面結(jié)構(gòu)，因?yàn)椤捌帷钡慕Y(jié)構(gòu)使得應(yīng)力水平大幅下降以及在較厚深度范圍不易產(chǎn)生接觸面破壞，無論從壓密變形還是剪切破壞的發(fā)生概率均大幅降低，因此并不會(huì)較瀝青層較薄時(shí)產(chǎn)生更多車轍。

原創(chuàng)作者：陳星光，廣東省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院集團(tuán)股份有限公司，廣東 廣州 510440。