基于现场钻芯取样的车辙形成机理研究

李世华，胡鹏飞，陈 春

（1.济宁市鸿翔公路勘察设计研究院，山东 济宁 272000；2.中国交通建设股份有限公司投资事业部，北京 100088）

基于现场钻芯取样的车辙形成机理研究

李世华1，胡鹏飞1，陈 春2

（1.济宁市鸿翔公路勘察设计研究院，山东 济宁 272000；2.中国交通建设股份有限公司投资事业部，北京 100088）

通过实体工程车辙检测，结合典型车辙病害路段芯样抽提筛分试验，进行路面车辙类型判断及成因分析，研究了沥青路面车辙形成机理。研究结果表明，路面失稳性车辙发生在沥青上面层和中面层约10cm深度范围内，LSPM柔性基层未出现车辙；中上面层沥青混合料合成级配偏细，缺少形成骨架嵌挤作用的4.75～9.5mm粗集料，2.36mm以下的细集料过多，且采用高温粘度较小的基质沥青是形成车辙病害的主要因素；高温时在车轮荷载作用下，沥青及沥青胶浆产生流动，使沥青混合料的网络骨架结构失稳。

道路工程；沥青路面；车辙；形成机理

0 引 言

大交通量、重载交通已成为国省道干线公路运行的新常态。全球气候变暖，极端恶劣天气不断增多，在日益复杂的气候环境和严峻的交通荷载耦合作用下，车辙、疲劳开裂等路面结构性破坏愈加严重，其中路面车辙是当前道路界最为关注的热点和难点课题，开展路面车辙病害形成机理研究，具有极其重要的理论指导意义。

当前，各国从室内试验、有限元力学和试验路观测等方面进行了大量的试验研究，给出了车辙的分类，指出失稳性车辙属于剪切变形破坏，是沥青结构内的剪应力超过了沥青混合料的抗剪强度所致［1－2］。

本文依托省道S329薛馆线实体工程，通过路面车辙检测与对道路横断面不同位置的芯样的各结构层厚度对比研究，以及芯样抽提筛分数据分析，对车辙类型及形成机理进行深入探讨，为沥青路面车辙病害机理及防治研究提供参考。

1 沥青混合料面层车辙检测

采用路面车辙检测系统对各路段路面进行连续检测，在正常车流速度下采集有关数据。检测时，在对正常交通不产生明显影响的前提下，双向四车道逐车道进行检测；然后，封闭右侧行车道交通，采用断面车辙扫描仪对车辙较大的典型横断面进行车辙深度检测。

1.1 路面车辙检测系统检测结果

测定时速为50～80km·h－1，每20m计算保存一次，满足《公路技术状况评定标准》（JTG H20—2007）所要求的测试频率。根据高速公路和一级公路路面车辙（RDI）评定标准，S329公路检测路段车辙均值及评定结果见表1，S329百米车辙统计结果见表2。由表1和表2中的数据可知，车辙评定结果为差和次，道路右幅车辙比左幅严重，这与右幅重载交通量比左幅大的实际情况相吻合。

表1 S329公路车辙均值及评定结果

1.2 典型横断面检测结果

由于车辙检测车检测出的结果是对一定长度路段的车辙深度取平均值，只能反映路面总体的车辙病害情况，无法反映每一个具体横断面的车辙病害情况；因此，借助断面车辙扫描仪对车辙病害较严重的右幅车道进行了检测。图1为实测断面图，y轴为路面深度方向，x轴为路面横向，原点为路面右幅行车道外边线，■～⑧点车辙深度及其与原点的距离如表3所示，其中■和①为路肩上的点，假定路肩不受车辆荷载作用。由图1和表3可知，②和⑥位于波峰，③和⑦位于波谷。

表2 S329百米车辙统计

图1 路面右幅行车道断面车辙

2 车辙成因分析

2.1 路面现场芯样检测与分析

根据表1、2车辙检测结果的统计初步判断路面车辙为失稳性车辙。为了准确判断车辙类型并进一步分析车辙形成机理，在图1所示的点取芯，取芯点涵盖了车辙波峰和波谷，芯样统计结果如表3所示。

表3 路面右幅行车道横断面车辙及芯样统计

由表3可知，沥青路面车辙发生在AC－13和AC－20面层，LSPM结构层厚度为设计厚度10cm未变；芯样②最大面层厚度为16cm，较设计厚度10 cm增加了6cm；芯样③面层厚度为8cm，较设计厚度减小了2cm，两个芯样面层厚度差为8cm，与该处最大车辙深度8cm相等；芯样⑥面层最大厚度14.5cm，较设计厚度增加了4.5cm；芯样⑦面层厚度为9.5cm，较设计厚度减小了0.5cm，两个芯样面层厚度差为5cm，与该处车辙深度47mm近似相等。

根据不同部位芯样的沥青混合料结构层厚度测量及分析结果，可以判断该结构段车辙为失稳性车辙。在车轮反复碾压的作用下，荷载产生的剪应力超过沥青混合料的抗剪强度，使流动变形不断累积而形成车辙［3－4］。

省道S329大修时没有足够重视沥青混合料的高温抗车辙性能，采用的沥青为70号A级道路石油沥青，导致高温时在车轮荷载作用下沥青及沥青胶浆产生剪切流动，从而使沥青混合料的网络骨架结构失稳［5－7］。

2.2 路面现场混合料级配分析

为了进一步分析车辙产生机理，在硬路肩上钻取了6个直径为150mm的芯样，把AC－13和AC－20分离，经高温烘散并去掉经钻头磨削的侧面混合料后进行抽提试验，分析沥青混合料的级配组成［8－9］。图2为沥青混合料合成级配曲线，由图2可知，AC－13和AC－20合成级配偏向规范级配上限，并且9.5mm和2.36mm筛孔通过率过大。由于沥青混合料中缺少形成骨架嵌挤作用的4.75～9.5mm粗集料，而2.36mm以下的细集料含量过多，粒子干涉严重，使混合料抵抗剪切变形能力降低。

图2 混合料合成级配抽提结果

3 车辙处治

根据路面车辙检测系统的检测结果及评定结果，并考虑到重载交通路段的要求，提出以下处治方案。

（1）对于车辙深度大于35mm的路段，铣刨AC－13上面层和 AC－20下面层，加铺6cm AC－20中粒式改性沥青混凝土下面层，然后加铺4cm SBS改性沥青SMA－13上面层。

（2）对于车辙深度为15～35mm的路段，铣刨AC－13上面层，然后加铺4cm改性沥青SMA－13上面层。

（3）对车辙深度小于15mm的路段采用微表处方案，或全线铣刨掉车辙波峰后，用微表处填补车辙。

4 结 语

（1）含LSPM混合料层的半刚性沥青路面车辙发生在上面层和中面层，主要为剪切流动形成的失稳性车辙。

（2）应保证4.75～9.5mm粗集料用量，使混合料形成骨架嵌挤结构，增加混合料的抗剪能力；小于2.36mm筛孔合成矿料通过率宜控制在中值和下限之间，以保证压实度并防止水损坏。

（3）在交通量较大、轴载较重的情况下应重视沥青混合料抗剪切变形能力的设计，在胶结料的选择上，中上面层宜采用高温粘度较大的改性沥青。

［1］JTG H20—2007，公路技术状况评定标准［S］.

［2］JTG E60—2008，公路路基路面现场测试规程［S］.

［3］张 毅.陕西省高速公路沥青路面车辙成因及对策研究［D］.西安：长安大学，2004.

［4］沙庆林.高速公路沥青路面早期破坏现象及预防［M］.北京：人民交通出版社，2001.

［5］孙立军.沥青路面结构行为理论［M］.北京：人民交通出版社，2005.

［6］李一鸣，俞建荣.沥青路面车辙形成机理力学分析［J］.东南大学学报，1994，24（1）：90－95.

［7］JTG E20—2011，公路工程沥青及沥青混合料试验规程［S］.

［8］关宏倍，张起森，刘 敬.沥青混合料车辙试验改进方案［J］.交通运输工程学报，2011，11（3）：16－21.

［9］崔文社，陶 晶，张争奇，等.高速公路沥青路面车辙成因试验［J］.长安大学学报：自然科学版，2009，29（4）：8－12.

Research on Formation Mechanism of Rutting with Samples Cored on Site

LI Shi－hua1，HU Peng－fei1，CHEN Chun2
（1.Hongxiang Highway Survey，Design and Research Institute，Jining 272000，Shandong，China；2.Department of Investment Business，China Communications Construction Co.Ltd.，Beijing 100088，China）

Based on the rutting test in the field with typical core samples extracted from different cross－sections，rutting type judgment and formation causes were analyzed，and the formation mechanism of asphalt pavement rutting was researched.The results show that the flow deformation at surface layer and mid－surface layer are the main contribution to the rutting，and the influential depth is about 10cm.The main reasons for the rutting are lacking of gradation from 4.75mm to 9.5mm，too much fine aggregate under 2.36mm and the adoption of matrix asphalt whose viscosity is too low at high temperature.Asphalt－mineral filler mastic，of which the main character is viscous at high temperature，flows when it is subjected to vehicle load，which causes the instability of asphalt mixture.

road engineering；asphalt pavement；rutting；formation mechanism

U418.6

B

1000－033X（2015）08－0063－03

2015－01－27

［责任编辑：王玉玲］