浅谈厚度及层间结合对半刚性基层沥青路面车辙影响

刘田龙

【摘要】本文以我国半刚性基层沥青路面车辙损坏为研究对象在分析车辙形成机理的基础上结合国内外的文献资料分析了沥青路面的厚度及层间结合对车辙的影响。

【关键字】半刚性基层 车辙 路面厚度 层间结合

0 引言

近年来由于全球气候的变暖，夏季的延长以及道路交通出现的一些新的特点：即多轴次、重轴载、高轮压在交通组成中的比重越来越大和交通流的高度渠化，沥青路面出现了大量的早期破坏，其中车辙现象尤为明显， 并已成为沥青路面最严重的破坏之一。车辙的出现不仅使路面变形，破坏路面的平整度，降低沥青路面基层、面层的强度，而且似轨道状的车辙将会严重危害行车的安全。因此防治车辙病害是当今公路建设的主要问题。

防治沥青路面的车辙病害，需要从沥青路面的组成材料和沥青路面的组成结构两方面进行研究。很多研究人员直观的认为，沥青混合料的高温稳定性不足是沥青路面产生车辙的主要原因，因此大多数控制沥青路面车辙的方法都主要致力于提高沥青混合料的高温性能。这种认识对防治沥青路面车辙起到了积极的作用，但是并不全面。沥青路面车辙的产生除了混合料本身的原因之外，还有结构因素。比如，沥青路面的合理厚度和厚度匹配、沥青路面的层间接触条件等，这些也是是很重要的因素。

1 车辙的形成机理

车辙是沥青路面在车辆荷载作用下产生的竖向累积永久变形，通常表现为沿轮迹带方向的纵向压缩，同时两侧伴有隆起。

在我国，道路的修建一直奉行“强基薄面”的方针，因此，强度高，板体性好，承载能力高的半刚性基层得到广泛的应用。半刚性基层沥青路面的车辙主要是由于沥青混合料的粘滞流动和一定程度的压实作用产生。从道路通行到出现车辙一般可分为以下三个阶段：①压密过程：碾压完毕开放交通后，在车辆荷载作用下处于半流态的沥青及胶浆被挤进矿料间隙，使得路面的密实程度进一步增大，产生压密变形。②混合料的流动：在高温条件下的车轮荷载作用下，沥青及沥青胶浆产生流动而使混合料的骨架结构失稳，从而使路面承受荷载处被压缩而变形。③矿质骨料的重新排列及矿质骨架的破坏：高温下处于半固态的沥青混合料，由于沥青及胶浆在荷载作用下的首先流动，混合料中粗细骨料组成的骨架逐渐成为荷载的主要承担者，再加上沥青的润滑作用，硬度较大的矿料在荷载直接作用下沿矿料间接触面滑移，促使沥青及胶浆向其富集区域流动并流向混合料自由面，从而导致矿质骨架失稳加速车辙的形成。

2 车辙影响因素

沥青路面车辙形成的影响因素非常复杂，目前，国内外对材料因素对沥青路面车辙的影响已经进行了大量的理论分析。近年来，随着计算机模拟技术和相关设备的发展，从路面结构的角度对沥青路面车辙问题的研究也逐步深入，该研究主要集中在沥青面层的厚度和沥青路面层间接触条件对沥青路面车辙的影响。

2.1 沥青面层的厚度对车辙的影响

沥青层处于沥青路面的最上层，直接经受环境和荷载因素的作用。因此，沥青层的厚度对高温条件下沥青路面的车辙变形有着重要的影响。

我国高速公路沥青路面以半刚性基层为主，半刚性基层具有较高的强度，是沥青路面结构的主要承重层，而沥青面层仅仅起到了功能性的作用，同时考虑到沥青面层的建设费用远远高于半刚性基层， 因此根据我国道路的建设一直奉行“强基薄面”的方针，一直把降低沥青层厚度作为高温条件下减少沥青路面车轍病害的主要技术措施。

但是近年来的调查研究表明[1]，薄沥青层结构仍然存在比较严重的车辙病害。在我国东南地区的部分省份，个别15cm厚的沥青层竟然出现了10cm的车辙，有相当部分的路段出现了30一40mm的车辙，10一20mm的车辙更为普遍。

2.2 沥青路面层间接触条件对车辙的影响

国内外沥青路面结构设计主要采用层状体系模型，结构层间的接触条件是影响沥青路面应力应变的重要因素。

研究人员[2]采用计算机模拟技术通过设置不同的层间滑动系数模拟层间接触状况，半刚性沥青路面的基面层间的接触状态对沥青路面车辙的影响进行了研究。结果表明，随着层间滑动系数的增加，沥青层底最大剪应力逐渐增大，滑动状态下的最大剪应力是完全连续状态下的2倍，良好的层间结合条件可以大大减少沥青加铺层底的剪应力，从而可以防止沥青路面过早出现车辙病害。

3 沥青路面车辙影响因素的分析[3]

3.1 沥青面层厚度对车辙的影响有限元分析

从下图3.1可以看出，从剪应力变化趋势来看，以沥青层厚度20cm为临界值，各结构层的剪应力变化表现出不同的趋势：当沥青层厚度小于20cm时，上面层剪应力基本保持不变，中、下面层剪应力和最大剪应力则随着沥青层厚度增加而逐渐增大；当沥青层厚度大于20cm时，随着沥青层厚度增加，上面层剪应力逐渐增大，而中、下面层剪应力和最大剪应力则逐渐减小。

图3.1结构层顶面应力与沥青层厚度的关系

随着沥青层厚度增加， 沥青路面的相对变形以及半刚性基层层底拉应力的变化如图3.2一3.3。

图3.2 沥青层相对变形与沥青层厚度的关系图

图3.3 半刚性基层层底拉应力与沥青层厚度的关系

从图3.2可以发现，随着沥青层厚度的增加，沥青路面的相对变形逐渐减小，当

沥青层厚度大于20cm后，沥青路面的相对变形基本保持恒定 ；从图3.3可以发现，随着沥青层厚度的增加，半刚性基层层底拉应力逐渐减小。

3.2 层间接触条件对车辙影响分析

不同层间接触条件的组合结构车辙试验结果如下表3.1

表3.1 不同结构层加强方案的组合结构车辙试验结果

从表3.1中可以发现，当组合结构车辙试件层间采用砂粒夹层模拟滑动状态时，组合结构车辙试件的高温性能大幅度降低。这说明，层间接触条件会对组合结构车辙试件的高温性能产生显著的影响。

4 结语

（1）半刚性基层道路上车辙通常只发生在沥青面层，在一定厚度范围内，车辙深度会随着沥青面层厚度的增加而增大，但超过这一范围则不会再有大的影响，半刚性基层沥青路面沥青层的合理厚度为20cm-24cm。

（2）由于半刚性基层在我国路面设计中广泛应用，面层和基层因为材料不同，层间粘结条件本身不好，而且半刚性基层的收缩裂缝的反射缝及其他裂缝往往无法避免， 水必然会从路面裂缝渗入，同时由于沥青混合料的粒径偏粗，离析严重，混合料空隙率大造成的水从空隙渗入路面以及在冰冻地区，冬季毛细管聚冰在春融期使水分过于饱和，若半刚性基层的透层油效果差，水将向上移动至基层表面。这些水无法通过基层排走，在荷载的作用下产生唧浆，使层间受到严重污染，沥青路面层间接触形式由连续变为滑动状态的时候，导致沥青面层出现严重的车辙变形。

参考文献：

[1]张春青.半刚性沥青路面面层抗车辙设计探讨[J].公路交通科技，2009（3）：25.

[2]祝建华，何德忠.半刚性沥青路面基面层不同结合状态下的力学分析[J].中外公路，2008，28（3）.

[3]杨博.基于有限元方法的沥青路面车辙影响因素分析及其应用研究[D].西安：长安大学，2010.