环境因素对车辙影响的灰色关联度分析*

符小阳 李家盛 余剑英

(1.广东省南粵交通揭惠高速公路管理中心 揭阳 515325；2.武汉理工大学硅酸盐建筑材料国家重点实验室 武汉 430070)

车辙是沥青路面常见的破坏形式,在发生早期病害的路面中，车辙所占比例高达80%[1]。沥青混凝土路面在车辆长期荷载作用下发生塑性变形，累积起来在路面的竖直方向上即形成车辙。车辙可发生在道路的各个层次，其影响了道路的行车舒适性，加速了道路的破坏，缩短了道路的使用寿命[2]。随着我国交通行业的快速发展，对道路性能的要求也越来越高，因此进行控制车辙发生、减小车辙危害的研究十分有必要。许多研究表明，除路面铺筑材料本身性能与结构影响之外，高温、低速、重载是产生车辙的重要环境因素[3]。本文通过灰色关联度方法，对温度、速度、荷载3个影响车辙的因素进行研究，为正确认识车辙危害，优化交通结构，解决车辙问题提供参考。

1 试验原材料、级配和车辙试验设计

采用SBS改性沥青，玄武岩制作上面层的车辙试件，采用级配为AC-13。沥青和集料的主要性能见表1，表2。

表1 SBS改性沥青主要性能指标

表2 玄武岩集料主要性能指标

AC-13集料的筛分结果及配合比见表3，最佳油石比为4.4%。以该配合比，按照JTG E20-2011 《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》中T0703-2011制作车辙试件进行分析。

表3 AC-13集料筛分结果及其配合比

图1 AC-13合成级配曲线图

按照JTG E20-2011 《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》中T0719-2011方法，选取60 ℃，42 r/min，0.7 MPa为标准试验条件。通过室内车辙模拟系统探究温度、荷载、速度对车辙的影响，系统可以同时控制多个实验参数。当研究某个因素的影响时，其他2个因素保持不变。如探究温度影响时，荷载强度保持0.7 MPa，轮碾速度保持42 r/min。制作出的车辙试样经过标准试验，得到动稳定度为7 674次，车辙深度为1.2 mm。

2 车辙试验

2.1 温度对车辙的影响

沥青是一种典型的粘弹性材料，它的强度和模量随温度变化很大[4]。在低温时，沥青主要呈现弹性特征，因此低温时因荷载造成的变形会很快恢复。在高温时沥青主要呈现粘性特征，沥青混合料中的沥青胶浆会软化流动而造成永久变形，因此在高温条件下容易形成车辙[5]。我国幅员辽阔,南北温度差异大,各地的气温有明显的区别。在炎热的夏天，局部高温地区的地表温度可达70 ℃以上。沥青混合料的高温性能直接决定了路面在高温下抵抗车辙的能力。

试验选取了60，65，70，75，80 ℃ 5个温度，为尽可能反应沥青路面的真实情况，控制车辙试件的表面温度为试验温度。每个车辙试件在试验前控温6 h以上。

不同温度下的车辙试验结果见图2，试验结果表明温度对沥青路面车辙的产生有很大影响。随着温度上升，动稳定度迅速下降，车辙深度呈指数形式迅速上升。温度从60 ℃升高到70 ℃，动稳定度下降了39%，车辙深度增加了17%。当温度升高到80 ℃时，动稳定度减小了78%，车辙深度增加了200%。这是由于在高温下沥青的粘性行为增大，混合料中的沥青逐渐软化流动使车辙变形增大。

图2 不同温度下的车辙测试结果

2.2 速度对车辙的影响

行车速度直接影响了荷载在沥青路面上的作用时间。行车速度越慢，荷载在一个点上停留的时间就越长，形成的车辙就越严重。调查结果显示，在连续上坡和交叉路口等行车缓慢的地方，车辙病害比平整通畅路面严重的多[6]。为研究低速对沥青路面的影响，本文选取6，12，24，18，42 r/min 5种轮碾速度。

不同轮碾速度下的车辙试验结果见图3，试验结果表明，随着轮碾速度的降低，车辙深度加大，动稳定度降低，整体呈指数形式。当轮碾速度由正常的42 r/min减小到6 r/min时，动稳定度减小了81%，车辙深度增加了200%。由沥青材料的时温等效原则[7-8]可知，降低行车速度，相当于变相增加了试验的温度。而结果呈现的指数规律也很好地印证了沥青的时温等效性。由此可知，重载车辆低速行驶对高速公路的运营有很大影响，不仅影响高速公路上的车流行驶，而且对路面也有很大地负担，减少路面的使用寿命。因此在连续上坡和高速出入口等地应设法保证车辆的行进速度。

图3 不同速度下的车辙测试结果

2.3 荷载对车辙的影响

随着交通运输事业的发展，超载已是我国各地公路上的普遍现象。荷载强度是形成车辙的重要因素，超载汽车对路面车辙的形成起到了巨大作用[9]。资料显示，我国高速公路运营中超载车辆比例很高，且超载量特别大，最高可达300%。根据广东省具有典型车辙病害的高速公路轴载调查结果显示，各轴载类型车辆的轮胎胎压小于0.7，0.7～0.8，0.8～0.9，0.9～1.0，1.0～1.1，>1.1 MPa的比例分别占35.9%，22.3%，24.2%，18.9%，14.5%，1.7%。

当胎压小于0.7 MPa时对沥青路面的作用很小，而胎压大于1.1 MPa的车辆在交通运输中所占的比重很小。因此本次试验选择0.7，0.8，0.9，1.0，1.1 MPa 5个荷载强度进行试验。

不同荷载下的车辙试验结果见图4，试验结果表明荷载对沥青路面的影响基本呈线性趋势。当胎压从0.7 MPa升高到1.1 MPa时，动稳定度下降了37%，车辙深度增加了50%。因此超载对沥青路面的影响相当严重，在公路运营当中应该严格控制。

图4 不同荷载下的车辙测试结果

3 灰色关联度分析

灰色关联度分析即应用关联度分析灰色系统中各个子系统之间关系的数据分析方法。通过一定的数据处理，寻找各个子系统或因素之间的关系。关联度反应了因素之间在发展过程中的关联程度，在发展过程中，若2个因素的变化趋势一致，则两者的联系较高。

灰色关联度分析法一般分为以下步骤：①确定反映系统行为特征的参考数列和影响系统行为的比较数列；②对参考数列和比较数列进行量纲为一的量化处理；③求参考数列与比较数列的灰色关联系数；④求关联度；⑤对关联度排序。

汇聚将试验原始数据见表4。

表4 灰色关联度原始数据

做均一化处理，得到结果见表5。

表5 均一化处理结果

选择动稳定度为参考序列，温度、荷载、速度为比较数列，求出差序列。选取差序列中的双重最值，带入公式(1)中，分辨系数δ取0.5。

(1)

得到关联度，最后将同一序列的关联度取平均值，作为这个序列的关联度。通过计算，温度与动稳定度的关联度为0.759，胎压与动稳定度的关联度为0.769，轮碾速度与动稳定度的关联度为0.724。

将车辙深度选为参考序列，温度、、荷载、速度为比较数列，重复以上计算过程。得到结果为温度与车辙深度的关联度为0.902，胎压与车辙深度的关联度为0.872，轮碾速度与车辙深度的关联度为0.790。

通过灰色关联度分析发现，温度、荷载强度和轮碾速度与车辙的关联度都很高。对于动稳定度三者的关联度由大到小顺序为：荷载强度>温度>轮碾速度，对于车辙深度三者的关联度大小顺序为：温度>荷载强度>轮碾速度。综合来看，温度对车辙变形的影响与荷载强度相当，轮碾速度对车辙变形的影响最小。

4 结论

通过相关实验可知，沥青路面车辙病害的形成除沥青混合料自身结构与性能等因素之外，与温度、荷载、速度等环境因素也有很大关系。高温、重载、低速都是导致车辙变形增加的重要原因。

通过灰色关联度分析，可发现在几种影响车辙的环境因素中，对于动稳定度的关联度由大到小顺序为：荷载强度>温度>轮碾速度，对于车辙深度的关联度大小顺序为：温度>荷载强度>轮碾速度。温度和荷载强度的关联度相差不大，而轮碾速度的关联度明显小于前两者。因此在道路交通管理当中，应将超载车辆作为重点管理对象，同时合理安排在高温天气下的货物运输。

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