（道路与铁道工程专业论文）广韶沥青路面高温车辙及其影响因素分析.pdf

摘要 随着社会经济的发展，客货运量迅速增加，特别是重载车辆的增多和高压轮 胎的使用，使得沥青路面的车辙病害越来越引起人们的关注，并己成为高温地区 沥青路面最主要的病害之一。本文对上面层、中面层和下面层进行总体研究，分 析广韶沥青路面车辙成因及影响因素。 对广韶路面进行全面调查，得到交通量状况和路面损坏情况。通过车辙限值 的提出，对路面车辙状况进行了评价。选点测量了路面各层厚度，分析层间变化 情况，直观寻找车辙成因。 通过对现场试件的车辙试验，获取大量试验数据。运用方差分析和相关分析 等分析方法，研究了上、中、下面层对沥青混合料高温稳定性能的影响程度。建 立回归模型，反算出下面层( a c 一2 5 ) 动稳定度控制指标。 对路面钻芯试件进行抽提试验，得到混合料级配。通过对级配进行比较分析， 提出结构层关键筛孔施工控制指标。 分析车辙形成机理和主要影响因素，运用灰关联分析方法，分析了油石比、 4 7 5 筛孔通过率、矿粉含量、沥青混合料空隙率四种因素对沥青混合料高温稳定 性的影响显著程度。 环境是路面车辙损坏的重要影响因素。通过在路面沿线三个温度测试点埋设 温度传感器，测试了高温期间路面不同深度的温度，对测量得到的温度数据进行 分析，寻找广韶路面温度场变化规律。 关键词：车辙；重载；动稳定度；灰关联分析；温度场 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fs o c i a le c o n o m y ，t h ep a s s e n g e r sa n dc a r g ot r a n s p o r t a t i o n i si n c r e a s i n gr a p i d l y , e s p e c i a l l yt h ei n c r e a s i n go fh e a v yv e h i c l ea n du s i n go fh i g h p r e s s u r et y r e ，r u t t i n gd a m a g eo fa s p h a l tp a v e m e n th a sb e c o m eo n eo ft h em o s tm a i n d i s e a s e si nh i g h t e m p e r a t u r ea r e a s ，a l lo ft h i si sb e c o m i n ga c a u s ef o rc o n c e r n t h i s p a p e rm a k ea ni n v e s t i g a t i o no ns u r f a c ec o u r s e 、m i d d l ec o u r s ea n dl o w e rc o u r s e ， a n a l y s i so nt h ei n f l u e n c ef a c t o r so ft h eh i g ht e m p e r a t u r es t a b i l i t yo fa s p h a l tm i x t u r e f i r s t ，p a p e rm a k ea ni n v e s t i g a t i o no ng u a n g s h a op a v e m e n t ，t r a f f i cv o l u m ea n d d a m a g ec o n d i t i o n si so b t a i n e d t h r o u g hp r e f e rt h ev a l u ew h i c hr u t t i n gc a nb ep e r m i t ， r u t t i n gs i t u a t i o no fp a v e m e n ti se v a l u a t e v a r yo fe a c hl a y e ri sg a i n e dt h r o u g h m e a s u r et h i c k n e s so fe a c hc o u r s e ，f r o mt h i sw ec a nf i n dr e a s o no fr u t t i n g t h o u g hw h e e lt r a c k i n gt e s to b t a i ne x p e r i m e n td a t e ，a n a l y s i st h e s ee x p e r i m e n t a l r e s u l t su s i n gv a r i a n c ea n a l y s i sa n dc o r r e l a t i o na n a l y s i s ，d e g r e eo fi m p a c to fs u r f a c e c o u r s e 、m i d d l ec o u r s ea n dl o w e rc o u r s ew a sa t t a i n e d t h o u g he s t a b l i s h e st h ea c t u a l r o a ds u r f a c ew h e e lr u td e p t hm o d e l ，d y n a m i cs t a b i l i t yt a r g e to fl o w e rc o u r s e ( a c 一2 5 ) w a so b t a i n e d t h r o u g he x t r a c t i o nt e s to nt h es a m p l e ，a s p h a l tm i x t u r eg r a d a t i o no fp a v e m e n t w a so b t a i n e d c o m p a r eg r a d a t i o no fd e f e r e n t p o s i t i o n ，t h e n t a k ec o n s t r u c t i o n g u i d e p o s t so fs t r u c t u r el e v e l p r i n c i p l ea n dm a i ni n f l u e n c ef a c t o r so ft h ef o r m a t i o no fr u t t i n gi sa n a l y z e di n t h i s s e c t i o n ，c o m p a r e t h ed e g r e eo fi n f l u e n c eo fa s p h a l t a g g r e g a t er a t i o 、t h e p e r c e n t a g eo f4 7 5s i z e da g g r e g a t ep a s s i n gt h r o u g ht h es c r e e n 、p o w d e rc o n t e n ta n d a i rv o i d si n a s p h a l tm i x t u r e s o nt h e m a la b i l i t yo fa s p h a l tm i x t u r e ，u s i n gg r a y c o r r e l a t i o na n a l y s i s e n v i r o n m e n ti s v e r yi m p o r t a n ti n f l u e n c ef a c t o r so nr u t t i n gd a m a g eo fa s p h a l t p a v e m e n t t h r e et e m p e r a t u r e st e s tp o i n t sa l o n gt h er o u t eo fp a v e m e n tw a ss e l e c t e dt o i n s t a l l ，i no r d e rt om e a s u r ep a v e m e n tt e m p e r a t u r eo fd i f f e r e n td e p t h ，t h r o u g ha n a l y s i s o ft h e s ed a t e ，p a v e m e n tt e m p e r a t u r ef i e l dc h a n g er u l ec a nb ef i n d k e yw o r d s ：r u t t i n g ；o v e r - l o a d ；d y n a m i cs t a b i l i t y ；g r a yc o r r e l a t i o na n a l y s i s ； t e m p e r a t u r ef i e l d h 长沙理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得 的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个 人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文昀研究做出重要贡献的个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承 担。 作者签名：主l ! ，习锌 日期：沙年，月讥日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和 借阅。本人授权长沙理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数 据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密口。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名 导师签名 日期：沙彤年厂月砂。日 b 期：油5 年 月乙曰 1 1 问题的提出 第一章绪论 随着社会经济的发展，客货运量迅速增加，道路交通流量增大，特别是重型 车辆的增多和高压轮胎的使用，使得沥青路面的车辙病害越来越引起人们的关注， 并已成为高温地区沥青路面最主要的病害之一。7 0 年代末美国各州公路局曾作过 调查统计，在被调查的4 4 条主要公路中有1 3 条公路的破坏是由车辙引起的，占调 查总数的2 9 5 。据报道1 1 1 ，日本的高速公路路面维修、罩面的原因，8 0 以上是 由于车辙引起的。我国沈大高速公路上车辙铣刨两年后又出现了明显的车辙。在 发达国家，如美国、法国、比利时，限制路面车辙是路面设计的一项重要指标。 目前，国内的高等级公路绝大多数都采用半刚性基层沥青路面的结构形式， 由于半刚性基层的强度高和板体性好，基层及基层以下的变形极小，车辙主要来 自于沥青面层在车载作用下产生的永久变形。据分析，由面层产生的车辙深度可 能占总车辙深度的9 0 左右。车辙直接影响行车的安全性和舒适性，对安全性的 影响具体表现为三种形式：首先路面辙槽主要由重载车辆引起，当轻型车在有辙 槽的路面上行驶时，由于不同类型车辆的轮距不同，导致横向稳定性很差，从而 可操纵性差，使方向盘难以控制；其次较深的车辙雨天容易积水，车辆驶过时路 表水膜被带起而形成水雾，影响其后续车辆的司机视线，实验表明，如果路面不 透水，5 m m 的车辙深度将会对行车安全带来威胁川；再者，车辙的产生使车辆容 易产生滑溜，引发交通事故。此外，车辙使路面的平整度变差，严重影响舒适性 和行车质量。而且严重的车辙可导致结构破坏，大大缩短沥青路面的使用寿命。 因此，对沥青路面车辙产生原因和处理对策进行研究具有重要的现实意义。 尽管我国现行规范和美国的沥青混合料设计规范( a t 和s u p e r p a v e ) 都把抗车辙 能力作为设计沥青混合料所要考虑的重要因素之一1 3 】。但是由于沥青混合料固有 的粘弹性力学特性，再加上车辙形成的复杂性和影响因素的多样性，使得沥青混 合料的车辙研究尚有许多不完善的地方。如何防治沥青路面的车辙病害也就成为 沥青路面研究人员目前所面临的重要研究课题。 京珠国道主干线起自北京，经河北、河南、湖北、湖南，止于广东省珠海市， 是我国首都连接华中、华南的主骨架公路，是国家十大重点工程之一。京珠国道 主干线粤境高速公路起自韶关小塘，经坪石、乐昌、乳源、韶关、甘塘、曲江、 瓮城、英德、佛冈。从化、北兴镇，在太和镇接广州北二环高速公路，经北二环 高速公路和广珠高速公路至珠海，其在广东省乃至我国中南部地区公路网中的地 位十分重要。广韶高速公路为京( 北京) 珠( 珠海) 高速公路粤境南段韶关市甘 塘至广州市太和段，全长1 9 9 5 k m ，起点里程桩号为k 1 0 8 + 2 1 0 ，终点里程桩号为 k 3 0 7 + 7 0 0 ，其中沥青路面1 5 5 5 k m ，水泥路面4 4k m 。广韶高速公路一期工程分4 段通车，甘塘至瓮城段于2 0 0 1 年1 月建成通车，翁城至佛冈段于2 0 0 2 年2 月建成通 车，佛冈至钟落潭于2 0 0 2 年1 1 月建成通车，钟落潭至太和段于2 0 0 3 年1 1 月建成通 车。自建成以来，京珠高速路对区域经济的快速发展起了极大的拉动作用，是广 东省公路南北运输的大动脉，不仅车流量大，超载现象非常严重。有关单位曾于 2 0 0 2 年7 月对佛冈收费站出口交通轴载进行了调查，共调查货车1 3 5 辆，其中超载 车量9 2 辆，占6 8 1 ；轴重超载率约3 0 。最大超载轴重为1 6 6 吨，最大超载比例 1 2 4 3 。该公路陆续通车后，交通量急剧增长，目前断面日交通量已突破3 0 0 0 0 辆，且7 0 以上为大型车辆：尤其在节假日，该路已经常出现严重的交通拥挤， 甚至堵塞现象。广韶高速公路所处地带为亚热带季风性气候区，常年高温，雨量 充沛，无霜期约为2 5 0 3 4 0 天。根据清远气象台统计，年平均气温2 0 3 2 1 7 ，极 端最低气温一4 3 c ，极端最高气温达4 2 c ；且区域内降水丰富，历年平均降雨量 为1 5 3 7 2 2 0 1 m m ，每年4 9 月为雨季，其降雨量占全年的7 0 以上，其中暴雨集中 在4 6 月，年平均湿度为7 6 。因此广韶高速公路在重载和恶劣的气候等综合影响 下，使得刚建成通车不久广韶高速公路沥青路面及混凝土路面就出现了严重的轮 迹带车辙、水损坏、裂缝等病害i 。】。这些病害严重地影响到道路的行车安全以及 高速公路的形象，使道路使用品质大大下降。因此，本论文结合广韶高速公路二 期扩建，通过现场调查、室内试验、理论分析，开展针对广韶沥青路面的高温稳 定性能研究。 1 2 高温与重载对沥青路面的影响 1 2 1 重载对沥青路面的影响 沥青路面的轴载作用次数换算关系为4 3 5 次方( 当弯沉值控制设计时) 或8 次方 ( 当半刚性基层层底拉应力控制设计时) ，1 3 t 单后轴在路面上跑一次，相当于1 0 t 的标准轴载在路面上跑( 1 3 1 0 ) 4 3 5 = 3 17 欠或( 1 3 1 0 ) 8 = 8 2 次，超载破坏效应虽然不像 水泥混凝土路面那样敏感，但也十分严重。 从路面所受作用角度讲，重载可从以下4 方面来表征1 5 1 ：轴载作用次数多。 车轴载荷越来越重。轮胎与路面接触应力显著增大，且空间分布更加不均匀。 动力效应明显增大。 重载对沥青路面性能的影响主要有以下几个方面： ( 1 1 重载对半刚性基层的影响 由于我国沥青路面一直采用“强基薄面”的方法达到承重的目的，半刚性基 层的模量一般都比沥青混凝土的强度高。在重载作用下半刚性材料的应力一应变关 系呈非线性关系。当荷载达到一定程度，随着应力的增大，应变也不断地增加， 且应变的增长速率明显地大于应力的增长速率1 6 l 。这时材料的弹性模量不再是一 个定值，而是随着曲线的延伸不断变小。弹性模量e 值变小直接影响路面结构设 计，对于重载情况而言，厚度偏小，不能满足设计使用年限的要求，路面在重车 作用下，使用的初期就产生严重的破坏。重载车辆转换为标准轴载作用次数时， 会引起累计当量轴次的巨增，使用使得路面结构在使用初期的几年内就承受了普 通车辆设计年限内的累计标准轴次，从而使得路面结构设计与实际情况有很大出 入1 7 i 。并且还会出现由于荷载强度超过半刚性基层材料的允许强度而出现一次性 破坏，这对路面性能的打击是非常大的。 ( 2 ) 重载作用对路表弯沉的影响i b 】 当路面结构材料在一定应力条件呈非线性性质时，路表回弹弯沉也呈非线性 增加，与根据线性关系得到的直线逐渐偏离。偏离程度与路面的结构特性有关， 结构刚度愈大，偏离程度愈小，非线性性质不显著；结构刚度愈小，偏离程度愈 大，非线性性质比较显著。对于一般道路结构而言，弯沉与轴重的非线性关系如 下式所示。 f = a p “ ( 1 1 ) 式中： f 理论弯沉值( c m ) ：p 轴重( k n ) ；a ，1 1 回归系数。 随着载重的增加，弯沉的增长很快。 ( 3 ) 重载对沥青路面疲劳寿命的影响 随着载重的增加，重载换算成标准轴载的作用次数成几何次数增加，因此其 设计期限内的累积轴载作用次数也相应的增加。并且重载在沥青面层和基层内产 生较大的应力应变，显著的降低了沥青路面的疲劳寿命。 f 4 1 重载对路面车辙的影响 9 1 1 0 随着国民经济和公路交通运输事业的发展，运输车辆中大型货运车辆的比重 不断增加，车辆超载的现象十分普遍。有调查表明发现最重的单、双、三轴竟分别 达到2 3 0 k n 、3 2 0 k n 和4 3 0 k n 。可以说车辆超载超限在我国公路上既非常普遍又特 别严重。超载运输车辆往往采用高强度轮胎，由于装载太多，所以其行车速度很慢， 尤其是上坡路段。现场调查发现，行车道比超车道车辙严重，上坡路段比下坡路段 车辙严重。总的来说，大型超载车越多，行车轮迹越集中的车道( 如在爬坡车道、车 辆阻塞的车道1 车辙就越严重。 车辆轴重的增加造成沥青混合料动稳定度下降。在应力较高的情况下，沥青 混合料抵抗剪切变形、侧向流动的能力降低，塑性变形增长加快，即在重车较多 的车道上车辙量将迅速增加。因此，对于车辙现象严重的重载道路，进行设计时， 应对重载作用下的车辙加以考虑。而现行的设计和检测方法并没有考虑行车荷载 在爬坡以及转弯时对车辙的影响，也没有提出在这种情况下车辙的评价和控制指 标。 1 2 2 高温对路面的影响 由于沥青混合料的粘弹性性质，沥青路面在高温和长时间荷载作用下，其强 度与刚度( 模量) 随温度升高而显著下降，沥青混合料则会产生显著的变形，其 中不能恢复的部分会称为永久变形，即容易产生车辙、推移、搓板、拥包等永久 性变形以及泛油等路面损害类。从而降低了路面的使用性能，危及行车安全，缩 短沥青路面的使用寿命】。 目前评定高温稳定性的指标主要有：经验法评述，包括：高温抗压强度与 软化系数法、马歇尔法、三轴剪切法。高温抗剪切评价。沥青混合料永久变 形评价方法，包括：蠕变、车辙试验、简单剪切试验等。其中，我国常规的评价 高温稳定性的指标是马歇尔法的稳定度和流值，及车辙试验的动稳定度。在很多 的实际公路建设中，沥青混合料的稳定度和流值均能满足规范的要求，但是还是 出现了车辙等高温稳定性不足的病害。因此现行规范中的高温稳定性评价指标并 不能满足现行公路工程的要求。 由上可以看出重载和高温对路面性能的影响非常大，但是现有的规范对超载 的考虑主要是从增加轴载作用次数这方面进行单方面的分析，因而很多路面在通 车后几年，短则1 年就会出现破坏，这种现象尤其在我国的南方地区比较严重。 1 3 国内外研究概况 1 3 1 国外研究概况 早在1 9 6 2 年美国a a s h o 试验路研究期间，对车辙路段进行了开挖，h o f s t r a 提出的报告认为产生车辙的主要原因是剪切应力，由此结果推荐使用高强度的路 面材料。1 9 8 7 年e i s e n m a n n 的报告指出，沥青层的组成为5 c m + 1 8 c m ，出现的车辙 表现出轮胎下方下沉量( 体积) 要大于两侧隆起的体积，说明车辙的初期阶段主要 是压密造成的。而在此以后，车轮的下沉逐渐与两侧隆起的体积平衡，说明压密 己经完成，车辙是由流动产生的。h o f s t r a 还指出沥青路面的变形在路表面最大， 越向下越小，这一方面是下部抵抗塑性流动变形能力强，同时也是因为下部的剪 切应力小的缘故。根据a a s h o 试验路测定，车辙量随沥青层厚度的增加而增加， 到2 5 c m 达到极限，沥青面层再加厚车辙深度不再增加。 在1 9 6 2 年第一届c s d a p ( 雪际沥青路面结构设计会议) 上，壳牌石油公司提出 了第一个同时考虑疲劳和车辙的沥青路面结构设计方法，这个方法是通过限制路 基顶面垂直压应变来控制车辙。 在1 9 7 2 年第三届c s d a p 上，各国研究人员提出了一些观测柔性路面车辙的 方法，这些方法利用路面材料的基本性能，以不同的方式计算荷载和环境条件对 车辙量的影响。 在1 9 7 6 年由t r b 发起的关于沥青路面车辙讨论年会上，特别强调车辙深度预 4 测和用于定义沥青混合料特性的实验方法。 在1 9 7 7 年第四届c s d a p 上，许多研究人员发表了相当数量与限制车辙深度 和车辙预测方法有关报告的，主要包括： 根据观察的车辙性能的统计方法； 限制路基应变的方法； 蠕变实验数据结合弹性理论分析的方法； 线粘弹性理论分析的方法。 此后，沥青路面车辙问题得到相当程度的控制，在1 9 8 2 年召开的第五届 c s d a p 上，有关车辙预测的新文章很少，只有一些验证性论文，路面工程师们的 兴趣已转移。但第五届会议以后，车辙问题又重新提出来，涉及到轮荷载和轮胎 压力对路面应力与应变的影响，研究方向为材料特性与制定预测模型，有关的论 文、报告十分丰富。从经验到考虑粘弹性的各种方法都有。 在1 9 8 7 年第六次c s d a p 上，几位研究人员的报告引起了大家特别的兴趣。 他们的研究涉及到把动力蠕变试验与层应变分析结合起来预测足尺试验路面车 辙：轮荷载和轮胎压力对沥青路面车辙量的影响；在足尺路面中采用各种轮荷载、 充气压力和轮荷布置进行实验。 第十九届世界道路会议对英、法、德、意等1 6 个国家的调查表明，除法国外 其它国家都采用马歇尔方法确定最佳沥青用量。但多数国家认为用马歇尔方法来 预估混合料性状是不够的，因此都采用一些补充试验。有8 个国家主要关心抗塑性 变形能力，采用t r r l 或l c p c 车辙实验来评估沥青混合料的抗车辙性能。 美国战略公路研究计划( s h r p l n i i ，3 l l “1 ) 的沥青研究项目在执行期间，总经费 5 0 0 0 万美元中有9 4 9 万美元用于永久变形研究上。该项研究最后提出的两篇研究报 告，成为s u p e r p a v e 的主要组成部分。研究人员在对现有沥青混合料高温特性 试验方法进行评价的基础上，提出了新的试验、评价方法，并试图根据新的破坏 模型和车辙预估模型，编制新的计算机软件进行车辙深度预估。迄今为止，己取 得了部分成果。 在国外，对于重载沥青路面，联邦公路管理局( f h w a ) 的f r e d d yl r o b e r t 、 h a r o l dv o nq u i n t u s 和w r o n a l dh u d s o n 针对行驶重型车辆的公路进行了旨在修建 高级路面结构的研究，提出了免养护路面的设计指标和方法：t r r l 针对不同底 基层和交通量超过8 o 千万标准轴时所需的密级配沥青碎石上基层厚度，绘出了设 计曲线；在第二次世界大战的初期，美国陆军工兵部对机场设计采用了c b r 法， 来适应飞机荷载，可以看出对重载的探索：澳大利亚公路学会在路面设计公 路路面结构设计指南一书中，提出了保证路用性能的设计交通量与有粘结基层 ( 水泥处治稳定集料) 的设计表层弯沉值之间的关系；法国大型环道试验进行了不 同轴载作用下的车辙研究，并给出了回归公式；美国联邦公路管理局的加速加载 试验和澳大利亚f c h o w d h u r y 与r a r a i l i n g s 关于汽车轮压对路面结构影响的研 究也有很重大的价值和意义。另外，w a l t e r p k i l a r e k i 对重车的影响及超载限值进 行了研究，奥地利维也纳技术大学h k n o f l a c h e r 研究了卡车超载对道路养护造价 的影响 1 3 2 国内研究概况 长期以来，由于种种原因，我国公路的沥青路面数量少、等级低，技术状况 差，材料性能不好，因此公路的主要问题表现在强度方面，沥青路面的永久变形 并未成为主要路面病害而得到足够重视。改革开放以后，尤其是进入8 0 年代后， 随着我国国民经济的快速增长，高等级公路得到了很大发展。1 9 8 8 年沈大高速公 路、沪嘉高速公路等我国大陆首批高速公路通车，以高速公路为代表的高等级公 路路面中绝大部分采用了沥青路面结构。随着公路交通量的增加、汽车轴载的加 大以及渠化交通的形成，超载、重载车问题也越来越突出，我国公路沥青路面永 久变形已成为引人注目的普遍问题吣i 。 我国公路科技人员对沥青混合料高温特性进行过大量试验研究，取得过许多 有价值的研究成果，提出了适合我国国情的沥青混合料高温性能技术指标与标准， 使我国沥青路面高温稳定性问题得到了有效的控制，极大地减少了高温车辙的破 损现象。 改革开放以来，我国在沥青路面方面通过三个五年计划的科技攻关，取得了 较大进展，现概述如下： “六五”期间，主要针对我国生产的普通石油沥青进行了沥青混合料的部分 性能及改性沥青的研究。在高温稳定性方面，用粘弹性理论计算( 预估) 车辙深度， 用单轴蠕变实验确定有关参数。提出我国各个地区沥青使用温度。 “七五”期间，主要针对我国重交通道路石油沥青一单家寺沥青的使用性能 进行了较为系统的试验研究工作。在高温稳定性方面，沿用粘弹性理论计算车辙 深度，并进行了车辙实验和快速加载实验。 “八五”期间，借助美国s h r p 计划，针对当前国产的七种沥青及其沥青混 合料进行了全面系统的研究，提出符合我国不同自然区域道路实际使用状况与路 用性能的沥青及沥青混合料的技术指标及相应的试验方法，主要包括高温、低温、 水损坏和老化等几个方面，并提出初步技术标准建议值“。 在国内，由于重型车的不断增加，不少机构和学者也对重载交通路面进行了 探索 z7 j 。对于重载作用下的沥青路面，山西交通科学研究所的黄勇、虞文景等人 针对重载道路的特点，利用几种典型半刚性基层材料的疲劳试验结构，根据疲劳 等效原则，并考虑了车辆超载效应，在借鉴国外研究成果的基础上，得出了以基 层底面拉应力为指标的适应重交通条件和半刚性基层沥青路面特点的车辆轴载换 算公式和相应的设计方法；交通部公路科学研究所在河北京石高速公路涿州服务 区内修筑了不同结构的试验路段，利用沥青加速加载设备( a l f ) 对半刚性基层沥 青路面的疲劳破坏规律，不同轴载的换算关系，车辙与轴重的关系进行了初步的 分析和探讨n “；内蒙古在临白公路、临一陕公路及铺道上定点量测了黄河j n 一1 5 0 、 东风e q 一1 4 0 和解放c a 一1 0 b 三种代表车型不同装载量时的路表弯沉反应，认 为三种车辆轴载不超过设计标准时路表弯沉值比较稳定，随着装载量的增加弯沉 值越来越大，重型车即使不超载时产生的弯沉也会超过设计允许值。另外，同济 大学在中国汽车工业总公司及重型汽车工业总公司的支持下，从汽车设计角度研 究了轴重对路面的影响及减轻重型货车对道路的损伤。 综上所述，国内外研究车辙主要集中在机理、级配和改善结合料等方面。尽 管国内外许多学者对车辙进行了深入研究，取得了一定的研究成果，但是由于我 国幅员辽阔，材料、气候差异较大等原因，在结构设计、材料等方面，围绕沥青 路面的车辙是怎样产生的、如何提高沥青路面的抗车辙性能，还没有提出切合实 际的技术对策。 因此，有必要针对广韶高速公路高温和重载的实际情况，找出该地区路面车 辙的成因，提出行之有效的控制车辙对策。 1 4 本论文的主要研究内容 本论文根据国内外已有的研究资料，结合京珠高速公路( 广韶段) 沥青路面课 题的研究，分析广韶路面车辙形成的主要原因。通过现场调查、室内试验，开展 广韶沥青路面高温稳定性能研究，主要研究内容如下。 1 沥青路面车辙现状调查与分析 1 ) 根据路面结构和交通状况，提出了车辙限值。 2 ) 通过路况调查，对车辙进行分析与评价。 2 现场试件车辙实验与分析 1 ) 对大量试件进行车辙实验，得到实验结果。 2 ) 对实验结果进行方差分析、回归分析。比较各结构层对高温稳定性影响大 小。建立回归方程，反算出下面层( a c 2 5 ) 动稳定度指标。 3 混合料组成对高温稳定性的影响。 1 1 对路面进行钻芯取样，并对试件进行抽提实验，得到混合料级配。 2 ) 对上面层、中面层和下面层级配进行分析，找出路面损坏原因，提出关 键筛孔通过率控制指标。 4 路面高温稳定性影响因素 1 ) 分析沥青路面高温稳定性的影响因素。 2 ) 运用灰色关联度方法分析油石比、4 7 5 筛孔通过率、矿粉含量、沥青混合 料空隙率四种因素对沥青混合料高温稳定性的影响显著程度。 5 环境因素对沥青混合料高温稳定性的影响 1 1 温度传感器埋设方法和测量方法。 2 1 通过对路面温度体的测量，得到路面温度随深度方向的变化规律。 第二章沥青路面车辙现状调查分析 2 1 工程背景 2 1 1 背景 京珠高速公路粤境南段甘塘至太和段全长1 9 9 5 k m ，起点里程桩号为 k 1 0 8 + 2 1 0 ，终点桩号里程为k 3 0 7 + 7 0 0 ，其中沥青路面1 5 5 k m 。翁城至佛冈段于 2 0 0 2 年2 月建成通车，开放交通不久后部分路段路面便出现了严重的车辙病害。到 2 0 0 3 年6 月车辙情况又有了进一步的发展，同时又出现了坑槽病害。2 0 0 3 年7 月对 此路段路面车辙进行了分析评估，该时间统计数据表明该路面车辙深度主要分布 在5 1 0 m m 范围内，南行路面车道有1 1 9 出现超过1 5 m m 的车辙，5 2 出现超过 2 0 m m 的车辙。2 0 0 3 年7 月中旬至9 月，广东遭遇了二个月罕见的连续高温，京珠 南沥青路面车辙病害急剧发展。据2 0 0 3 年9 月底补测结果表明，大量车辙主要发生 在主车道，车辙最大深度已达7 0 8 0 m m ，平均车辙深度超过1 0 m m 。2 0 0 3 年1 0 月 中旬的再次普查发现，佛冈段车辙较严重的路面己达6 0 k m ，车辙最大值达到1 0 c m 。 并且部分路段出现泛油，表面抗滑性大大降低，安全隐患极大。在此之后虽然对 部分路段进行了罩面处理，通车之后仍旧出现严重的车辙损坏。 2 1 2 沿线地形及地质 京珠南路段所处的地形地貌较复杂，总体处于南岭中南段，地质构造上属于 华南褶皱带的一部分，地势北高南低。线位所处地带为山地( 重丘区) 与平原微 丘区交错分布。 沿线地形、地貌变化较大，岩性种类多，其中分布较为广泛的第四系、白垩 系、石炭系、泥盆系和燕山期侵入岩，以及少量第三系、侏罗系地层。其中第四 系地层覆盖面积较大，无大面积软弱土层分布的，工程性质良好。区内分布地层 单一，以花岗岩为主，但岩体风化厚度普遍较大。 沿线平地、洼地中地下水主要为地表潜水，地下水位埋深1 0 1 5 m ，山岭地 区地下水以基岩裂隙水为主。 2 1 3 气候条件 该路地处中亚热带季风气候区，常年气温较高，雨量充沛赌，四季分明，无 霜期约2 5 0 3 4 0 天。常年平均气温2 0 3 2 1 7 ，极端最底气温一4 3 ( 一月份) ， 极端最高气温4 2 。c ( 七月份) 。区内降雨丰富，历年平均降水量为1 5 3 7 2 2 0 1 m m 。 每年4 9 月为雨季，其降水量占全年的7 0 以上，其中暴雨集中在4 6 月。年平均 湿度为7 6 。 9 2 0 0 3 年出现了历史罕见的高温天气，该路段路面温度高达6 0 之多。简单地 用地面最高温度评价高温天气对路面车辙的影响不够全面：广州夏季炎热、昼夜 温差小，路面长时问处于高温状态下，加速了车辙发展。为此，在次路段选取三 个位置，埋设温度传感器，来测定路面不同深度的温度，全面了解广韶路面温度 状况。 2 1 4 路面结构 全段路面分段情况如表2 1 t 。】。 表2 1 全段路面分段情况 标段桩号车辙情况 k 1 5 1 + 0 0 0 一k 1 6 2 + 4 2 4较好 翁城连接线 l 较好 k 1 0 + 0 0 0 一k 1 5 + 9 9 5 l 2k 1 6 3 + 21 5 一k 1 8 5 + 0 0 0 较严重 2 8k 1 8 5 + 0 0 0 一k 2 1 0 + 0 0 0 较严重 2 9k 2 1 0 + o o o k 2 4 0 + 1 5 0 较严重 k 2 4 0 + 1 5 0 一k 2 5 l + 9 0 0 3 0 k 2 5 1 + 9 0 0 一k 2 7 l + 4 0 0 3 lk 2 7 1 + 4 0 0 k 3 0 7 + 7 0 0 各标段路面结构如图2 1 。 4 c m a k 一1 6 a f 改性沥青) 6 c m a c 2 0 1 ( 改性沥青) 6 c m a c 2 5 1 l c m 下封层 2 0 c m 6 水泥稳定碎石 3 4 c m 4 水泥稳定碎石 1 5 c m 级配碎石( 在路床潮湿路段设置) a ) l 标主线路面结构 4 c m a k 1 6 a ( 改性沥青) 6 c m a c 2 5 i l c m 下封层 2 0 c m 6 水泥稳定碎石 2 0 c m 4 水泥稳定碎石 b 1 翁城连接线路面结构 1 0 4 c m a k 1 6 a 6 c m a c 一2 0 i 6 c m a c 2 5 i 1 c m 下封层 2 0 c m 6 水泥稳定碎石 3 6 c m 4 水泥稳定碎石 c ) l 2 、2 8 、2 9 、3 0 、3 1 标路面结构 图2 1 路面结构图 硬路肩采用的路面结构方案与行车道相同。 2 1 5 各结构层设计参数取值 各结构层设计参数如表2 2 e 1 。 表2 2 各结构层设计参数 结构层 e ( m p a ，2 0 c ) e ( m p a ，1 5 )o r ( m p a ) 中粒式沥青混凝土( a k 一1 6 a ) 1 1 0 01 6 0 00 8 5 中粒式沥青混凝土( a c 一2 0 i ) 1 0 5 0 1 6 0 0 0 8 0 粗粒式沥青混凝土( a c 2 5 1 )1 0 0 01 2 0 00 6 0 水泥稳定碎石( 6 ) 1 4 0 01 4 0 00 5 0 水泥稳定碎石f 4 ) 1 1 0 01 1 0 00 4 0 土基( 粘性土为主中湿)e o = 3 5 m p a 2 1 6 对沥青面层原材料的要求 2 1 6 1 沥青 选用符合“重交通道路石油沥青技术要求”的进口优质沥青，沥青标号为 a h 一7 0 。各项性能指标符合公路沥青路面施工技术规范( j t j 0 3 2 9 4 ) 附表c 表 c 1 “重交通道路石油沥青技术要求“。 2 1 6 2 粗集料 粗集料粒径规格符合公路沥青路面施工技术规范) ) ( j t j 0 3 2 9 4 ) 附表c 表c 6 、 c 7 的尺寸要求，除l 标、l 2 标上面层采用玄武岩外，其它标段上面层采用花岗 岩，其各项指标符合公路沥青路面施工技术规范f j t j 0 3 2 9 4 ) 附表c 表c 8 。 中、下面层选用石灰岩等碱性石料。 2 1 6 3 细集料 沥青面层细集料符合公路沥青路面施工技术规范) ) ( j t j 0 3 2 9 4 ) 附表c 表c 9 、 c 1 0 、c 1 1 要求。 2 i 6 ，4 填料 沥青混合料的填料采用石灰岩加工成的矿粉，其质量符合公路沥青路面施 工技术规范f j t j 0 3 2 9 4 ) 附表c 表c 1 2 要求。当采用水泥? t 石灰做填料时，其用 量不超过矿料总量的2 。 2 1 7 交通量状况 京珠高速公路粤境南段作为南北货车干道的重要组成部分，重车和超重车比 例相当高( 最重的车轴重达3 9 吨，总重超过1 2 0 吨) 。有关单位于2 0 0 3 年8 月7 日 8 ：0 0 。8 月8 日8 ：0 0 在风围分离式立交桥( k 2 3 4 + 8 9 0 ) 处b 对车流量进行了2 4 d 、时不间断 调查。调查结果为全天2 4 d 时车辆通过量为1 3 1 4 1 车次，其中双轴车辆最多达5 2 0 0 车次，三轴车也占了相当大的比重，而这些车辆往往超载都相当严重( 如图2 2 ) 。 8 ：0 0 。1 6 ：0 0 共通过5 1 7 8 车次，占全日通过量的3 9 4 ，各类车次统计分类如表2 3 。 图2 2 重载交通照片 表2 3 京珠国道主干线粤境南段车次调查统计表 小车类( 辆) 大车类( 辆) 车型 中巴、小型货 大货车 车次 车、吉普车和大客车 方向 2 轴3 轴 4 轴5 轴6 轴7 轴 小轿车 南行 1 5 1 87 2 52 4 1 89 1 34 2 2 1 4 22 0 1 北行 1 5 7 86 8 92 7 8 29 1 75 1 91 6 11 5 6 合计( 次) 3 0 9 61 4 1 45 2 0 01 8 3 09 4 1 3 0 3 3 5 7 总计( 次) 1 3 1 4 1 从车辙调查资料的结果可知，车流量大的主车道出现的车辙情况比超车道要 严重得多，这主要是由于大量的超载货车作用的结果。根据有对车辆轴载的调查， 在本路线上行驶的货车有严重超载的达6 8 以上，而且超载以交通量占很大比重 的双轴车和3 轴车为主体，通常的超载率在6 6 4 1 2 4 3 之间。不同轴载类型超 载前几位统计如表2 4 。： 表2 4 佛冈站出口超载前十位列表 轴载类型 限重值( k 9 1测定值( k 9 1超载轴重( k 9 1超载比例( ) 单轴每侧双轮胎 1 0 0 0 0 2 2 4 3 01 2 4 3 01 2 4 _ 3 单轴每侧双轮胎 1 0 0 0 0 2 2 3 3 01 2 3 3 01 2 3 3 单轴每侧双轮胎1 0 0 0 02 1 2 2 01 1 2 2 01 1 2 2 单轴每侧双轮胎1 0 0 0 02 0 8 3 01 0 8 3 01 0 8 3 单轴每侧双轮胎 1 0 0 0 02 0 6 5 01 0 6 5 01 0 6 5 单轴每侧双轮胎 1 0 0 0 02 0 2 2 0 1 0 2 2 0 1 0 2 2 双联轴每侧双轮胎 1 8 0 0 03 4 1 8 0 1 6 1 8 0 8 9 9 双联轴每侧双轮胎1 8 0 0 03 1 8 4 01 3 8 4 07 6 9 双联轴每侧双轮胎1 8 0 0 02 9 9 6 01 1 9 6 06 6 4 三连轴每侧双轮胎2 2 0 0 03 8 5 9 01 6 5 9 07 5 4 通常重车与超载车不仅轴重大，而且行车速度较慢，即轮载对路面作用时间 长，使沥青混合料在荷载作用下的永久变形大大增加1 1 9 l 。而重车通常车速较慢且 主要在主车道上行驶，从而使主车道的车辙明显大于超车道。而且，重车在制动、 加速、转弯时对路面的水平剪力较一般车辆大，也大大加剧了路面的水平推移， 从而使弯道、上下坡、进出口等路段的车辙和推移明显重于其他位置，同时这些 位置也是渠化交通最严重的位置1 2 0 1 。据河北省交通厅公路管理局测算，一条设计 使用年限为1 5 年的公路，如果行驶车辆超限1 0 0 ，那么其实际使用年限仅为设计 使用年限的1 0 左右，即实际使用年限仅为1 5 年到两年。大交通量和超载严重的 1 3 车辆，导致路面结构层内产生较高的水平剪应力，而高温下沥青混合料的抗剪能 力下降，因此，超载可能是造成车辙严重的关键直接外因。 。 在美国s u p e r p a v e 沥青混合料设计中选择沥青等级时综合考虑了气候、交 通量、交通速度、重型交通等因素，并要求在特殊路段相应地使用更高等级的沥 青作为粘结料n ”。但是在我国现行标准中尚未对此提供非常明确的对策，现行法 规中尽管对超重载车辆有些限制条款，但各部门在限制超重载车方面的力度往往 不够，导致按标准设计荷载确定的沥青混合料结构和材料在实际车辆作用下很难 满足使用要求。 2 2 车辙限制的提出 为了了解路面实际车辙损坏情况，有必要针对广韶高速提出限制车辙的指标。 国内外对车辙评价依据和标准不尽相同。有的以行车舒适性来评价，有的从安全 性角度评价，例如：路面上积滞的水深达5 m m 以上，行车速度等于或大于下式所 定的数值时，便有可能出现水面滑漂现象，也即轮胎与路面之间为一层水膜所隔 开。 v = 1 9 2 5 石( 2 1 ) 式中：v 一有水膜时可能出现滑漂的临界车速( k m h ) ； p 一轮胎内压力( m p a ) 。 规范中标准轴载轮胎接地压强p o = 0 7 m p a ，则相应v = 1 6 1 k m ；若v = 1 2 0 k m h ， 则p = 0 3 9 m p a 。高速公路车速在8 0 1 2 0k m h 之间，车辙内很少全部积水，因此 5 m m 的估计偏保守，可认为s 5 m m 的车辙深度不会出现漂滑而危及行车安全i ”1 。 b a r k s d a l e 指出路面横坡2 ，车辙深度1 3 r a m 时，8 0 k m h 车速会产生水漂。英国 则认为标准横坡2 5 ，车辙深度1 3 m m 将