（材料学专业论文）沥青路面车辙预估模型的研究.pdf

摘要 车辙是当前我国高等级公路沥青路面问题最突出、危害最大的损坏类型之一。车辙 病害的出现，不仅严重影响路面的使用质量和服务寿命，而且严重威胁着交通安全性， 因此，如何有效地预测车辙病害己成为目前亟需解决的问题。本文重点研究了基于重复 加载蠕变试验的沥青路面车辙预估方法，进而用于预测沥青路面的车辙病害程度，指导 沥青路面的养护与维修。 本文在实际调研的基础上，分析了沥青路面车辙的损坏机理，提出了重复加载蠕变 试验方法，研究沥青混合料高温性能的力学参数。在分析沥青路面车辙影响因素的基础 上确立了车辙预估模型形式，根据试验结果确定了模型参数，并进行了组合结构试件的 有效性验证。结果表明该预估模型误差范围较小，可用于预测沥青混凝土永久变形。 在探讨国内外车辙等效温度研究的基础上，根据建立的车辙预估模型和车辙损坏等 效原理确立了车辙等效温度模型，在三个不同地区应用该模型，计算得到当地的车辙等 效温度。根据实际路面交通量调查结果，提出了车辙有效荷载作用次数的概念及计算方 法。结合实际路面车辙的调研数据，对车辙预估模型进行了修正，建立了实际路面车辙 预估模型，结果表明本次研究建立的预估模型合理且具有一定的精度。 关键词：沥青路面、车辙、重复加载蠕变试验、沥青混合料、车辙等效温度、车辙 预估模型 a b s t r a c t r u t t i n gi so n eo ft h em o s td a n g e r o u sa n dp r o m i n e n td a m a g et y p e so nt h ea s p h a l t p a v e m e n ti nh i g h - g r a d eh i g h w a yi no u rc o u n t r ya tp r e s e n t t h ee m e r g e n c e o ft h er u t t i n gn o t o n l ys e r i o u s l ya f f e c t e dt h ef u n c t i o n a lq u a l i t ya n d t h es e r v i c el i f eo ft h ep a v e m e n t ，b u ta l s o w a sas e r i o u st h r e a tt ot h et r a f f i cs a f e t y t h e r e f o r e ，h o wt op r e d i c tt h er u t t i n ge f f e c t i v e l yh a s b e c o m eap r o b l e mw h i c hn e e d st or e s o l v eu r g e n t l y t h i sp a p e rp r e s e n t sam e t h o do fr u t t i n g p r e d i c t i o no fa s p h a l tp a v e m e n tb a s e do nt h ec r e e p t e s tu n d e rr e p e a t e dl o a d i n gt op r e d i c tt h e d e g r e eo ft h er u t t i n g ，t h e r e b yt og u i d et h em a i n t e n a n c ea n dr e p a i ro fa s p h a l tp a v e m e n t t h i sp a p e rw a sb a s e do nt h ea c t u a lr e s e a r c h a c c o r d i n gt ot h er e s u l t so ft h ec r e e pt e s t u n d e rr e p e a t e dl o a d i n g ，i tc a nr e a l l yr e f l e c tt h em e c h a n i c a lp a r a m e t e r so fa s p h a l tm i x t u r e c o m b i n e dw i t l lt h er e s u l t so ft h el a b o r a t o r yr u tt e s t ，t h er u t t i n gp r e d i c t i o nm o d e lw a s e s t a b l i s h e d a n dt h ee f f i c i e n c yo ft h ec o m b i n e ds t r u c t u r eo ft h es p e c i m e n sw a sv e r i f i e d t h e r e s u l t ss h o wt h a tt h ee r r o rr a n g eo ft h ef o r e c a s tm o d e li ss os m a l lt h a ti tc a nb eu s e dt o p r e d i c tp e r m a n e n td e f o r m a t i o no fa s p h a l tc o n c r e t e b a s e do nt h ed i s c u s s i o no fr u t t i n ge q u i v a l e n tt e m p e r a t u r ea th o m ea n da b r o a d ，t h en e w t y p eo fr u t t i n ge q u i v a l e n tt e m p e r a t u r em o d e lw a sd e v e l o p e da c c o r d i n gt ot h er u t t i n g p r e d i c t i o nm o d e la n de q u i v a l e n tp r i n c i p l eo fr u t t i n gd a m a g e t h e nt h e l o c a lr u t t i n g e q u i v a l e n tt e m p e r a t u r ew a s c a l c u l a t e db ya p p l y i n gt h em o d e li nt h r e ed i f f e r e n ta r e a s a n d b a s e do nt h er e s u l t so ft h ea c t u a lt r a f f i cv o l u m e ，t h ec o n c e p ta n dt h ec a l c u l a t i o nm e t h o do f t h ee q u i v a l e n tl o a dn u m b e r sw e r ep r o p o s e d c o m b i n a t i o nw i t ht h ea c t u a ls u r v e yd a t a , t h e r u t t i n gp r e d i c t i o nm o d e lw a sm o d i f i e d a n dt h er u t t i n gp r e d i c t i o nm o d e lw h i c h w a ss u i t a b l e t ot h ea c t u a lp a v e m e n t sw a se s t a b l i s h e d t h er e s u l t si n d i c a t et h a tt h ee s t a b l i s h e de s t i m a t i o n m o d e li nt h i ss t u d yi sr e a s o n a b l ea n dp o s s e sac e r t a i na c c u r a c y k e y w o r d s ：a s p h a l tp a v e m e n t ；r u t t i n g ；c r e e p t e s tu n d e rr e p e a t e dl o a d i n g ；a s p h a l t m i x t u r e ；r u t t i n ge q u i v a l e n tt e m p e r a t u r e ；p r e d i c t i o nm o d e l i i 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出 重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任 何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 街叫 o3 年玉只3 日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 黧誓：撼 导师签名：1 例翻 d 尹年歹月y 日 0 窄年f 月3 日 长安大学硕士学位论文 1 1 问题的提出和研究意义 第一章绪论 改革开放三十年以来，随着国民经济的快速增长，我国的高等级公路通达深度和 覆盖面积取得了举世瞩目的成就。迄今为止，建成通车的高速公路总里程逾五万多公 里，其中，沥青路面因其具有行车平稳舒适、噪声低、养护方便、易于回收利用等优 点，在国内外公路建设中得到了广泛应用。资料表明，美国高速公路中约9 3 为沥青 路面，日本约占9 4 。而在我国已建成的高速公路中有9 5 以上采用了沥青路面【1 1 。 但是，随着高速公路里程与日俱增，由于交通量和车辆荷载的激增，超载车辆以及平 均车速的提高，沥青路面的破坏出现了新的趋势，许多高速公路在通车1 2 年甚至更 短的时间内就发生了大面积的破损，不仅给国家和社会造成了巨大的经济损失，而且 产生恶劣的负面社会影响。 车辙是沥青路面常见的一种损坏现象，其实质是沥青路面在自然温度场中经受汽 车重复荷载作用下，沥青混合料被碾压而形成的辙槽，而且较严重的辙槽两侧通常伴 有膨起变形。车辙对于道路本身及其使用性能的危害性非常大，直接影响到沥青路面 的平整度、路面使用性能、行车安全与舒适。当车辙达到一定的深度，轮迹处沥青层 厚度减薄，削弱了面层及路面结构的整体强度，在雨水天气时，车辙槽内将会积水， 降低路面的抗滑性能，并且辙槽底部在行车荷载作用下很快产生微小裂缝，导致积水 下渗，在水和荷载双重作用下，裂缝进一步发展，逐步形成网裂、龟裂、脱皮、坑槽 等病害，严重影响沥青路面的结构性能和使用性能【2 】。可见，沥青路面车辙的危害不 容忽视，如何采取有效方法控制车辙成为公路部门的当务之急。 沥青路面的车辙主要是由路基、基层和面层三部分的永久变形组成。我国目前高 等级公路沥青路面多以半刚性基层为主，大量观测调查及理论计算表明，半刚性基层 的高等级沥青面层产生的永久变形量占车辙总量的9 0 以上【3 】，因此沥青面层的永久 变形为车辙研究的重点，而且有关沥青面层的车辙的计算方法以及基于车辙损坏控制 的路面设计研究已成为一项重要的课题，而建立沥青路面车辙预估模型则成为解决该 问题的核心基础。 预测沥青路面的车辙深度，不仅可以作为沥青混合料设计的重要依据，同时，可 以了解沥青路面使用期内车辙的发展情况，为路面养护和维修提供参考，进而在实践 第一章绪论 上可以有效地控制路面车辙，提高路面使用质量，为安全、顺畅、快捷行车提供保证， 提高交通运输能力，促进经济的快速发展；延长公路使用寿命，节省大量维修、养护 费用。可见，如何有效预测沥青路面车辙深度，是一项迫切且具有重要实际意义的任 务。 实际路面车辙的影响因素复杂多变，直接建立路面车辙预估模型存在很大的困难， 而室内车辙试验条件可控，数据离散性较小，因此，通过建立室内车辙预估模型进而 延伸到室外沥青路面车辙预估模型是一个有效的途径。本文首先结合高速公路车辙病 害调查，探讨沥青路面车辙的影响因素及损坏机理，研究沥青混合料高温性能试验评 价方法及参数，研究室内沥青混凝土的车辙预估模型；然后根据实际路面的交通量和 气候条件，研究车辙有效交通量的计算方法和车辙等效温度的计算方法，最后通过沥 青路面车辙调研数据对车辙预估模型进行修正，提出基于力学参数的沥青路面永久变 形预估模型，为提升我国沥青混合料设计水平提供参考，同时对控制沥青路面病害和 提高我国路面养护水平都具有重要的经济效益和现实意义。 1 2 沥青路面车辙预估研究概况 车辙问题一直是困扰世界各国道路设计人员的主要病害类型，国内外学者就如何 防治沥青路面车辙病害进行了大量的研究，特别是车辙预测受到各国研究人员的重视， 一些国家明确将车辙预测作为沥青路面设计方法的一部分，如美国的沥青协会规范、 壳牌设计指南、南非的力学设计法。经过多年的研究，国内外研究者针对沥青路面的 永久变形分别从不同的角度建立了形式多样的车辙预估模型，本文对这些经典的车辙 预估方法进行简单的回顾。 1 2 1 国外车辙预估方法研究概况 国外对车辙预估的研究已有近三十年的历史，车辙预测方法大致可分为三类：理 论分析方法、半理论一半经验法、经验法；经验法需要大量的实际路面车辙观测数据， 而车辙一般都需要几年甚至十几年才能形成，因此，目前国外车辙预测方法仍以理论 分析法为主流【4 1 。 ( 1 ) 经验法 经验法是从试验路或者室内试验测定数据，采用统计方法建立沥青混凝土层永久 变形与材料参数、荷载作用次数的经验关系并预测车辙的方法。1 9 8 6 年f i n n 等人根 2 长安大学硕士学位论文 据a a s h t o 试验路观测结果编制了p d m a p 的计算程序来预测沥青混凝土路面的疲劳 裂缝和车辙【5 】。 经验法建立的经验模型没有考虑路面结构的整体效应，缺乏能够反映沥青混合料 性能的力学参数，甚至没有考虑到不同沥青混合料的材料因素差异，且预估车辙的公 式外延性差，适用面窄，所以经验法只能用于某一具体的环境，应用局限性较大，难 以推广，用于评价沥青混凝土路面的永久变形受到了一定的限制。 ( 2 ) 理论分析法 理论分析法是通过试验测得材料参数，利用弹性或者粘弹性层状体系理论计算路 面内部的应力、应变，并根据路面材料的永久变形同应力之间的关系，建立沥青混凝 土层的永久变形预估模型，其中，层应变法是理论分析法中最典型的代表之一。 国际上应用最广的层应变法是壳牌( s h e l l ) 法，壳牌车辙预估方法是在大量蠕变 试验、轮迹试验和一系列假设的基础上建立起来的【8 1 1 9 。该法进行了如下假定：沥青 混合料的变形是由于相邻矿料间的滑移所形成的，并且从蠕变试验中得到沥青混合料 劲度与沥青劲度的关系。考虑到动态与静态之间的差异，提出了修正的车辙计算公式 【1 0 】【1 1 】。该模型存在如下缺点：该模型无法说明使用改性沥青对减少新建路面车辙的 效果；无法解释轴载不同而接触压力相同情况下，路面产生的车辙不同的现象； 此式对弹性响应精确，将劲度参数作为弹性参数，未考虑混合料的粘性和塑性响应。 ( 3 ) 力学一经验法 力学一经验法采用弹性层状体系理论或粘弹性层状体系理论计算路面的应力、应 变，并结合室内外试验，统计得出沥青混凝土路面的车辙同材料特性、路面结构及荷 载作用次数之间的经验关系式。 2 0 0 0 年m o n i s m i t h 提出了一种层应变的替换方法用来描述沥青路面的车辙行为， 在这种方法中把路面模拟成多层弹性体系，沥青混凝土模量由恒定高度的重复荷载简 单剪切试验( r s s t - c h ) 得到【6 】。假设车辙由剪应变控制，计算假设在轮迹边缘下5 0 m m 深度处的永久( 非弹性) 剪应变的累积剪应变，非弹性的剪切变形的累积以1 h 作为基 础计算，然后计算非弹性的剪切变形的相应的车辙深度。这种方法的优点是考虑了轮 胎边缘下的剪切变形；缺点是其为基于非线性的弹性理论，且无标准。 2 0 0 4 年f w a 等人基于沥青混凝土的剪切流动变形原理，采用c _ 由模型进行沥青 混凝土路面的车辙预估。该模型基于沥青混凝土路面车辙的发生机理，综合考虑了影 响车辙的各种因素，是力学一经验法的典型代表。但是该预估中参数的意义并不明确， 3 第一章绪论 且模型的建立仅限于室内试验，还需要现场数据的进一步修正。 1 2 2 国内车辙预估方法研究概况 我国对沥青路面车辙问题的研究起步比较晚，这主要是由于我国在8 0 年代以前修 建的沥青路面等级较低，当时交通量也比较小，大多是轻型、混合型交通，没有形成 渠化交通，所以车辙问题并不突出。近年来，随着我国经济的发展，高等级沥青公路 建设已进入快速发展时期。由于交通量逐年增加，渠化交通的形成，汽车轴载的增大 以及超载等方面的原因，沥青路面车辙已成为我国一个普遍而且严重的路面病害问题 【l2 。因此，近几十年来，国内对车辙问题的研究越来越重视，目前也取得了一些成果， 代表性的车辙预估模型有同济大学“四单元五参数模型，东南大学指数型车辙预估 模型和西安公路交大学车辙预估方法【4 】。 1 9 8 8 年徐世法等人在分析沥青混凝土路面永久变形时，根据粘弹性层状体系理论 计算路面内的应力、应变，沥青混凝土参数，提出了“四单元五参数”车辙预估方法 【1 3 1 。1 9 9 2 年东南大学的李一鸣结合“七五 国家重点攻关项目“单家寺稠油沥青混合 料抗车辙能力及变形规律 ，根据理论分析和室内轮辙试验建立了指数型车辙预估模 型。认为沥青混合料在高温下由于车轮反复碾压，沥青混凝土层将产生横向剪切流动， 这种流动已不再是经典粘弹性理论中的微观层次上的流动，而是混合料结构不断调整 在细观层次上的流动。并在理论分析和室内车辙试验的基础上建立了指数型车辙预估 模型【1 4 1 。1 9 9 5 年张登良等人以弹性层状体系理论和流变学模型分析为基础，结合沥青 混合料的变形特性，提出了考虑层减薄量和侧向隆起高度的车辙深度预估模型l l 引。 然而，以上模型有的是含有粘弹性模型元件或参数太多，而材料参数的确定却是 一件相当复杂的工作，就工程应用来说，得到准确的参数实现起来比较困难；有的是 忽略了对车辙产生重要影响的温度等主要因素；有的没有考虑到动载和材料的侧向隆 起变形，而且没有通过现场数据的校正，在实践中确定的材料参数比较困难。 2 0 0 0 年黄晓明通过环道试验分析结果提出来考虑路面厚度的车辙预估模型6 1 ，但 更多的研究表明，路面车辙并不随着路面厚度的增加而逐渐增大，因此该模型对于不 同路面的适用性还有待于进一步的验证。2 0 0 4 年李静在s h e l l 方法中引入粘塑性参数 对沥青混合料永久变形进行预测【1 7 】。2 0 0 4 年周富杰采用加速加载试验验证了沥青混凝 土的三阶段变形特性，并在此基础上提出了基于三阶段变形的车辙预估模型【l 引，但是 由于很难完全把车辙变形的三阶段分开，所以在实际用中存在很大的困难。2 0 0 6 年鲁 4 长安大学硕士学位论文 正兰根据室内车辙试验数据建立了含有温度、沥青混合料抗剪强度、路面中剪应力、 时间厚度、轴载作用次数等影响因素的车辙预估模型【1 9 】，但该模型完全是基于室内试 验基础上建立的，模型参数没有进行实际路面的修正，模型对实际路面的适用性有待 于进一步考证。2 0 0 7 年苏凯采用“亚层变形叠加”的方法建立了考虑温度、应力、材 料强度及行车速度的车辙预估模型【2 0 】，该模型虽然考虑了抗剪性能，但建立模型中行 车速度与车辙变形量之间的相互关系，有待于进一步的研究。 1 3 研究内容 本文依托西户高速公路项目，通过车辙病害状况调查，结合现场钻取芯样的室内 试验，分析沥青路面的车辙影响因素，探讨沥青路面车辙的形成机理；通过重复加载 蠕变试验研究沥青混合料高温性能评价参数，并根据室内试验结果及野外调研数据， 建立沥青路面车辙预估模型。本文的主要内容如下： ( 1 ) 沥青路面车辙病害调查 制定合理的调查方案，对西户高速公路车辙病害进行调查，选择典型路段开挖车 辙断面和钻取芯样，对钻取芯样进行室内试验，研究沥青路面车辙产生的影响因素及 车辙损坏机理。 ( 2 ) 沥青混合料高温性能试验及其力学参数研究 在综合国内外沥青混合料车辙性能试验方法的基础上，研究重复加载蠕变试验的 可行性与适用性，并根据试验结果，分析不同力学参数与车辙试验的相关性，并优选 出能够表征沥青混合料高温永久变形和用于车辙预估模型的合理参数， ( 3 ) 沥青混凝土车辙预估模型的研究 根据室内试验结果，首先建立室内单层试件的车辙预估模型，并讨论预估模型对 组合车辙板的适用性，研究建立沥青混凝土车辙预估模型。 ( 4 ) 沥青路面车辙等效温度模型的研究 评述国内外沥青路面车辙等效温度的计算方法，通过对比分析，结合室内建立的 车辙预估模型，研究沥青路面车辙等效温度的计算方法。 ( 5 ) 沥青路面车辙预估模型的标定与验证 根据沥青路面交通量调查结果和车辆轮迹分布特征，探索车辙有效交通量的计算 方法，并结合陕西关中、陕北及河北唐山地区的五条沥青路面车辙深度调查结果，对 车辙预估模型进行标定与验证，提出实际路面车辙预估模型。 第一章绪论 1 4 技术路线 根据本文研究内容，制定技术路线示意图如图1 1 所示： 1 1 本文技术路线 6 长安大学硕士学位论文 第二章沥青路面车辙病害调查与原材料技术性能 本文分别在关中、陕北和华北地区的西安一户县、户县一涝峪口、铜川一黄陵、 迁安一曹妃甸、滦县一小王庄五条( 路段) 公路沥青路面进行车辙调查分析。调查内 容包括交通量、气候条件、车辙深度等，并在调查断面上的车辙处、隆起处及路肩处 钻芯取样、分析路面车辙特性及成因。其中交通量、气候温度等资料主要采取向交通 管理部门及气象部门搜集的方式获取，车辙深度调查以实地调查测量为主。本章以西 安一户县高速公路为例，进行相关车辙深度调查分析。同时，本文采用与西户高速公 路相同的集料与沥青，对原材料的技术性能进行了研究。 2 1 高速公路沥青路面车辙病害情况调查 2 1 1 项目概况 西安户县涝峪口高速公路( 以下简称西户高速公路) 是国道主干线g z 4 0 ( - - 连 浩特河口) 在陕西境内，经省会西安向南翻越秦岭，通往汉中方向( 西汉高速公路) 的起始段。西户高速公路起于西安绕城高速公路南段河池寨立交，止于户县涝峪口， 通过涝峪立交与在建的西安环山旅游路连接，全程3 3 公里。沿途经长安区祝村乡、义 井乡、细柳乡、灵沼乡及户县的牛东乡、五竹乡、甘亭镇、玉蝉乡、天桥乡等两县9 个乡镇，分别跨越沣河、涝河、谭峪河等3 条主要河流及西余铁路【2 l 】。 西户高速公路为双向四车道并全部控制出入的高速公路，设计行车速度1 2 0 公里 小时，路基宽度2 8 0 米，中央分隔带宽度3 0 米，全线路基以路堤形式为主，填土高 度多小于6 0 米；路面面层为沥青混凝土，基层为二灰碎石，底基层为二灰土；同时， 西户高速公路全线配有较为完善的交通安全、管理和服务设施；全线设户县和涝峪二 处匝道收费站及一处管理所和一处养护工区。 ( 1 ) 西户高速公路路面结构 西户高速公路路面结构如下： 土画屋! 垒曼匹k ：! 鱼虫粒式逝壹遏趟抗遗麦屋 生面层；三曼堕：2 qi 生撞式逝壹湿猛 工画层! 鱼鱼堕：2 51 担粒式逝壹遏趟 基层；3 q 曼堕三苤鳌定醚虿( 鱼；! 垒；墨q 底基层；2 q 坌堡三玄( ! q ；三q ；鱼q 7 第= 章青路面车辙病害调查与犀材料拄母眭能 ( 2 ) 沿线自然地理条件及气候条件 西户高速公路位于关中平原中部，南依秦岭，北邻渭河，地形平坦、宽阔，地势 西南高、东北低。地貌单元可划分为4 个区域：渭河冲洪积阶地， 冲积平原， 山前平原区，固涝河阶地及山前洪积扇区。西户高速公路所在地地质条件简单、地质 稳定，主要的工程地质问题是黄土的湿陷性及沣河河床段的砂土液化，沣河、涝河桥 位处的断层。 本区属大陆暖温带半湿润季风气候区。四季分明，气候暖和，雨量适中，冬季较 长，春秋季偏短，多年平均降雨量5 8 6 毫米，最大9 0 6 毫米，最小8 5 毫米。年平均气 温1 3 3 ，极端高温4 5 c ，极端低温2 0 6 ，最大冻深4 5 厘米，冬季寒冷，1 月份 平均气温- 1 ，夏季炎热并有伏早，7 月份平均气温2 67 ，主导风向为东北风，平 均风速2 2 米，秒。 ( 3 ) 路面病害情况 西户高速公路于2 0 0 2 年1 1 月建成通车，在经过四年多的运营使用后，全线路面 出现各种不同程度的病害，其中车辙病害最为严重，极大的影响了行车速度和行车安 全。据初步调查，最主要的路面病害为车辙，裂缝、坑槽等，其它病害形式数量较少， 只在局部范围出现，全线路面破损情况见图2 1 所示。 裂缝粪占莹 国 o2 它占o f i 圈2 1 辟面病害统计图 2 12 交通量调查 根据西户高速公路现设户县立交和涝峪口立交二处匝道收费站所提供的年平均日 交通量如下； 一类一形 一变粪类 一辙缝敌它一车裂植其 一日_ 口口一 长安大学顾学位论文 表2 1 交通量调查表 i 蠢芝 交通量( 辆，日) 2 0 0 4 年( 1 0 月一1 2 月)2 0 0 5 年( 1 月一1 2 月)2 0 0 6 年( 1 月 7 月) 西安户县1 7 1 41 9 0 2 2 2 6 6 户县涝峪口 2 3 2 6 1 16 7 6 附注1 ；标准车型为小客车 通过对西户高速公路交通量资料的分析发现：自通车以来五大车型所占比例基本 稳定，小型车所占比例远远超过其他车型，约占7 95 ( 6 1 1 ) ；其次是中型车1 97 ( 3 7 5 ) ：大型车所占比例为1 8 ( 1 舶) ( 括号内数字为户县至涝峪口段) ，如图 2 2 所示。因此可知，导致西户高速沥青路面车辙产生的原因中不舍超载的因素。 8 0 r i o 薹 鐾4 0 皿2 。 _ # 小型车 中型丰大型车 圈2 2 车型分布田 2 l3 车辙调查 ( 1 ) 全线车辙调查 西户高速公路全线路面均发生车辙病害，因此对西户高速公路全段进行全面系统 的车辙病害调查，并采用激光检测车连续测定行车道和超车道车辙深度，全线车辙分 布如图23 图2 5 所示： 图2 3 西户高速公路左幅行车道与超车道车辙分布图 图2 4 西户高速公路右幅行车道与超车道车辙分布图 8 0 6 0 楫 椠4 0 岫 2 0 0 肋 1 5 mt 5 m q 凹 4 0 l i m 车辙深度范围 图2 5 车辙深度范围分布图 由图2 4 图2 5 可以看出，西户高速公路选线都存在不同深度的车辙病害，其中 由于交通荷载车道系数差异，行车道车辙明显比超车道严重。左右两幅的车辙深度并 1 0 长安大学硕士学位论文 不相同，这是因为西安至户县高速公路的右幅交通量更大，所以产生更严重的车辙病 害。实际上，高等级公路路面左右幅的交通量往往存在差异如铜黄线左幅运煤重车 较多，而右幅一般空车返回，所以左右两幅交通量差别很大。 根据调查可知，西户高速公路全线都存在不同程度的车辙病害，行车道比超车道 严重，其中车辙深度大于1 5 r a m 的路段约占3 0 车辙比较严重的路段( 车辙深度大 于4 0 m m ) 集中在西安至户县路段，最大车辙深度达7 0 m m 。 ( 2 ) 典型路段断面车辙测量及变形分析 一般对某一路段而言，受到的交通荷载和环境完全一样，而且设计的沥青混合料 和路面结构也被认为是相同的。但由于材料性能、施工情况、排水状况等不可避免地 存在差异，不同断面上的车辙病害状况并不完全相同，为了方便的用于预估模型的标 定与验证，选取几个车辙较严重的断面进行车辙测量，取平均值作为该路段的车辙深 度，如表2 2 所示，左右幅五个断面车辙深度平均值分别为2 4 4 m m 和3 3 2 r a m 。 衰2 2 西户车辙深度测量结果 同时，在车辙比较严重的路段进行开挖，测量车辙典型断面。通过对面层各结构 层的厚度和变形进行测量，分析车辙发生的层位，研究各结构层的车辙变形程度。典 型车辙断面如图2 6 所示，从直观上分析可知，车辙主要发生在上、中面层，尤其是 中面层变形最大。 图2 6 典型路段断面开挖 第二章沥青路面车辙崭喜诅壹与原材料技术性能 j * 圉2 7 典型的车辙断面示意图 ( 3 ) 典型路段钻取芯样 为了研究西户高速公路沥青路面车辙产生的内在原因，根据车辙病害的严重程度 进行详细的调查，选择典型路段钻取直径为1 5 0 m m 的圆柱形芯样进行室内研究，钻 取芯样的位置为路肩处、超车道车辙处、行车道车辙处和隆起处。 兰童豳 2 2 试验方案 圈2 8 在不同位置钻取芯样 在本文的研究中主要进行以下几方面的试验： ( 1 ) 原材料性能测试 集科的物理力学指标测试 包括：视密度、毛体积密度等。 沥青常规指标测试 包括z 针入度、1 5 延度、5 延度、软化点、闪点、密度、针入度指数等。 沥青结合料布氏旋转粘度试验( r v ) 长安大学硕士学位论文 ( 2 ) 沥青混合料试验 马歇尔试验；旋转压实试验；车辙试验；汉堡车辙试验；o m t s 材料试 验机重复加载蠕变试验； 2 3 原材料技术指标 2 3 1 沥青 本研究依托西户高速公路大修工程项目，选择与西户高速公路大修工程相同的 s b s 成品改性沥青进行试验，按照规范要求测试相应技术参数【2 2 】，试验结果如表2 - 3 。 表2 3 沥青基本指标 试验项目单位 s k s b s 密度( 1 5 ) e c c m 3 1 0 3 l 针入度( 2 5 c ，5 s ，1 0 0 9 ) 1 1 0 m m6 9 软化点( 环球法)7 5 延度( 1 5 c ，改性沥青5 c ，5 c m m i n ) c m4 2 闪点 2 9 8 针入度指数p i 值一0 0 3 2 质量损失 0 0 8 薄膜加热试验 ( 1 6 3 ，5 h ) 针入度比 6 5 延度( 1 5 c ，改性沥青5 c ，5 c m m i n ) c m2 3 根据试验所得的基础数据，可知s b s 改性沥青各项指标均达到公路沥青路面施 工技术规范( j t gf 4 0 - - 2 0 0 4 ) 中改性沥青i c 沥青的规定要求。s b s 改性沥青根 据厂商推荐温度值进行沥青混合料的试验，拌和温度为1 8 0 ( 2 ，压实温度为1 6 0 c 2 3 1 。 2 2 2 粗、细集料和矿粉 粗、细集料的基本技术指标试验按照规范要求测试相应技术参数【2 4 1 。研究用的集 料取自陕西西户高速公路大修施工段现场，粗、细集料为角闪岩，矿粉为磨细石灰石。 粗、细集料及矿粉密度试验结果如表2 4 表2 6 。 表2 4 细集料及矿粉试验结果 粒径( m m )矿粉 0 0 7 5 0 1 50 1 5 0 30 3 0 6o 6 1 1 81 1 8 2 3 62 3 6 4 7 5 视密度 ( g c m 3 ) 2 7 0 42 8 3 42 8 0 02 7 9 12 7 8 82 7 9 82 7 2 9 1 3 第二章沥青路面车辙病害调查与原材料技术性能 表2 5 粗集料试验结果 粒径( m m )4 7 5 9 59 5 1 3 21 3 2 1 6 01 6 0 1 9 o 19 o 一2 6 5 毛体积密度 ( g c m 3 ) 2 6 8 22 7 0 92 7 1 42 7 4 8 2 8 0 6 视密度 ( g e r a 3 ) 2 7 5 62 7 5 22 7 5 42 7 7 42 8 2 5 表2 6 矿粉试验结果 指标岩石类型亲水系数含水量( ) 密度( g c m 3 ) 矿粉石灰岩 o 5o 32 7 0 6 2 4 沥青混合料试验 2 4 1 马歇尔试验 本文采用马歇尔法确定沥青混合料最佳沥青用量，机械双面击实7 5 次2 5 1 ，测试 仪器为江苏无锡华南试验仪器有限公司制造的m d j i i 型马歇尔电动击实仪。重锤落 差为4 5 7 m m ，击实速度为6 0 次m i n 。本文主要研究沥青混合料的高温力学性能及车 辙变形规律，所选择的级配为陕西省工程实际运用中的成熟级配，选择a c 1 3 、a c 一1 6 、 a c 2 0 三种混合料类型进行试验研究。试验所用级配组成如表2 7 表2 9 所示。 表2 7a c 1 3 级配 筛孔尺寸( m m )级配范围( ) 级配中值( )设计级配( )筛余( ) 1 61 0 01 0 0 1 0 0 1 3 29 0 1 0 09 59 55 9 56 8 8 57 6 57 6 51 8 5 4 7 53 8 6 85 35 32 3 5 2 3 62 4 5 03 73 71 6 1 1 81 5 3 82 6 5 2 6 5 1 0 5 0 61 0 2 81 91 97 5 0 37 2 01 3 51 3 55 5 0 1 55 1 51 01 03 5 0 0 7 5 4 8 6 64 矿粉 6 1 4 长安大学硕士学位论文 表2 8a c 1 6 级配 筛孔尺寸( m m )级配范围( )级配中值( )设计级配( )筛余( ) 1 9l o o1 0 01 0 0 1 61 0 0 9 5 9 5 5 1 3 29 0 1 0 08 48 411 9 5 6 8 8 57 07 01 4 4 7 53 8 6 8 4 8 4 8 2 2 2 3 62 4 5 03 43 41 4 1 1 81 5 3 8 2 4 52 4 59 5 0 61 0 2 81 7 51 7 57 0 3 7 2 01 2 51 2 55 0 1 55 1 59 59 53 0 0 7 5 4 8663 5 矿粉 6 表2 9a c 2 0 级配 筛孔尺寸( m m )级配范围( )级配中值( )设计级配( )筛余( ) 2 6 5 1 0 01 0 01 0 0 1 99 0 1 0 09 59 55 1 6 7 8 9 28 58 51 0 1 3 26 2 8 07 l7 l1 4 9 55 0 7 26 16 11 0 4 7 52 6 5 64 l4 l2 0 2 3 61 6 4 43 03 01 1 0 1 1 8 1 2 3 32 2 52 2 57 5 0 68 2 41 61 66 5 o 35 1 7l l1 15 0 1 54 1 38 58 52 5 0 0 7 53 7553 5 矿粉 5 根据马歇尔试验确定的最佳沥青用量如表2 1 0 ，在后面的试验中各种类型的沥青 混合料都是在最佳沥青用量的条件下成型试件( 板状试件和s g c 圆柱形试件) 进行车 辙试验研究。 表2 1 0 沥青混合料的最佳沥青用量 沥青混合o a c ( 油毛体积相空隙率矿料间隙沥青饱和稳定度流值 料类型石比) ( )对密度( )率( ) 度( ) ( k 1 叼( m m ) a c 一1 3 4 72 4 4 53 8 81 4 3 67 2 91 2 33 3 改性沥青 a c 1 6 5 32 4 4 84 o o1 4 4 l7 2 21 4 32 8 4 改性沥青 1 5 第= 章沥青路面车鞭病害调查与强材料技术性能 2 4 2 旋转压实试验 目前s u p e r p a v e 的旋转压实成型方法已为广大单位所认知与采用。由于我国目前 大部分车辙试验的试件还是在运用轮辗法成型，为了更深入的研究不同成型方式对沥 青混合料高温性能研究的影响，本文采用了t r o x l e r 4 1 4 0 型旋转压实仪( 如图2 9 所示) 成型试件，与板状试件做对比研究。 旋转压实仪通过旋转的滚轴对试件的揉搓作用来模拟汽车在沥青路面上行驶时轮 胎对路面的作用效果唧。根据交通量等级确定设计压实次数n 出和最大压实次数n 。， 在设定的工作条件( 垂直压力6 0 0 k p a ，旋转角度i 2 5 度，旋转速度3 0 r p m ) 和设计 压实次数下，通过对混合料的反复搓揉作用成型试件。本文拟采用相同的设计压 实次数即n d 。= 1 0 0 次嗍。 图2 9t r o x l e r 4 1 4 0 型旋转压实仅 2 4 3 车辙试验 由于马歇尔稳定度和流值与路面长期使用性能相关性不大，因此国内外多采用车 辙试验来评价沥青路面的高温性能，并作为沥青混合料配台比设计的一项内容。车辙 试验方法最初是由英国运输与道路研究所( t r r l ) 开发的由于试验方法本身较为 简单，试验结果直观且与实际沥青路面的车辙相关性甚好，因此得到了广泛的应用。 目前世界上应用较为成熟和广泛的是t r r l 、法国道路与桥梁中心研究所( l c p c ) 和 日本道路协会开发和研制的车辙试验机。“七五”期间，我国交通部公路科学研究所开 发了廉价、简单、实用的车辙试验机，“八五”期间，又进一步按照日本原型机的基础 上研究开发了现有的车辙试验仪。 车辙试验是一种能够模拟实际车轮荷载在路面上行走形成车辙的工程试验方法， 长安大学硕上学位论文 目前被认为是最能反映沥青路面实际抗车辙能力的方法。按照沥青混合料车辙试验规 程测试沥青混合料的高温稳定性能，试验步骤如下【捌： 试验准备：以马歇尔试验确定的最佳沥青用量按照沥青混合料轮碾成形法制作 规格为3 0 0 m m x 3 0 0 m m x 5 0 m m 车辙试验试块，连同试模一起在常温条件下放置至少 1 2 h 。 将试件连同试模一起置于己达到试验温度的恒温室中保温至少5 小时。然后将 试件连同试模移至车辙试验机的试验台上，启动试验机，试验机记录仪将自动记录变 形曲线及试件温度，车辙试验通常进行6 0 m i n 或最大变形到2 5 m m 为止。 根据车辙试验机记录到的数据可绘出变形曲线。如图2 1 0 所示： 譬 譬 v 碴 獭 - 凸爨 一蒸 莎 _ - p 时罔( r a i n 图2 1 0 车辙试验自动记录的变形曲线 动稳定度d s ( 次r a m ) 按下式计算： d s ：= ( t 2 - t 1 ) n d 2 一d l ( 2 1 ) 式中：傩一沥青混合料的动稳定度，次m m ；d l 一对应于时间t n 的变形量，m i l l ； d z 对应于时间f z 的变形量，n 1 i i l ；c 1 试验机类型修正系数，曲柄连杆驱动试件的 变速行走方式为1 0 ，链驱动试验轮的等速方式为1 5 ；c z 试件系数，试验室制备的 宽3 0 0 m m 的试件为1 0 ，从路面切割的宽1 5 0 m m 的试件为o 8 ；一试验轮往返碾压 速度，通常为4 2 次m i n 。 2 4 4 汉堡车辙试验 汉堡车辙试验仪( h a m b u r gw h e e l t r a c k i n gd e v i c e ) 是2 0 世纪7 0 年代由德国汉堡 市的工程师e s s oa g 发明的。汉堡车辙仪最初用于评价交通量很大的沥青路面抗车 辙性能，所测试的标准试件的尺寸为2 6 0 m m x3 2 0 m m ，试件一般由线性搓揉试验机成 1 7 第二章沥青路面车鞭病害谓查与原村料技术性能 型，空隙率控制在( 7 士1 ) 。在后续的研究中，汉堡试验机也可以淘4 试由s u p e r p a v e 旋转压实仪成型的试件，试验时试件浸没在1 5 c 7 0 c 的恒温水浴中，其中5 0 ( 2 是比 较常用的试验温度。通过对一个可以在试件表面前后运动的宽度为4 7 m m 的钢轮施加 大小为7 0 5 n 的垂直作用力作为荷载，轮子由起点开始移动约2 3 0 m m 后返回，每分钟 往返5 2 次，换算后的行驶速度约每小时11 公里。当试件加载达到2 0 0 0 0 次或试件表 面的车辙深度达到2 0 m m 时试验结束。 本文采用从美国引进的p m w 汉堡车辙仪( 如图2 1 1 ) ，该仪器可同时成型两个板 状试件和同时进行两个试件的测试，保证了试件成型和测试条件的一致，试验结果具 有很强的可比性。板状试件厚度为4 0 m m 、6 0 m l n 、8 0 r a m 、1 0 0 m m ，根据需要可以进 行两层结构组合的车辙试验。同时可以采用s g c 试件和实际路面所钻取的芯样进行车 辙试验，从而可以从现场路面大量取得芯样进行车辙试验研究更深入地分析车辙成 园口“。 圈2 1 1 汉堡车辙仪 如图2 1 2 所示，汉堡车辙试验的试验结果由车辙深度、蠕变速率( c r e e ps l o p e ) 、 剥落点( s i p ) 以及剥落速率( s t r i p p i n gs l o p e ) 组成。蠕变速率是试件受到初始碾压 或处于稳定碾压状态时的变形曲线在线性区间内变形率的倒数，此时试件还没有发生 屈服变形。剥落速率是试件发生剥落变形之后的变形曲线段线性区间变形率的倒数。 长安大学硕士学位论文 剥落点是试件蠕变段和剥落段的交点。一般用试件剥落点所对应的变形量来评价沥青 混合料抗水损坏的能力。 行走次数 o5 0 0 01 0 0 0 01 5 0 0 02 0 0 0 0 2 5 本章小结 o 一5 目 蓑一1 0 箨 褂一1 5 - 2 0 图2 1 2 车辙试验结果典型曲线图 ( 1 ) 本章首先介绍了西户高速公路的项目概况，对交通量进