・８・ 北 方 交 通 ２０１２ 柔性与半刚性基层沥青路面抗车辙性能的差异 王大伟 （重庆交通大学土木建筑学院，重庆４０００７４） 摘要：国内高速公路普遍使用半刚性基层沥青路面，而国外更多地使用柔性基层路面，这两种结构的路面抗 车辙性能的差异是值得我们关注的ｆ－－Ｉ￣＿。通过标准荷栽对路面结构的响应，使用ＢＩＳＡＲ３．０软件分别从应力、应 变、弯沉等方面进行了力学分析。 关键词：柔性基层；半刚性基层；抗车辙 中图分类号：Ｕ４１６．２１７ 文献标识码：Ｂ 文章编号：１６７３—６０５２（２０１２）０３—０００８—０３ 车辙是沥青混凝土路面特有的一种破坏形式， 经常发生，主要是过分追求平整度而牺牲压实度导 致的。判断这种车辙从外形看，两侧没有隆起，横断 面呈凹形，标线没有变化。对半刚性基层沥青路面 而言，此类车辙产生的主要原因是沥青面层后续压 实。 它是在行车荷载重复作用以及气候等因素综合作用 下产生的一种永久性变形，表现为沿行车轮迹产生 纵向的带状凹槽，严重时车辙的两侧会有突起形变， 造成路面使用性能更加恶化。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，我国公路 沥青路面的车辙问题越来越突出。我国在高等级公 在我国，由于高等级公路沥青路面普遍采用半 刚性基层，绝大多数车辙属于流动型车辙和压缩型 车辙。对于压缩型车辙，由于车辙浅，不影响使用， 一路的建设中较多地使用半刚性基层，而国外柔性基 层使用得比较多，柔性基层和半刚性基层的抗车辙 性能究竟有什么区别，是值得我们考虑的一个问题。 １ 车辙的类型和特征 般可不做专门处理，严重时可以通过热拌沥青混 凝土找平辙槽，达到恢复路面性能的目的；而对于流 动型车辙，目前还没有经济、有效的维修工艺，通常 是铣刨、重铺沥青混凝土面层，或者采用热再生养护 维修工艺，而一般流动型车辙延续段落长、涉及整个 根据形成机理，沥青混凝土路面的车辙一般可 以分为以下四类： （１）结构型车辙：指路面结构在交通荷载作用 下产生整体永久变形而形成的车辙，这种变形主要 由路基变形而产生。此类车辙的宽度较大，两侧没 有隆起现象，横断面成浅盆状的Ｕ字型。 （２）失稳型车辙：是由于沥青路面结构层在车 面层，采用这些工艺维修费用较高，对交通影响大， 大面积应用需要慎重。 ２车辙产生的因素 ２．１ 车辙产生的外在因素 （１）高温与持续高温的影响 高温对车辙有明显的影响，没有高温，即使在超 重载的交通状况下，车辙也难以产生。随着温度的 升高，沥青的粘度呈对数级下降，沥青混合料的抗压 强度和抗剪强度快速下降。 （２）重载、超载交通的影响 当沥青路面结构所承受的车辆轴载增加时，路 轮荷载作用下，其内部材科的流动产生横向位移而 形成。通常发生在轮迹处，当沥青混合料的高温稳 定性不足时，在外力作用下就会产生这类车辙。这 种车辙一般都有剪切变形产生的两侧隆起现象，易 发生在车速较慢、横向应力大的上坡路段。失稳性 车辙危害最为严重，它是山区高速公路车辙病害的 主要类型，影响因素多而复杂。 （３）磨耗型车辙：是由于沥青路面表面层的材 料在车轮磨损和自然环境作用下，持续不断损失形 成的。 面结构内部的应力分布必然发生变化，结构的压应 力、拉应力和剪应力均随之增加。表面层承受的压 应力最大，最容易产生压密形变，超载车辆将显著加 快压密形变的产生，而且使产生较大压密形变的深 度增加。 （４）压密型车辙：由于压应力超过沥青混合料 的抗压强度，碾压追密造成压密性车辙。这种车辙 （３）纵坡、车况及车速的影响 第３期 王大伟：柔性与半刚性基层沥青路面抗车辙性能的差异 ・９・ 对于具有粘弹塑性的沥青混合料，纵坡越大，除 了因为应力增加和作用深度加深而增加车辙外，还 因为行车速度慢和应力作用时间长而更容易加重车 辙。因此，用于上坡路段上的沥青混凝土需要有较 大的抗车辙能力，但是设计中没有对此作特殊的处 理。 ２．２车辙产生的内在因素 沥青路面车辙由车轮反复碾压形成，它起因于 沥青混合料的粘滞流动，土基与基层的变形，并包括 一定程度的压实作用和材料磨耗。压密和路面剪切 是车辙形成的两个主要原因。压密主要是指材料的 体积变化，由于压密而引起材料颗粒之间更紧密的 排列。路面剪切是指当材料移动到加载区域边缘 时，剪位移既可能引起凹陷也可能引起隆起，一旦剪 应力超过材料的剪切强度或承受了足够的蠕变，车 辙就会产生。 ３ 沥青路面基层结构及特点 半刚性基层主要由无机结合料稳定类、石灰稳 定类和工业废渣稳定类组成。其特点为承载力大、 刚度大、模量高、板体性强、弯沉小而且投资经济，缺 点在于这种材料变形小，特别是温缩、干缩变形大， 易开裂，属于脆性材料。柔性基层主要由粒料类、级 配型和有机结合料稳定类组成。材料属于粘弹性材 料，韧性好，有一定自愈能力，但变形大、弯沉大，因 此路面厚度也大，投资成本亦高。 ４两种路面结构抗车辙性能比较 使用ＳＨＥＬＬ的ＢＩＳＡＲ３．０软件对所选取的典 型柔性基层结构和半刚性基层结构沥青路面在荷载 作用下表现出的不同力学响应进行计算，从而对这 两种结构的抗车辙性能进行比较。在计算中荷载时 采用标准双轮轴载１００ｋＮ，胎压０．７ＭＰａ，轮压半径 Ｒ为１０．６５ｃｍ，双圆中心距１５．９７５ｃｍ，并假设层间 连续。道路结构参数如表１、表２： 表１ 柔性基层沥青路面结构方案及材料参数 由于道路剪切与车辙的产生关系密切，因此计 算了轮隙中心下沿深度方向的剪应力变化，为了更 直观的表现变化规律，并且通过折线图表现出来。 表２ 半刚性基层沥青路面结构方案及材料参数 受０・２Ｏ 善ｏ．１５ ０．１０ 豁０．０５ Ｏ ０ ２ ４ ６ ８ １０ １２ 深度／ｃｍ ＋柔性路面剪应力＋半刚性路面剪应力 图１ 两种路面结构沿 度方向剪应力分布图 由图１可以看出，随着深度的增加，柔性基层沥 青路面和半刚性基层沥青路面的剪应力呈现逐渐递 减的趋势，最大剪应力的位置接近表面，在中面层大 概８ｃｍ的位置以上，半刚性基层沥青路面的剪应力 小于柔性基层沥青路面，剪应力越小，产生车辙的可 能性也就越小。另外由于上面层的剪应力最大，在 进行设计和施工的时候应该提高上面层的抗剪强 度。 分别计算了柔性基层沥青路面和半刚性基层沥 青路面在轮隙中心处和轮迹中心处沿深度方向竖向 应变，并且通过折线图表现出来。 旦 厦 曾ｊ 深度／ｃｍ 层 面 丽朔 基层 图２ 轮隙中心处沿深度方向竖向应变分布图 由图２可以看出，在轮隙中心处沿深度方向，表 面层主要受到拉应力，这主要由于在靠近路面处，轮 隙中心处由于受到双轮的挤压会有一个小的向上的 拉力，然后由于双轮竖向压应力的叠加，拉应力逐渐 递减在中面层附近变成压应力，并逐渐增加，然后在 面层底部达到最大值后逐渐递减，在面层底部之上， 半刚性基层沥青路面的压应变大于柔性基层路面， 在底部之下小于柔性基层路面。 由图３可以看出，随着深度的增加，竖向应变先 增大，在距离路表６ｃｍ左右的深处达到最大值，然 ・ｌＯ・ ０ －北 方 交 通 ５结论 ０ ４ ６ ８ １０ 】５ ２ｎ ２Ｓ一３０ ２０１２ １００ －２ｏ０ ｊ （１）由于半刚性基层和柔性基层各自的力学性 质不同，在行车荷载作用下，半刚性基层沥青面层内 的剪应力比柔性基层路面沥青面层内的小，且土基 的压应变较小，所以很少产生结构性车辙，而柔性路 瑙厅 ＿３ｏｏ ＼＼ 一、、、；＝＝＝＝ ＝＝＝ 函－４００ —５０ｏ 深度／ｃｍ 蠢 耳丽 面却比较容易产生。 （２）相比较柔性基层来说，半刚性基层有着较 图３轮迹中心处沿深度方向竖向应变分布图 好的应力扩散作用，承载能力较高，但面层竖向应变 比柔性基层路面大，其车辙变形更多发生在面层，所 以更应该关注半刚性基层路面面层的抗车辙性能。 （３）需要注意的是，车辙的严重程度或者说对 沥青路面结构的影响程度是不一样的。半刚性基层 沥青路面的车辙深度较大，往往意味着基层已经碎 裂，不再是板体性的，整个路面结构实际上已经彻底 损坏，然而柔性基层出现同样深度的车辙，往往也只 是某一个结构层出现了问题，仅需要进行简单的路 面维修即可。 参考文献 ［１］朱照宏．路面力学［Ｍ］．人民交通出版社，１９８８． ［２］沙庆林．高速公路沥青路面早期破坏现象及预防［Ｍ］．人民交通 出版社，２００１． 后沿着深度增加逐渐递减，由图中我们可以看出，在 面层范围内，半刚性基层沥青路面竖向应变大于柔 性路面，在面层底部位置，两条应变曲线相交，半刚 性基层沥青路面在面层以下竖向应变减小得更快。 为了更直观地比较两种路面抗车辙性能的差 异，计算出了两种路面结构路表弯沉和路基顶面压 应变，并进行了比对，如表３所示： 表３ 两种路面弯沉及路基顶面应变对比 表１验证了在标准荷载作用下柔性路面变形程 度大于半刚性路面。半刚性路面主要是基层承载， 基顶压应变较小，路基顶面压应变对半刚性路面没 ［３］沙庆林．沥青和沥青混凝土现状［Ｊ］．国外公路，１９９９（０２）． ［４］刘立杰．沥青路面车辙形成机理及应力影响分析［Ｊ］．中外公路， ２００７（０５）． 有起到决定性的作用。 『５］ＪＴＧ Ｄ５０—２００６，公路沥青路面设计规范［Ｓ］． Ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ ｏｆ Ａｎｔｉ——ｒｕｔｔｉｎｇ Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ Ｆｌｅｘｉｂｌｅ ａｎｄ Ｓｅｍｉ——ｒｉｇｉｄ Ｂａｓｅｃｏｕｒｓｅ Ａｓｐｈａｌｔ Ｐａｖｅｍｅｎｔ Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｓｅｍｉ——ｒｉｇｉｄ ｂａｓｅｃｏｕｒｓｅ ａｓｐｈａｌｔ ｐａｖｅｍｅｎｔ ｉｓ ｃｏｍｍｏｎｌｙ ａｐｐｌｉｅｄ ｉｎ ｄｏｍｅｓｔｉｃ ｅｘｐｒｅｓｓｗａｙ ａｎｄ ｆｌｅｘｉｂｌｅ ｂａｓｅｃｏｕｒｓｅ ｐａｖｅｍｅｎｔ ｉｓ ｍｏｒｅ ａｐｐｌｉｅｄ ｉｎ ｆｏｒｅｉｇｎ ｅｘｐｒｅｓｓｗａｙ．Ｔｈｅ ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ ｏｆ ａｎｔｉ—ｒｕｔｔｉｎｇ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ｔｈｅｓｅ ｔｗｏ ｐａｖｅｍｅｎｔ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ ｉｓ ｔｈｅ ｉｓｓｕｅ ｗｅ ｎｅｅｄ ｔｏ ｐａｙ ａｔｔｅｎｔｉｏｎ ｔｏ．Ｔｈｒｏｕｇｈ ｔｈｅ ｒｅｓｐｏｎｓｅ ｏｆ ｓｔａｎｄａｒｄ ｌｏａｄ Ｏｉｌ ｐａｖｅｍｅｎｔ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｍｅｃｈａｎｉｃ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｎ ｓｏｍｅ ａｓｐｅｃｔｓ ｌｉｋｅ ｓｔｒｅｓｓ，ｓｔｒａｉｎ ａｎｄ ｂｅｎｄｉｎｇ ａｎｄ ｅｔｃ ｉｓ ｐｅｒｆｏｒｍｅｄ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ＢＩＳＡＲ３．０ ｓｏｆｔｗａｒｅ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ Ｆｌｅｘｉｂｌｅ ｂａｓｅｅｏｕｒｓｅ；Ｓｅｍｉ—ｒｉｇｉｄ ｂａｓｅｃｏｕｒｓｅ；Ａｎｔｉ—ｒｕｔｔｉｎｇ