高速公路长大纵坡路段抗车辙技术分析

危 强 唐国奇 朱国庆 熊昌平

（1.贵州高速公路集团有限公司 贵阳 550004； 2.交通运输部公路科学研究院 北京 100088）

车辙是我国高速公路沥青路面的典型病害之一，几乎不同程度地发生于每条高速公路，在长大纵坡路段的高速公路上尤甚。长大纵坡路段的车辙病害不仅妨碍了正常交通，影响了通行能力，降低了道路服务水平，在降雨、冰冻等复杂环境状况下，更易导致交通安全事故，造成巨大经济财产损失［1］。通过深入开展对长大纵坡沥青路面抗车辙技术的研究，降低路面病害的发生，改善长大纵坡沥青路面的路用性能，延长使用寿命，对推动我国公路网的整体建设具有十分重要的意义。

1 贵州地区高速公路路面车辙问题分析

1.1 车辙病害情况

在贵州省高速公路开发总公司、贵州省质安交通工程监控检测中心有限责任公司等单位的配合下，通过对贵州地区部分陡长坡路段车辙病害实地测量及对现有资料收集，从纵向、横向、深度方向分析长大纵坡车辙分布规律，并对未来交通有关多轴车辆进行阐述，具体分析如下：

（1）纵向车辙分布规律。根据调查资料可以得出长大纵坡纵向车辙与坡度、坡长密切相关，其分布大致存在以下一些特点：①同一路段车辙病害通常发生在长大纵坡路段，坡度较大，坡长较长的路段车辙变形较大，纵向分布呈现先增长后平缓的趋势；②连续爬坡路段车辙分布与各段坡度及坡长有关，车辙病害严重区通常在坡底及坡顶段附近；③坡长对车辙变形纵向分布存在一定影响，坡度值不大，但坡长较大时，在坡顶处的变形值较大。

（2）横向车辙分布规律。由于渠化交通的存在，车辆在爬坡路段行驶时，右侧车行道多为行驶速度低的重载车辆，而左侧超车道多为车速较高的小型汽车，这使得行车道的车辙比超车道严重。行车道横向车辙在轮迹带凹陷，两边伴有隆起，车辙断面呈W形，靠近路边一侧的车辙变形较大，而在靠近超车道一侧的变形较小。车辙的横向分布与车辆爬坡速度有关，超车道由于行驶速度快，车辙变形较行车道小，同一车道两侧轮胎下车辙变形同样是靠近超车道一侧变形小。

（3）深度方向车辙分布规律。从钻取心样的厚度统计分析可知：3个面层均有车辙产生，中面层车辙最大，下面层次之，上面层车辙最小，各层永久变形平均比例为上面层占18%，中面层占52%，下面层占30%。因此，应将中面层和上面层作为抗车辙设计的重点，特别是中面层，是以前重视不足的层次，需要通过各种技术防治车辙病害的发生［2］。

1.2 车辙病害产生的外部因素

（1）重载问题。从交通部公路科研院的研究成果可以知道，车辙发生深度与温度和轴载2个参数均呈现指数级增长的关系，轴载每增加一级，相应的辙深度的发展会急剧增加；使用同等材料和配比条件下的重载排水沥青路面，随着荷载的增加，沥青混合料动稳定度呈现显著的衰减加速趋势，轴载增加一倍，动稳定度已经衰减约70%。因此，必须对重载运输可能引起的车辙问题充分重视，并采取各种加强措施予以避免。

（2）长大纵坡路段问题。从路面受力角度分析，车辆上坡时，开始速度较快，车辆主要依靠惯性来爬坡，车辆对路面施加的水平力较小；之后，车辆要依靠自身的牵引力才能继续爬坡，车辆对路面施加的水平力会在坡底到坡中之间的某个地方突然增大，并维持至坡顶，由此对路面层的剪应力和作用深度也随之增大，而这正是影响沥青路面层发生失稳型车辙的重要外因。

重载车辆的爬坡过程为先减速后匀速的过程，根据时温等效原则，行驶速度越慢，轮胎与路面接触时间越长；这相当于减小了沥青的剪切强度，间接提升了路面瞬间接触温度，加剧了沥青混合料在高温下的流动，蠕变量渐渐积累产生永久变形。随着坡度的增大，车辆对路面产生的横向剪切作用随之增大，也会加速沥青路面永久变形的产生。

我国对多个项目的调查也表明，长上坡路段车辙病害比正常路段严重得多，且最容易发生车辙的位置为长上坡的坡脚后一段到坡顶后［3］。长上坡路段车辙常发生的位置见图1。

图1 长上坡路段车辙发生示意图

2 长大纵坡路段车辙病害形成机理

2.1 基于粘弹性的沥青路面车辙形成过程

对于交通量较大的沥青路面，虽然单次车辆荷载作用时间较短，沥青混合料产生的粘弹性变形可能并不显著，但是由于车流量较大，每次“加载－卸载”循环过程中的间隔时间较短，加载过程中产生的粘弹性变形尚未得到充分恢复就进入下一个加载过程中，当累积变形量较大时，最终形成沥青路面车辙。

对于长大纵坡路段沥青路面，由于坡度较大，车辆行驶速度缓慢，沥青混合料在加载过程中产生的粘弹性变形较大，残余变形也随之增加，因此，多次重复荷载作用下的累积变形较大，并最终导致沥青路面出现车辙。如果上述2种情况在同一路段出现，即车辆行驶速度缓慢且车流量较大，则沥青路面的车辙问题会进一步恶化。沥青混合料的粘弹性变形与温度有密切的关系，随着温度升高，沥青胶浆逐渐软化，并趋于流动状态，沥青胶浆的粘结性和混合料的强度逐渐降低，在荷载作用下易于发生变形。因此，在开展沥青路面结构研究时，应从沥青混合料粘弹性变形特性及影响因素出发，正确认识沥青路面车辙形成的过程，科学合理地确定材料参数。

2.2 长大纵坡路段的沥青路面车辙影响因素

对于长大纵坡路段的沥青路面来说，产生车辙的主要原因是由于车辆运行速度的降低而带来的剪切变形，在高温条件下，车辙的发展会进一步加剧［4］。

由于车辆荷载沿纵坡方向分量的存在，沥青路面内部的剪应力将会因此而增加，上坡时荷载的剪应力分量与驱动轮对路面的剪应力方向一致，使路面受到的剪应力增加；而在下坡时自重的剪应力分量与驱动轮对路面的剪应力方向相反，使路面受到的剪应力减少，这是导致上坡的车辙比下坡的车辙严重的原因之一，坡度在9%以内时，sinα是递增函数，沥青面层内部剪应力将随着纵坡的增大而一直增大，从而使长大纵坡路段沥青路面的抗车辙能力要求更高。

研究资料表明，车速与作用时间存在一定的相关性，车辆行驶时，速度越快，蠕变时间越短，相应的蠕变量越小；而当车速很低时，蠕变时间相应延长［5］。基于应力膨胀理论的蠕变速率模型计算也表明，对于具有粘弹塑性的沥青混合料，纵坡越大，除了因为应力增加而产生车辙外，还会因为行车速度慢和应力作用时间长而加剧车辙的产生。低速荷载的持续作用时间越长，轮胎的摩擦热越大，沥青混合料的塑性流动就越大。从Willia ms－Landel-Ferry公式可以得到，当车辆以3～10 k m／h车速行驶时，相当于以80 k m／h行驶时增加路面作用温度9.7～22.1℃，相当于使沥青混合料的车辙动稳定度下降49%～79%，因此，车辆低速行驶对车辙动稳定度的影响比夏季高温和超载的影响还要大。

3 贵州地区长上坡路段沥青路面抗车辙措施

3.1 车道数的设计

根据《公路工程技术标准》（JTGB01－2003），我国高速公路车道数的选择和确定是根据各种汽车折合成小客车后的交通量来确定的，在总则中也明确规定：“一条公路根据需求可分段选用不同的公路等级、设计速度、路基宽度”。对于山区长上坡路段来说，由于长上坡引起的交通车辆减速，载重运输车辆的实际行车速度远远小于设计车速，因此，通行能力变得不足，在这种情况下，适当增加车道是一个最好的办法，既提高了通行能力又扩大了交通荷载的横向分布范围。

表1为现行《公路沥青路面设计规范》（JTGD50－2006）推荐的车道系数取值推荐表，根据以上车道系数的取值可以看到，单项每增加1个车道，车道系数约减小30%～40%，采取在长上坡路段增加车道的办法是减少交通荷载当量次数、减少交通荷载作用时间的有效手段之一。因此，建议在山区高速公路长上坡路段进行设计时，在相应的车道数的上坡路段增加1个车道，以提高上坡路段内交通车辆的通行能力，减少原有设计行车道的累计通行轴次，从而提高车辆行驶速度，减少交通荷载对路面的作用时间，同时减少维修养护时对通行能力的影响。

表1 车道系数

3.2 沥青混合料的设计

提高沥青混合料的抗车辙能力是有效预防或缓解长上坡路段沥青路面产生车辙的关键和基本前提，因此要根据现场实际的荷载和温度条件对沥青混合料的级配设计、结合料及外掺剂的选择、试验方法的性能提出要求，从而满足抗车辙能力的需求。

在对沥青混合料抗车辙能力的研究中，很多研究成果表明，骨架密实型级配具有良好的抗车辙能力，这也是现行《公路沥青路面施工技术规范》JTGF40－2004推荐的级配形式，试验证明其具有良好的抗车辙能力［6］。因此，本文提出适用于贵州地区高等级公路沥青路面用AC-20C型RA抗车辙剂沥青混合料建议的工程设计级配范围，见表2。

表2 建议的工程设计级配范围

沥青混合料结合料的类型对沥青混合料的抗车辙能力具有一定的影响，推荐采用70号道路石油沥青、SBS改性沥青、NS型RA抗车辙剂等结合料［5］。在对长上坡路段沥青路面的专项设计中，首先采用规范规定的动稳定度的试验方法对沥青混合料的抗车辙能力进行评价；其次建议进行65，70℃和0.7 MPa条件下的动稳定度试验，以检验沥青混合料的抗车辙能力是否出现急剧的衰变；另外，建议采用以粘弹性指标动态模量控制的混合料设计方法，进行SPT动态模量（｜E＊｜）试验，验证沥青混合料抗车辙能力。

3.3 路面结构设计

根据对山区长上坡路段沥青路面车辙形成机理的研究成果，在沥青路面结构设计时，需要充分考虑沥青路面结构的受力特点。与普通平坡路段相比，长上坡路段沥青层承受的剪应力更大，因此在对长上坡路段沥青路面结构设计时，除了满足规范的要求外，还需要进行抗车辙的设计。

沥青层是长上坡路段沥青路面的最主要承重层，不仅承受交通荷载的正向压力，还要承受较大的水平推力，因此在沥青层内形成较大的剪应力。传统的柔性路面损坏主要是疲劳开裂和永久变形这2种结构性损坏，几乎所有力学设计方法都是基于沥青层底拉应变和土基顶面压应变这2个指标进行柔性路面的结构设计，且一般假定路面结构在分析期或使用期末将因结构性破坏而失效。因此，借鉴国际上长寿命、永久性路面概念，基于典型的长寿命沥青路面结构研究，按照长寿命沥青路面结构设计理念进行长上坡路段沥青混合料的设计，可以降低传统的沥青层底开裂和避免结构性车辙，使路面的损坏仅限于表面层，在使用年限内避免结构性破坏，使路面不需要大的结构性重建，只需要定期进行表面铣刨、罩面修复工作［7］。因此，提出贵州地区抗车辙沥青路面沥青层的组合可以采用上面层为SMA13-SBS改性沥青混合料，中面层为AC-20C-RA抗车辙剂沥青混合料，下面层为AC-25-70号沥青沥青混合料的结构形式。

沥青层厚度的设计在满足力学设计要求的情况下，必须按照规范的要求，保证各层沥青层的厚度与混合料的公称最大粒径相匹配，即每层最小厚度不小于混合料公称最大粒径的2.5～3倍。结合国内针对高速公路沥青路面早期损坏研究取得的研究成果以及贵州省的气候温度以及荷载条件，建议长上坡路段高速公路沥青路面沥青层的总厚度不小于18 c m。

4 贵州地区长上坡路段沥青路面抗车辙技术应用

汕昆高速公路安龙互通连接线位于云南、贵州、广西3省交界地，黔西南州煤炭外运，百货、汽配远期规划3省批发市场，安龙县物流园主要通道。安龙互通连接线GK2＋748.5～GK8＋764.334全幅，全长6.016 k m，最大坡度6%，具有重载、慢行、减速、停车、启动等容易出现沥青混合料剪应力破坏的特征。为了更苛刻验证RA高模量剂路用性能，在安龙互通连接线的长上坡路段进行NS型RA抗车辙沥青路面试验段的铺设。试验路路面结构不变，在沥青中面层沥青矿料中掺加0.35%NS型RA抗车辙剂（外掺）。

试验段施工完毕后，通过抽提筛分试验、马歇尔试验、车辙试验、低温弯曲试验对其性能进行了检测，测试结果表明：2.36和4.75 mm的通过率基本可以得到较好的控制，沥青的油石比控制得也较好，与要求沥青用量略有增加；室内马歇尔试件的密度、空隙率、饱和度等也均能满足要求；车辙板的动稳定度、小梁弯拉强度和弯拉劲度模量也能满足规范要求，表明RA沥青混合料具有较好的高温稳定性、高温抗车辙性能和低温性能。

在路面铺筑完后第二天，按《公路路基路面现场测试规程》对其进行了渗水及平整度的试验。经评定，试验路不渗水，表面平整密实，集料颗粒分布均匀，无脱落、掉渣、裂缝、搓板等现象。但为了更好地评价添加RA沥青混合料的路用性能，尤其是高温性能，还应对整个RA沥青试验路段进行长期跟踪观测。

5 结论

沥青路面车辙的直观表现为路面的变形，路面材料是导致沥青路面产生车辙的直接原因，而沥青混合料的变形是由于一定的荷载作用引起的，沥青路面结构的荷载或应力才是导致沥青路面产生车辙的根本原因。对于长大纵坡路段，重载车辆爬坡速度也是引起路面车辙病害形成的关键因素。因此，山区高速公路长上坡路段沥青路面的设计应从沥青混合料和路面结构组合等方面入手，使得在这种特殊条件下的沥青路面结构具有一定的抗车辙能力，延长车辙产生的时间，达到有效控制的目的。

［1］ 俞文生，李 昶.陡坡路段沥青路面车辙特性分析［J］.重庆交通大学学报：自然科学版，2009，28（6）：1028-1032.

［2］ 胡玲玲，卢 辉，张肖宁.高温条件下长陡坡路段沥青混凝土路面结构分析［J］.公路，2009（10）：68-71.

［3］ 张 媛，邹桂莲.长大纵坡的沥青路面受力研究［J］.科学技术与工程，2010，22（10）：5580-5583.

［4］ 张业茂，陈拴发，胡光伟，等.沥青混合料车辙影响因素研究［J］.公路，2012（3）：112-116.

［5］ 杨 琳.长大纵坡段沥青路面结构研究［J］.交通标准化，2010（23）：157-160.

［6］ 张业茂，郑木莲，胡光伟.掺加改性剂沥青混合料抗车辙性能研究［J］.路基工程，2012（4）：77-81.

［7］ 韩 萍，张晓燕，段丹军.祁临高速公路长大纵坡路段车辙处治技术研究［J］.中外公路，2011，31（5）：51-54.