基于路面使用性能评价的车辙指标研究

任瑞波，许士强

（山东建筑大学交通工程学院，山东济南250101）

0 引言

沥青路面中的沥青材料是一种典型的粘弹性材料，对于粘弹性材料，在重复荷载作用下，将呈现出变形的逐渐增大，称为变形的累积［1－2］。车辙是沥青路面的一种损坏形式，表观表现为沥青路面轮迹带范围内路面的下凹，有时伴随轮迹带边缘的隆起［3］。在高等级公路沥青路面破损中，车辙病害占有较大的比重。据统计，大约80%的沥青路面的维修养护是因为路面车辙变形所引起。与路面裂缝、水损坏等其他病害相比，沥青混凝土路面中的车辙危害性最大［4］。车辙的存在严重影响着行车舒适性和行车安全性并会诱发其他病害。由于车辙的存在，车辆在变道时易颠簸，从而使驾驶员难以对方向盘控制，可操作性变差。降雨时由于车辙的存在可使车辙内积水，当车辆驶过时路面水被带起形成水雾从而影响后续车辆的驾驶员视线，更危险的是当车轮在有积水的车辙槽内，尤其是在冬季有积水结冰的车辙槽内行驶时，路面的抗滑能力显著降低，车辆制动距离增大，极易引发交通事故，严重影响形车安全。实验研究表明，在同一车速下，积水越深，滑动摩擦系数越低，当水深为10 mm，车速为100 km／h时，摩擦系数接近零，可认为已经发生了漂滑现象［5］。由于路面车辙存在所致的路表积水成为影响行车制动效能和操纵稳定性的关键因素，因此，从安全性方面讲，路面的容许车辙深度应为7.6～10.0 mm。养护目的总体上以延长公路使用寿命作为出发点，对于安全行车需求考虑较少［6］。

SHRP在研究永久变形预测时提出，合理进行沥青混合料设计和施工的沥青路面中车辙的极限深度是12.5 mm［5］；AASHTO分级标准是将车辙深度为6 mm以下的不作考虑，日本将3 mm以下的车辙不作考虑［7］；在英国，车辙深度达到10 mm，就认为路面达到临界状态，深度达到20 mm，认为路面已进入不利状态［7］；壳牌沥青路面设计方法中将高速公路的容许车辙深度规定为10 mm，地沥青协会AI的设计方法则规定为13 mm［8］；美国和日本都认为路面车辙的深度达到10 mm时，就应该采取相应的处治措施［8］。在“七五”期间，国家攻关项目“高等级公路半刚性基层、重交通道路沥青路面面层和抗滑表层的研究”专题提出的沥青路面车辙深度目标是在设计年限内车辙深度不超过15 mm［7］。

JTJ 073.22001《公路沥青路面养护技术规范》将路面车辙与路面裂缝、坑槽等损坏视为同一损坏类型，将损坏面积计入路面破损率指标DR，并以此计算路面破损状况指数PCI［9］。在JTG H20—2007《公路技术状况评定标准》中，深度为10～15 mm的车辙被定义为轻度车辙，深度在10 mm以下的车辙未做定义［10］。而且，标准中将车辙指标仅分为“轻、重”两个等级的做法不够精细，且以线性分段函数来表示车辙指标及以20 mm作为车辙评价指标转折点的做法也不尽合理。此外，仅仅考虑路面车辙深度来评价路面车辙状况指标明显不足。

陆键等通过车辙深度主观评价标准建立了车辙深度指数评价模型，但对路面车辙深度指数主观评价标准中车辙深度的表述不详细，没有对“轻微车辙”、“明显车辙”、“较深车辙”和“极深车辙”明确定义［11］。田文泽提出了基于多指标的车辙评价标准，但对多指标考虑不足，并没有形成一个完善的评价体系。因此，文章在总结国内外研究评价状况下，建立了一个完善的路面车辙深度评价体系［13］。

因此，在现有规范和标准的基础上，围绕现有车辙深度指数评价模型，进一步明确车辙深度划分等级，改进车辙状况综合评价指标。在现有沥青路面车辙评价指标的基础上，考虑路面不致积水的最大车辙深度，进行车辙深度等级划分，提出将路面车辙深度等级划分为三个等级。采用Sigmoid函数优化车辙的评价指标模型，通过分析路面车辙槽的几何特征，引入车辙其他参数，将车辙评价的单项指标扩展为多项指标，为行车安全和养护管理提供依据。

1 现有沥青路面车辙评价指标

JTG H20—2007《公路技术状况评定标准》［10］中考虑到车辙在路面病害中所占的比重较大并且考虑行车安全性和行驶舒适性，将路面车辙单独进行评价，将车辙深度作为调查指标，采用路面车辙评价模型RDI，由计算式（1）表示为式中：RD为车辙深度，mm；RDa为车辙深度参数，取值20 mm；RDb为车辙深度限值，取值35 mm；a0和a1为模型参数，分别取值2.0和4.0［10］。图 1和表 1分别给出了车辙深度指数RDI与车辙深度RD的关系曲线及对应关系。

图1 RDI与RD的关系曲线图

表1 RDI与RD对应关系表

2 路面车辙深度等级划分

由于车辙槽内积水状况取决于纵断面状况，因此通过建立路面车辙积水模型来确定车辙内不致积水时的车辙深度。为了简化模型，近似假设车辙形状为等腰三角形，当车辙槽底标高c点大于或等于车辙槽外侧边缘标高b点时，辙槽内不会积水，即槽底c点与车辙槽外侧边缘b点在同一水平线上时，RD为车辙内不致积水的临界车辙深度［2］。简化的车辙积水模型如图2所示。

图2 简化的车辙积水模型图

利用简化的车辙积水模型计算路面车辙内不积水的临界车辙深度RD，计算由式（2）为

式中：RD为车辙内不致积水的临界车辙深度，mm；B为车辙槽顶面宽度，取120 mm；i为路面横坡度，高速公路沥青路面取1.5%。

计算得到车辙内不致积水的车辙深度为9 mm与国外壳牌沥青路面设计方法中将高速公路容许车辙深度规定的10 mm基本接近。

因此，在分析国外沥青路面车辙深度等级划分的基础上，结合我国现有的规范和标准，建议将我国高速公路车辙深度程度分为“轻、中、重”三个等级，其中轻度车辙为0～9 mm；中度车辙深度为9～15 mm；而重度车辙深度大于15 mm。

3 改进的路面车辙评价指标模型

3.1 改进的车辙深度指数模型

采用主客观相结合的方法进行车辙深度指数的改进，首先要对沥青路面车辙深度进行主观评价。主观评价的主要依据是评价者对不同车辙深度对行车安全性和行驶舒适性影响程度的主观判断［11］。运用回归分析的模型标定方法，将人的主观评价和检测器采集的客观数据相联系，建立起反映主观经验的评价模型，见表2。

表2 高速公路沥青路面车辙深度主观评价标准表

式中：评价模型参数取值分别为a0＝0.961、a1＝0.159和 a2＝－3.353。

车辙深度指数RDI与车辙深度RD的关系曲线及对应关系如图3和表3所示。

结合高等级公路沥青路面车辙深度主观评价标准，利用MATLAB软件，采用Sigmoid函数建立沥青路面车辙深度指数RDI评价模型，其评价模型由式（3）表示为

图3 改进后RDI与RD的关系曲线图

表3 RDI与RD对应关系表

3.2 简化的车辙槽几何模型

目前，一般采用车辙深度作为车辙的评价指标，但是该车辙深度却不能反映车辙对行车的全部影响。当车轮在车辙侧壁斜面上行驶时（如图4所示），车轮除了受到槽内断面横向不平整的影响外，还要受到车辙侧壁的作用。在相同的车辙深度下，侧壁倾斜角度越大、摩擦系数越小，车辆侧向运动受到的阻力就越大。因此，建立沥青路面车辙槽的简化模型（如图5所示），通过分析沥青路面车辙槽的几何形状可知，操纵稳定性不仅与车辙深度有关，还与车辙的侧壁坡度、车辙槽宽度及车辙槽的平均曲率半径有关。

因此，为全面评价车辙的危害性，在保留现有车辙深度的同时还需进一步增加车辙评价的其他指标，具体指标如下：

图4 车轮位于车辙侧壁斜面上的模型图

图5 沥青路面车辙槽简化模型图

（1）车辙槽深度（RD1、RD2）

国外一般采用平均深度作为车辙深度，但是其深度不能反映车辙的最大高差给行车带来的影响［12］，实际中的车辙断面形态各异，两壁高差为零的情况一般很少。采用最大车辙槽深度RD1来评价车辙的严重程度，采用车辙槽的第二最大深度RD2作为积水深度的评价指标。

（2）车辙槽宽度（W1、W2、W3）

车辙槽的倒梯形特征使车辙槽的宽度表现为：车辙槽顶部水平最大宽度W1、最大可能积水宽度W2和车辙槽底部宽度W3［13］。根据实测数据可知，辙槽顶部最大水平宽度W1数值一般为1.0～1.2 m，W3一般为 0.5～0.8 m［14］。

（3）车辙槽侧壁倾角（α、β）

当车轮行驶在倾角分别为α、β的辙槽时，倾角越大，轮胎所承受的横向荷载也越大，车辆的操纵性稳定性越低。因此，要对车辙槽侧壁最大容许倾角进行限定。参考徐眑的研究成果［7］，确定高等级公路沥青车辙槽的侧壁倾角容许值为6.8%。

（4）车辙槽的平均曲率半径

车辙槽的曲率半径能描述辙槽的综合特征，平均曲率半径计算式（4）为

式中：ρ为平均曲率半径，mm；α、β分别为车辙槽侧壁倾角，%；d为辙槽左侧最低点至右侧最低点的弧长，mm。

3.3 车辙状况综合评价

通过已有的路面车辙深度指数和增加的其他指标来对车辙状况进行综合评价，建立基于安全性的车辙综合状况指数模型RCI。

式中：RCI为综合状况指数；RD1为最大车辙槽深度，mm；RD2为车辙第二最大深度，mm；W1为车辙槽顶部水平最大宽度，mm；W2为最大可能积水宽度，mm；W3为车辙槽底部宽度，mm；ρ为平均曲率半径，mm。

然而，大多数车辙评价指标的计算必须建立在详细和精确的横断面测量基础之上，需要获得足够详细的数据支持，对检测设备的要求较高，因此，车辙深度指数在现阶段甚至更长的一段时期内仍会是国内外广泛采用的路面车辙评价指标。

4 结论

通过研究可知：

（1）在分析国外沥青路面车辙深度等级划分的基础上，结合我国现有的规范和标准，提出了将路面车辙深度等级划分为“轻、中、重”三个等级，其中轻度车辙为0～9 mm；中度车辙深度为9～15 mm；重度车辙深度大于15 mm。

（2）明确了高速公路沥青路面车辙深度主观评价标准，并在此基础上采用Sigmoid函数优化了沥青路面车辙深度指数RDI评价模型，弥补了现有车辙评价指标以线性分段函数来表示及以20mm作为转折点不尽合理的做法。

（3）为全面评价车辙的危害性，分析了车辙槽的几何特征，在保留现有车辙深度的同时增加车辙的其他指标，提出车辙状况综合评价指标，并对其进行了初步的探讨，还需进一步明确各评价指标权重与相应的评价标准。

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