沥青路面车辙形成机制及影响因素研究

贾帧钧

（中国市政工程西北设计研究院有限公司，甘肃 兰州 730000）

0 引言

车辙是我国城市道路沥青路面的常见病害之一，其不但降低了行车的舒适性、安全性，还易积水积冰，引起其他次生病害［1-2］，如图1 所示。二十世纪六十年代以前，道路交通量小、重载车辆少，车辙问题并未引起重视。但随着路面结构变化、重载车辆的增多，车辙问题日益严重并迅速成为研究热点［3-4］。

图1 沥青路面结构示意图及车辙病害

美国沥青学会提出以路基顶面压应变为车辙控制参数进行路面结构设计，Barksdale［5］提出了层应变法，考虑了车辆轴载、温度等因素影响；徐世法等［6］采用线黏弹性层状理论建立了车辙的预测模型；廖公云等［7］考虑车辆荷载作用、环境因素影响，建立了路面结构有限元模型，通过数值预测车辙的发展。除了上述学者的研究以外，我国2017 年的《公路沥青路面设计规范》也对沥青路面车辙的计算做出了规定，要求基于标准车辙试验测得的沥青混合料试件永久变形量，按照经验公式推算混合料面层永久变形（车辙）［8］。但我国城市道路的车辙病害分布具有较为明显的不均匀特征，公交站、道路交叉口车辙病害较为严重，普通顺畅路段则较为轻微。现行规范在进行沥青路面设计时采用统一标准，忽视了上述分布特征，致使沥青路面未达使用年限过早出现车辙病害［9-10］。此外，道路运营期间车辆为移动荷载，采用静力分析方法难以准确评估路面结构的真实应力状态，无法对早期车辙病害做出合理解释。因此，探究沥青路面车辙病害的早期分布特征，明确其形成机理，对于优化路面结构设计、提升路面使用寿命具有重要的工程实际意义。

鉴于此，本研究对湖南省某市多条城市道路的公交站、交叉口路段进行实地调研，研究不同路段车辙病害的分布规律，并基于有限元软件构建沥青路面数值仿真模型，模拟刹车过程的沥青路面力学行为，以期为同类项目的设计、施工提供参考。

1 沥青路面车辙病害现场调查

依据前期调研资料可知，城市市政道路的公交站、交叉口等路段通常会出现更明显的车辙病害。基于调研结果，本研究对湖南省某市的多条市政道路进行实地调研，重点关注公交站、交叉口等路段的车辙病害情况，并分析车辙病害的统计特征、分布规律、产生机理。其中，调研对象A 道路为连接市区与高速公路的重要主干道路，采用双向6 车道、直线式公交车站设计，公交车站设置在辅道，如图2 所示。路面面层结构采用4 cm（AC-13）+6 cm（AC-20）+半刚性基层。该市政道路的通车时间为2021 年6 月，调研时间为2022 年7 月，测量工具为三米尺及数显深度仪。

图2 公交站示意

1.1 公交站路段车辙病害分布规律统计

考虑到不同公交站的车辆班次存在差异，现场调查了5 个班次较为接近的公交站进行数据统计分析，不同公交站的班次信息见表1，车辙深度、分布统计数据如图3 所示。现场调查结果表明，公交站前后30 m 路段车辙较其他路段更为明显，深度大于5 mm，最大值出现在公交站处，约为12 mm。

表1 主要调查公交站信息

图3 公交站路段车辙统计数据

1.2 交叉口路段车辙病害分布规律统计

被调查道路交叉口共有2 个，其中JCK-1 为较小的交叉口，右侧车道为右转车道，JCK-2设有专门的右转匝道且与直行车道分离。相关交叉口的红绿灯时长数据见表2。现场调查发现，各交叉口驶入车道的车辙较为严重，驶出车道未见明显车辙。因此，驶入车道为交叉口路段车辙统计的重点。

表2 目标交叉口详细信息

调查结果表明，沥青路面车辙主要发生在交叉口50 m 范围内，且距离交叉口停止线越近车辙越明显，最大数值达到8 mm。超过距交叉口停车线50 m 范围的路面车辙深度较小（小于5 mm）。因此下文主要研究距交叉口50 m 内的车辙数据。各交叉口的车辙具体调查情况如图4 所示。由图4 可知，交叉口直行车道车辙深度最大，左转车道次之，右转车道最小；红灯时长对左转车道的车辙深度影响较小，两者相关性较弱，直行车道的车辙深度受红灯时长影响明显，存在正相关性，不同车道车流的连贯性是导致上述现象的主要原因。

图4 不同交叉口驶入车道车辙纵向分布情况

2 刹车荷载下沥青路面的数值模型

为了进一步研究车辆荷载，尤其是车轮轮压荷载、刹车制动及其他因素对车辙病害形成的影响规律，本研究以某市A 道路为研究对象，采用商用数值软件构建该道路的沥青路面结构数值仿真模型，分析车轮轮压、刹车制动等荷载作用下沥青路面的力学行为，探究公交车站、交叉路口处车辙病害产生的深层原因。

2.1 构建数值几何模型

依据A 道路的设计资料，道路的路面结构主要为：4 cm（AC-13）+6 cm（AC-20）+半刚性基层。考虑车辙病害大多出现在柔性大的沥青面层，半刚性基层可近似视为刚性边界。因此，构建数值模型只考虑沥青面层。面层结构尺寸为2.0 m×（0.04 m+0.06 m）×2.0 m，采用20 节点的六面体单元，网格平均尺寸为0.2 m，且呈中间小、周边大分布，以提高计算效率和精度，如图5 所示。底面约束三个方向的平动位移，侧面约束垂直方向的平动位移，以模拟实际结构的边界条件。

图5 沥青面层数值模型

2.2 沥青数值本构模型

根据调研结果，车辙病害主要是在公车车站、交叉口车辆轮压静载、刹车制动荷载的长时间作用下产生的。其中，刹车荷载采用“荷载大小+作用时间”模拟，相关参数基于现场统计结果确定。在数值模拟过程中涉及荷载作用的时间效应以及沥青材料的蠕变、硬化模拟。鉴于此，数值仿真过程中采用软件内嵌的Burgers 模型描述沥青的永久变形与时间的关系，即固结效应。Burgers 模型的应变方程中的加载方程见式（1），卸载方程见式（2）。

式中：σ0、t0分别为初始应力、初始时间；E1、E2分别为瞬时弹性模量、系统延迟弹性模量；η1为黏性系数，τ=沥青材料的蠕变则采用Bailey-Norton 蠕变模型来表征，相关本构模型的参数通过室内试验拟合确定。

2.3 材料试验及本构参数拟合

为确定相关本构模型的参数，在室内制作了沥青材料试件，通过三轴试验测定不同温度、不同荷载下的时间—变形数据。试件为标准试件，采用旋转压实仪制作。加载设备为UTM-130 液压动态试验系统，如图6 所示。试验围压为138 kPa，通过预先安装的两个位移传感器反馈位移数据，并通过数据拟合、对比试验确定沥青材料的弹性变形参数及相关本构模型参数，具体见表3、表4。

表3 沥青混合料面层的弹性变形参数

表4 Burgers模型参数拟合

图6 沥青材料性能试验

3 车辙计算及其影响因素数值分析

基于数值模拟计算车辙的过程中，需要将车辆荷载表示为一个具有方向、大小、速度的荷载作用。本研究采用荷载大小+作用时间的方式来描述车辆移动荷载。车辆荷载大小按照车辆不同换算为标准轴载，荷载作用时间则与设计车速成反比。通过现场的相关统计数据可以大致确定车辆荷载。-2 m∕s2制动加速度下沥青路面的变形云图如图7 所示，不同深度路面变形曲线如图8 所示。计算结果表明，刹车荷载作用下，路面最大凹陷深度为-6.5 mm，最大凸起高度为2.1 mm，即瞬时车辙为8.6 mm。路面的竖向变形最大，从表面往下不同深度处（h=0 cm、2 cm、4 cm、7 cm、10 cm）竖向位移分别为：-6.5 mm、-4.4 mm、-2.5 mm、-1.0 mm、0 mm。结果表明，交叉口、公交车站附近，由于长期存在刹车荷载，沥青路面不仅会产生凹陷，还有凸起，在时间效应下容易产生较为明显的车辙。

图7 刹车荷载下沥青层变形云图

图8 刹车荷载下不同深度处路面变形曲线

一般认为，车辆行驶速度越大，其对沥青路面的作用力越大，但是作用时间会越小。因此，可以通过改变与速度相关的荷载参数来研究不同车速下车辙的变化及关联性。不同荷载作用时间、不同制动荷载的车辙计算结果见表5、表6。结果表明，刹车荷载及荷载作用时间对车辙的计算结果有显著的影响，市政道路公交车站、交叉口车辆频繁制动是导致沥青路面车辙病害的重要原因。

表5 不同荷载作用时间对车辙的影响

表6 制动荷载对车辙的影响

4 结论

本研究通过对湖南省某市多条城市道路的公交站、交叉口路段开展实地调研，分析不同路段车辙病害的统计分布规律，并基于有限元软件构建沥青路面数值仿真模型，分析了刹车过程的沥青路面力学行为及主要控制参数对车辙病害的影响规律。研究结果如下。

①城市道路的公交站、交叉口附近30 m 范围内路段车辙病害明显，且离停车点越近越严重。

②不同车道中，直行车道车辙最为严重，右转车道未发现车辙病害。红灯时长与车辙深度呈正相关，等待时间越长车辙越深，不同车道车流的连贯性是导致上述现象的主要原因。

③数值仿真结果显示，公交站或交叉口车辆频繁减速、制动，使得路面上车轮荷载作用时长增加，是该类路段车辙病害严重的另一个重要原因。

④在进行城市道路沥青路面设计时，应对公交车站、交叉路口30～50 m 范围内路段进行单独设计，提高结构层的强度、形变控制指标，以减少车辙病害的产生。