沥青混凝土路面的车辙预估方法

浅析沥青混凝土路面的车辙预估方法摘要：车辙是高等级沥青混凝土路面的常见病害,合适的车辙预估模型有利于预防车辙产生，延长路面寿命，提高路面的经济利用水平。

介绍了车辙的产生和危害，介绍了车辙预估方法的演进，系统总结了国内外主流的车辙预估方法，以便为国内的车辙预估研究提供借鉴。

关键词：沥青混凝土路面; 车辙; 预估模型;abstract: the rut is common disease of high grade asphalt concrete pavement, appropriate rutting prediction model is conducive to the prevention of rutting, prolong the service life of road, and improve the level of utilization of pavement. introduces the origin and harm of rutting, introduces the evolution of rutting prediction method, summarized the domestic and foreign main rutting prediction method, so as to provide a reference for the prediction of rutting.key words: asphalt concrete pavement; rut; prediction model;中图分类号：tv544+.924 文献标识码：a文章编号：前言：近年来，随着我国经济的不断发展，公路建设突飞猛进，高速公路里程也随之呈直线增长，横连东西、纵贯南北、通江达海、联结周边的骨架公路通道初步形成。

我国高速公路由2002年底的2.51万公里增加到2011年底的8.49万公里，跃居世界第二。

预计到“十二五”末，国家高速公路网将基本建成。

沥青混凝土路面具有力学性能好、表面耐磨、行车舒适等优点，在高速公路的铺设中得到了广泛应用，据统计，我国目前95% 以上的高速路面为各种沥青混凝土路面。

但是，在长期的通车运营中，随着公路流量的日益增大，沥青混凝土路面也表现出了一些流变性质路面的不足，在行车荷载和气候等因素的影响下，容易出现各种病害，车辙就是其中主要的一种病害。

1. 车辙的产生和危害车辙是指在荷载、气候等各种复杂因素的综合影响下，路面产生的不可恢复的纵向带状凹槽。

车辙是沥青混凝土路面所特有的现象，分布于车辆的轮迹带两侧，表现为沥青混凝土面层下凹以及两侧隆起。

沥青混凝土路面的车辙主要有失稳性车辙、结构性车辙、磨耗性车辙三种。

其中，失稳性车辙是由高温稳定性不足而导致，结构性车辙是重载作用下的永久变形，磨耗性车辙是由车轮磨耗导致的变形。

1.1 车辙的产生车辙的产生是受内因和外因的综合影响，车辙产生的外因主要有：（1）高温与持续高温的影响。

（2）重载、超载交通的影响。

（3）纵坡、车况及车速的影响。

车辙产生的内因主要有：（1）路面结构设计：强基薄面还是全厚式沥青面层。

（2）原材料性质：规范中沥青材料高温指标低。

（3）混合料级配设计方法：目前应用广泛的防车辙方案marshall设计方法存在缺陷。

（4）施工：存在摊铺离析现象，和目标配合比差异性比较大。

同时，使用碾压机械组合，缺少重型胶轮压路机。

（5）现场评析方法：缺少现场检测指标。

1.2 车辙的危害车辙的存在会缩短路面的使用寿命, 降低道路质量, 也给道路运输带来安全隐患。

主要表现如下：( 1) 影响平整度和行车的舒适性。

（2）降低强度，诱发各种病害。

（3）车辙积水导致车辆飘滑。

（4）车辆失控，影响行车的稳定性。

由此可见, 建立合适的车辙预估模型，对沥青混凝土路面的车辙预估展开研究，有利于预防车辙产生，进而延长路面寿命，提高路面的经济利用水平。

近年来，对沥青混凝土路面车辙预估模型的研究已经成为一个热点问题。

2车辙的预估方法演进1962年，壳牌石油公司提出了当时世界上首个沥青混凝土路面结构设计方法— shell 设计方法，此后数年，这种“预估方法成为建立车辙预估模型的主流方法。

1972年，barksdale 和romain 提出了新的车辙预估方法—层应变法，在学术界引起了较强反响。

此后，又有一些学者相继提出了一些新的预估方法，学术界对车辙预估的方法研究进入了新的阶段，掀起了一个高潮。

1987年，eckmann使用动态蠕变试验，结合层应变法开发出新的预估模型, 该预估模型得出的结果与现场试验数据相对比基本符合，取得了极大成功。

同年，eisenmann和hilmer基于足尺试验，开发出统计回归的预估模型。

1997年，车辙问题在国际沥青混凝土路面设计会议上被提出专栏讨论，学术界展开了积极的技术探索，但并未提出新的预估模型。

2002年，车辙问题已经成为国际沥青混凝土路面设计会议的主题之一，随着计算机在科学技术研究中的广泛应用，新的车辙预估方法开始采用有限元法和时间硬化蠕变模型，取得了较大的技术进步。

3国外车辙预估方法简介国外的车辙预估方法研究多建立在沥青混凝土层永久变形的基础上。

本文将其分为理论测算法、经验法和力学-经验法三种。

3. 1理论侧算法理论测算法首先使用弹性弹性层状体系理论计算出沥青混凝土路面的应力，再结合实测的沥青混凝土材料的相关参数，并按照沥青混凝土材料的永久变形程度与路面应力的关系，最终建立沥青混凝土层的车辙预估模型。

又可细分为层应变法和粘弹性体系法两种。

3. 1. 1层应变法如上文所述， 1972年，barksdale 和romain 提出了层应变法，又称弹性层状体系法。

该方法将每层路面细分为若干亚层，并依据弹性层状体系理论，依次统计各层的累积变形情况，最后结合实验室数据，预估各路面层所产生的车辙。

层应变法所使用的计算公式为：上式中，为层的永久变形，为亚层的塑性应变，为亚层的厚度。

层应变法的优点在于它在简化了理论后，所预估出的结果仍能满足工程要求，精度偏差在可控范围内。

但是层应变法仅考虑车辆轮胎轴心下方的应力，而将轮胎四周的剪切变形忽略不计，这无疑增大了该方法的误差。

另外，层应变法的理论基础建立在路面的弹性应力基础上，与引起沥青混凝土路面车辙的一些实际行为略有不符。

另外，还有一种较有影响力的方法—壳牌(shell) 法也是利用弹性层状体系理论来完成车辙预估，shell法基于蠕变、轮迹等试验和一系列假设，在国际上有较强的影响力。

但该方法无法只对弹性响应精确，没有计入混合料的粘性和塑性响应，同时，该方法引入了动态影响修正因子，导致所预测的永久变形增大了30%～100%。

3. 1. 2粘弹性体系法粘弹性体系法是由美国联邦公路局和麻省理工学院联合提出，仍以粘弹性理论为基础的车辙预估方法。

该方法建立了一种体系，将沥青混凝土路面的变形量等效为应力、加载时间、温度、含水量的函数。

粘弹性体系法与层应变法相比，充分体现了沥青混凝土路面在承受荷载后随时间硬化的现象，考虑了青混凝土的侧向流动变形。

但是，粘弹性体系法的函数较为复杂，有很强的非线性，普及具有一定难度。

同时，在此后的实验室研究和对比试验中，证明了由于没有考虑各种混合料的变形，使用该方法得出的车辙预估值相对偏小。

3. 1. 3粘弹塑性方法粘弹塑性方法提出于1994年，该方法的理论基础为8 个maxwell 并联而成的非线性粘弹性元件，粘弹塑性方法使用各种粘弹性和弹塑性元件来模拟荷载速率、粘结料以及沥青混合料中的骨料。

结合介质流动定律，经过反复实验，推导出车辙深度和最大永久剪应变之间的关系如下:上式中: 为车辙深度; 为最大永久剪应变; 为系数。

粘弹塑性方法可以采用公式直接预估最大永久剪应变，同时将粘弹性元件设置为非线性，较真实的模拟了荷载速率、粘结料以及沥青混合料中的骨料。

但该方法对沥青混凝土材料的模拟不够真实，得出的预估结果与实际现场数据有较大误差。

3.2经验法经验法顾名思义，即为从大量的试验数据中，使用数学的统计法来寻找规律，进而建立沥青混凝土层的车辙与沥青参数、荷载大小等因素之间的关系。

2002 年, 基于美国各州公路工作者协会所掌握的路面实验数据, 学者a rchilla 过提出一个相关的车辙预估方法。

经验法基于一个真实而具体的环境来推导出，试验模型的建立对路面结构、沥青材料参数等涉及较少，因而对使用混合料的沥青混凝土层的车辙预估效果较差，另外，由于经验法的理论架构不够充分，所以仅适用于某些具体环境，有较大的局限性，因而难以得到大规模推广和应用。

3.3力学- 经验法力学—经验法是将理论法和经验法相结合，首先使用弹性层状体系理论得出路面的应力，然后经过大量的实验室与现场试验，使用经验法，通过统计法来建立沥青混凝土层的车辙与沥青参数、荷载大小等因素之间的关系。

2000 年，monismith提出了一种新式力学—经验法，将沥青混凝土层的路面模拟成多层的弹性体系，同时，通过大量的重复荷载简单剪切实验来获得沥青混凝土模量，进而进行沥青混凝土层路面的车辙预估。

假设车辙由剪应变控制, 则在轮迹下50mm深度处的永久剪应变的累积计算公式为：上式中，为50mm深度处的永久剪应变，为50mm深度处的剪应力，为弹性剪应变，为荷载重复次数，,,为回归常数。

力学- 经验法利用公式预估了轮胎边缘下的剪切变形情况，2004 年，美国各州公路工作者协会基于沥青混凝土路面车辙的发生机理,充分考虑了各种影响车辙变形的因素，提出了车辙预估模型，成为力学—经验法的典型代表。

但是，该方法仅应用于实验室研究, 还需要大量现场数据的深入验证和支持。

4国内车辙预估方法简介国内对车辙预估的研究起步较晚，20 世纪80 年代中期开始，同济大学、东南大学、长安大学等高校陆续开始了相关研究, 目前也取得了一定成果。

其中有代表性的预估方法有：（1）同济大学将线粘弹性层状体系理论与沥青混合料粘弹特性相结合，研究出沥青混凝土车辙预估方法, 属于理论法。

（2）东南大学将理论分析和室内轮辙试验相结合，研究出沥青混凝土车辙预估方法，属于力学—经验法。

（3）长安大学将弹性层状体系理论和沥青材料的流变模型相结合，研究出沥青混凝土车辙预估方法，属理论法。

5结语综上所述，沥青混凝土层的车辙预估的方法多种多样，但各有优缺点。

理论分析法的研究相对较多, 这些理论分析方法的准确性决定于试验模型与实际情况是否贴合，由于借助了计算机和各种先进算法，所以精度相对较高。

目前，理论分析法是较为常用的车辙预估方法。

经验法基于大量工程实践经验，可靠度较强，但有极大的局限性，仅适用于跟试验法所研究道路的环境差异不大的路面环境，因而难以推广应用。