车辙变形对多孔沥青路面排水性能的影响

摘 要

为了明确多孔沥青路面发生车辙时，多孔沥青上面层的空隙率改变对其排水性能的影响。采用中国高速公路多孔沥青路面典型的层状体结构形式，首先根据车辙变形空间，提出空隙率变化率评价指标，并通过室内试验对多孔沥青路面的车辙变形与空隙率的关系进行观测；通过对实际路面的检测和有限元模拟，分析不同沥青层位对总体车辙深度的影响；最后，利用路表径流模型，分析车辙位置产生径流的条件。研究结果表明：空隙率衰减的比例与车辙变形量占原路面厚度的比例基本相当，车辙变形空间来自于空隙压缩及石料、砂浆流动；多孔沥青路面在长期使用过程中的车辙变形主要由上、中面层共同变形引起，多孔沥青上面层在经过早期压密阶段后，车辙变形稳定，总变形量较小；多孔沥青路面的竖向和横向渗透系数与空隙率成明显的线性关系，当空隙率低于15%时，渗透系数接近于0；车辙深度增加时，车辙位置能够承受的极限降雨强度逐渐降低，车道数增多，也会使最外侧车道右轮迹带位置的极限降雨强度承受能力降低；但是，即使多孔沥青路面产生10mm以上车辙时，仍能满足承受大雨强度标准。该研究明确了车辙对多孔沥青路面排水性能的影响规律，并为多孔沥青路面车辙养护标准的确立提供了研究基础。

关键词

道路工程 | 多孔沥青路面 | 排水性能 | 径流模型 | 车辙变形 | 空隙率

多孔沥青路面，又称排水沥青路面，指压实后空隙率在20%左右，能够在混合料内部形成排水通道的沥青混凝土面层。排水沥青路面具有排水、抗滑的安全特性以及降低轮胎-路面噪声的环保性能，在欧美、日本等国家和地区已作为一种常规的路面结构形式进行应用[1-3]。中国近年来对多孔沥青路面的研究和推广工作逐渐加强，截至2017年底，中国新建及养护工程中应用排水沥青路面总里程达300km。密级配路面在车辆荷载长期作用下产生车辙时，雨天车辙槽内易积水形成水膜，影响雨天行车安全。多孔沥青路面由于其大孔隙特征，雨水在路面孔隙内可以快速消散，即使发生一定车辙时，雨水也能够渗入表面空隙并排出，避免了密级配轻微车辙也可能发生水滑的危险性。因此，在多孔沥青路面养护中，考虑可适当提高其对车辙深度的容许值，而对于车辙容许值的确定，需开展路面实际车辙对多孔沥青路面排水性能的影响研究。

多孔沥青路面具有大空隙骨架结构，对车辙具有良好抵抗性能，目前在欧美国家和地区已不把车辙作为多孔沥青路面的主要病害，因此相关的研究较少。日本多孔沥青路面体系跟中国相近，都采用以高黏度改性沥青作为多孔沥青路面的胶结材料[4]，且日本跟中国的温度、气候更为接近。因此，对于多孔沥青路面的车辙性能研究，参考了较多的日本前期的相关工作。Takahashi对日本多孔沥青路面的长期使用性能进行了归纳总结，结果显示多孔沥青路面车辙几乎是常规密实路面的一半[5]。Kondo等采用车辙试验仪，对比了多孔沥青路面与密级配路面的车辙深度，结果表明多孔沥青路面车辙整体发展缓慢，最大车辙仅相当于密级配路面的六分之一左右[6]。Moriyoshi等指出，使用了7年的多孔沥青路面并未出现明显的车辙病害[7-8]。由以上研究可以看到，多孔沥青路面总体车辙较小，且发展速率远低于密级配路面结构。Wang等对多层多孔沥青路面的抗车辙性能进行了试验和模拟分析，研究认为单层排水沥青路面的车辙抵抗力最好，适于重载交通路段应用[9]。Imaninasab等采用有限元方法，对橡胶沥青体系多孔沥青路面的车辙变形进行了模拟，研究表明，随着胶粉用量的提高，车辙最高可降低60%[10]。在多孔沥青混合料抗车辙性能提升方面，Luo等通过采用环氧沥青提高胶结料的强度和黏度，以满足特殊路段(桥面、交叉口等)的使用需求[11]。蒋玮等通过混合料级配优化的方式提高多孔路面的抗车辙性能[12-13]。由上述分析可知，目前国内外研究主要针对多孔沥青路面的抗车辙性能，并提出采用特种胶结料或级配优化等提升其抗车辙能力。

关于多孔沥青路面的雨天排水性能，国内外学者已取得较多成果。在早期研究中，建立了多孔沥青路面的路表水膜模型。在同等降雨条件下，由于多孔沥青路面的渗透性能和表观构造深度，使路表水膜远低于密级配路面[1，14]。蒋甫对多孔沥青路面进行了现场检测，拟合了渗水系数与空隙率变化的关系[15]。佘金波等采用多孔介质的水文计算公式，对排水沥青路面路表径流的产生条件进行了分析[16-17]。李辉采用水势云图的分析方法，对多孔沥青路面排水范围内的水流深度进行了模拟[18]。陈泽孔通过室内降雨模拟试验段，对多车道多孔沥青路面的排水效果进行了观测和验证，并对多车道排水系统设计提出建议[19]。以上分析主要针对多孔沥青路面在表面无损的状况下的排水性能，并未涉及路面车辙变形的影响。

在现有研究中，马涛等采用离散元的方法，模拟了车辙变形对空隙率的影响，但没有与路面的排水性能建立直接联系[20-21]。陈俊等通过室内横向渗水试验观测了不同车辙深度对横向渗透系数的影响规律，但其研究只针对排水层，未考虑路面中、下面层变形对整体车辙和排水性能的影响[22]。

本文针对中国高速公路多孔沥青路面实际的层状体结构形式，采用中国常用的高黏度改性沥青体系多孔沥青材料开展分析。首先对多孔沥青路面的车辙变形与空隙率的关系进行了试验观测；又通过对实际路面的检测和有限元模拟，分析了不同沥青层位对总体车辙的影响；最后利用路表径流模型分析了车辙位置产生径流的条件。通过研究，明确了车辙对多孔沥青路面排水性能的影响规律，为多孔沥青路面车辙容许值的确立和路面车辙养护指标的提出提供了研究基础。

1.1空隙率变化率计算方法

如前所述，车辙变形会引起路表空隙压密，导致路面渗水性能下降，但对于车辙引起的空隙率下降程度尚缺少定量分析，特别是对于采用高黏度改性沥青体系的多孔沥青路面。车辙变形与空隙率变化的关系可能存在2种形式：车辙变形全部来自于空隙的压缩；车辙变形来自于空隙压缩和骨料、砂浆的流变。将2种情况下的空隙与石料、砂浆比例等效为二维图形，如图1所示。图中：L1为空隙等效厚度；L2为石料、砂浆等效厚度；δ为车辙变形；δ1为空隙变形；δ2为石料、砂浆变形。

对于图1(a)，空隙率变化率CVa如式(1)所示；对于图1(b)，空隙率变化率CVb如式(2)所示。

首先通过室内试验研究观测多孔沥青路面的车辙变形与空隙率变化的规律。采用标准车辙试验仪，在60℃条件下对车辙板试件施加0.7MPa荷载并反复作用，同时自动记录不同轴次下的车辙值。制备PAC-13(最大公称粒径13.2mm)多孔沥青车辙板试件，胶结料为SBS改性沥青，采用干法投放高黏度改性添加剂(HVA)，SBS改性沥青与HVA添加剂的质量比例为92∶8，高黏度改性沥青60℃动力黏度控制标准为不低于200kPa.s，粗集料采用玄武岩，压碎值为12%，软石含量(质量分数，下同)为0.2%，5~10、10~15mm集料针片状含量分别为8.8%和4.6%，设计空隙率为20%。

试验分别检测1、2、4、8、24h的车辙变形量，如图2所示。并取芯检测车辙轮迹位置及非轮迹位置的空隙率，用以比较分析空隙率与车辙变形量之间的关系。车辙连续加载24h变形曲线如图3所示，不同加载时间的空隙率变化率如图4所示，其中空隙率变化率为加载试验后与试件原始空隙率之比。由图3可知，加载的前30min，多孔沥青混合料变形率较大，呈迅速发展趋势，即多孔沥青路面进一步压密。随后变形趋势稳定，4~24h时，总变形量小于1mm。经24h加载，多孔沥青路面总变形量为4.23mm，车辙深度为4.5mm，总变形率为总变形量与试件厚度(50mm)之比，达84.6%。图3中，随着加载时间延长，空隙率变化并未呈现明显的规律性，这主要与不同板件之间的结构差异有关。加载1h之后，空隙率基本稳定在初始值的90%左右，最终空隙率衰减为初始值的88.8%。由此可见，空隙率衰减的比例略高于车辙变形量占原路面厚度的比例，或者认为二者的比例基本相当。根据等效厚度推算，车辙变形主要为图1(b)所示工况，即车辙变形空间来自于空隙压缩及石料、砂浆流动。

2.1多孔沥青路面车辙变形形式

2.2多孔沥青路面车辙变形的现场观测

为真实反映多孔沥青路面在使用过程中车辙变化情况，对实际工程的多孔沥青路面车辙变形进行了观测分析。江苏沿海高速G15多孔沥青路面修建于2005年[23]，营运已有12年之久，为多孔沥青路面长期观测提供了大量数据。沿海高速公路2017年车辙检测结果如图6所示。由图6可见：沿海高速公路运营12年后，其车辙总体状况仍良好；第3车道部分路面车辙深度相对较大(＞10mm)，平均值约为6.7mm。第1、2车道车辙深度基本在6mm以下，本试验段中没有出现大于12mm的情况。

对沿海高速公路典型断面右轮迹带车辙位置进行钻芯取样，测量各芯样上、中面层厚度，由于下面层在使用中对表面车辙的贡献较小，因此本文未考虑。根据原路面设计厚度及应急车道厚度检测值计算各层位厚度参照值，计算结果为：上面层厚度参照值h1＝40mm，中面层厚度参照值h2＝58mm。

根据芯样厚度测量结果及参照厚度值，计算各断面层位变形量贡献值及总体相对变形量。取样位置为行车道右轮迹带，计算结果如表1所示。根据表1可知：芯样位置各层位的总变形量小于现场检测的车辙深度，这是由于检测数据为整个路面断面的车辙深度评价，计算结果包括路面自身变形以及车辙两端隆起变形，因此现场车辙深度检测结果大于所取芯样厚度变形量；车辙深度小于7mm时，芯样变形量为3~5mm，排水层变形量为1~2mm；车辙深度大于9mm时其变形量达到4~5mm。由此可见，多孔沥青路面在长期使用过程中的车辙变形主要为上、中面层共同变形引起的。对于排水层的变形，也有路面在使用过程中因表面磨损和细集料剥离造成的厚度值降低，因此认为，排水层的实际变形应不大于表1中数值。

2.3多孔沥青路面车辙变形模拟

根据中国常用多孔沥青路面结构，本文模拟分析的路面结构为：4cm上面层多孔沥青面层PAC-13＋6cm中面层AC-20＋8cm下面层AC-25。上面层采用高黏度改性沥青，中面层采用SBS改性沥青，下面层采用ＡH-70沥青。由于沥青路面车辙主要发生在高温季节，单车道设计当量轴载作用次数(equivalent single axle load，ESAL)为2000万计算，高温当量ESAL约占总量的10%，即200万。为简化有限元模拟计算，高温车辙模拟分析仅考虑200万高温荷载作用，但其等效于正常使用16年过程中2000万ESAL。

蠕变模型参数A、m、n通过室内静态或动态蠕变试验进行求解。对多孔沥青混合料PAC-13及密级配AC-20、AC-25混合料开展不同温度下的8h车辙试验，通过对车辙试验结果进行多变量线性回归分析，得到沥青混合料的蠕变模型参数值，如表2所示。

3.1渗透系数

3.2路表径流模拟分析

多孔沥青路面在暴雨下产生径流有2种可能：当暴雨强度大于瞬时渗透速率时；在排水面层内蓄水饱和后排水速率小于降雨强度时。下文分别讨论多孔沥青路面在发生车辙变形时，对这2种径流产生的影响。

3.2.1模型参数取值

本文以常用PAC-13型多孔沥青混合料作为研究对象，多孔沥青层初始厚度设为40mm，空隙率为20%。根据本文相关研究成果计算模型参数，并作以下假设：①有效排水厚度为初始厚度与车辙深度的差值；②排水层变形按式(3)车辙预估模型进行计算，同时为保证变形量与实际路面相近，人为增加不利因素，即将排水层变形设为预估值的2倍，并在中、下面层变形中减去排水层相应的增量，从而保持总变形与预估值相同；③假定空隙率变化率与车辙变形比例相同，从而计算不同车辙变形对应的排水层空隙率；④根据图9中的回归模型，通过排水层空隙率计算竖向和横向渗透系数；⑤未考虑路面隆起对车辙变形的影响，但本文以路面变形值作为车辙值进行分析，条件更为不利。本文以常用PAC-13型多孔沥青混合料作为研究对象，多孔沥青层初始厚度设为40mm，空隙率为20%，由此确定不同车辙变形下各个参数取值如表3所示。

3.2.2竖向渗水影响

由现有研究可知[17]，降雨强度为100mm/h时，只要竖向渗透系数大于0.02cm/s，就能保证雨水迅速下渗。根据图9(a)，对于多孔沥青路面，只要保持空隙率在15%以上，就具有良好的竖向渗水功能。因此，车辙对竖向渗水的影响可以忽略不计。

3.2.3横向排水影响

多孔沥青路面车辙最严重位置一般为最右侧车道右轮迹带位置，因此，研究中以最外侧轮迹带车辙为观测对象。并将车辙位置处排水层的有效厚度等效为路面厚度。

在无明显表面径流的情况下所容许的极限降雨强度与多孔路面渗透系数、坡长、厚度等之间的关系，根据此关系式可以初步判定在给定的降雨强度下，是否会产生明显的地表径流[16]，即

分别针对双向四车道、六车道2种情况计算车辙位置的极限降雨强度，设车辙最深处位于排水路径长度7.5、11.25ｍ的位置，系数Ｋ取值根据不同车辙深度。不同车辙位置承受的极限降雨强度计算结果如表4所示。降雨强度标准参见表5。由计算结果可知，随着路面车辙深度增长，多孔沥青路面车辙位置能够承受的极限降雨强度逐渐降低；车道数的增多，也会使最外侧车道右轮迹带位置的极限暴雨承受能力降低。但是，即便多孔路面产生10mm以上车辙，无论是双向四车道还是六车道路面，仍能承受大雨强度标准的降雨。同时，由于多孔沥青路面在发生车辙时，仍具有较高的连通空隙率，车辆行驶时，车辙槽内的水膜能够被轮胎压入排水层的空隙，从而降低发生水滑的可能性，加之多孔沥青路面具有较大的构造深度，能够降低路表水膜厚度，同时增强了路面抗滑性能。通过增加路面空隙率和排水层厚度，也会降低车辙对排水性能的影响。

在公路排水设计时，应根据《公路排水设计规范》(JTG/T D33-2012)中的标准降雨强度进行重现期5年，降雨历时为30min降雨强度的验算。当发生较大强度的集中降雨时，超过表4中所示车辙位置能够承受的极限降雨强度时，排水沥青路面车辙位置将出现积水。

(1)多孔沥青路面空隙率与车辙变形量关系研究表明，空隙率衰减的比例与车辙变形量占原路面厚度的比例基本相当；车辙变形空间来自于空隙压缩及石料、砂浆流动。

(2)多孔沥青路面结构在长期交通荷载作用下，中面层变形发展较快，为车辙产生的主要层位，多孔沥青上面层在经过早期压密阶段后，车辙变形稳定，总变形量较小。

(3)车辙变形对多孔沥青路面竖向渗水的影响较小；随着路面车辙变形的增长，多孔沥青路面车辙位置能够承受的极限降雨强度逐渐降低；车道数的增多，也会使最外侧车道右轮迹带位置的极限暴雨承受能力降低。但是，即使多孔路面产生10mm以上车辙深度时，无论是双向四车道还是六车道路面，仍能承受大雨强度标准的降雨。多孔沥青路面总体安全特性较好。

(4)下一步将通过增加排水层空隙率和厚度的方法，降低车辙对多孔沥青路面排水的不利影响，并针对不同地区降雨量及交通荷载情况，优化多孔沥青路面的排水层结构设计；开展车辙位置出现积水后对行车安全的影响研究，为完善车辙病害处治提供依据。