关键词：沥青路面；结构组合；应力；车辙

1 影响车辙的主要应力

2. 1 结构选取

笔者按刚度从大到小选取 4 种沥青路面结构，结构 1 为典型“白＋黑”路面结构，结构 2 为典型半刚性基层沥青路面结构，结构 3 和结构 4 为典型复合式基层沥青路面结构。 沥青路面结构见表 1。

2. 2 模型假设

沥青路面设计理论采用双圆垂直均布荷载作用下的多层弹性层状体系理论［3］，笔者对各结构层作如下假定［4］：1）各结构层为均匀、连续、各向同性的弹性体；2）各结构层层间竖向位移和水平位移均连续；3）基础底面各向位移为零，基础结构和路面结构侧面水平方向位移为零；4）不计沥青路面结构的自重影响。

2. 3 计算参数

模拟行车荷载轮压为 0.7MPa，接触面积为360cm2，双轮间距为 31.95 cm，两侧轮隙间距为 180 cm，各结构层计算参数［5-6］见表 2。

3. 1 垂直压应力

通过有限元计算分析，在恒定荷载作用下，不同沥青路面结构压应力计算结果见表 3，不同沥青路面结构压应力随深度变化曲线如图 1 所示，沥青路面结构平均压应力与沥青层厚度关系曲线如图 2 所示，沥青路面结构预估车辙深度与沥青层厚度关系曲线如图 3 所示。

从表 3 和图 1～3 可以看出：

1）不同沥青路面结构的压应力均随深度的增大逐渐减小；当深度相同时，接近路表处压应力随深度的增大下降幅度略大，远离路表处压应力随深度的增大下降幅度有所降低。

2）不同沥青路面结构压应力水平与总体刚度相关，总体刚度越大，沥青层越薄，同一深度处压应力越大；总体刚度越小，沥青层越厚，同一深度处压应力越小。 增加沥青层厚度，使得沥青路面偏柔性，可以降低沥青层的压应力水平。

3）尽管沥青层越薄沥青路面结构的平均压应力水平越高，但压密型车辙不仅与沥青层平均压应力值有关，还与沥青层厚度相关，是两个因素综合影响的结果。 当沥青层厚度为 10 cm 时，平均压应力为0.573 MPa，预估车辙深度为 0.287 cm；当沥青层厚度为 30 cm 时，平均压应力为 0.330 MPa，预估车辙深度为 0.495 cm。 随着沥青层厚度的增加，平均压应力减小，而预估车辙深度增大。 沥青层厚度增加对车辙的影响作用大于应力水平降低对车辙的影响作用，即对于压密型车辙，沥青层越厚车辙深度越大。

4）压密型车辙主要发生在沥青路面上中面层，即路面深度为 10 cm 范围。当沥青层较厚时，其对车辙的影响作用也在减弱，并逐步趋于收敛。 例如，结构 2 的沥青层厚度为结构 1 的 1.8 倍，结构 2 的预估车辙深度为结构 1 的 1.460 倍，即沥青层厚度每增加10.00%，预估车辙深度就增加 5.75%；结构 4 的沥青层厚度为结构 1 的 3.0 倍，而结构4 的预估车辙深度仅 为 结 构 1 的 1.725 倍 ， 即 沥 青 层 厚 度 每 增 加10.00%，预估车辙深度仅增加 3.63%。 这主要是因为随着沥青层厚度的增加，一定深度以下的结构压应力下降幅度较大，对沥青混合料的塑性变形影响作用越来越小。

3. 2 剪应力

沥青路面剪切破坏是导致沥青路面车辙的主要原因之一，根据式（2）可知，沥青路面剪切破坏主要与沥青面层的最大剪应力以及沥青混合料抗剪切强度有关［7］。 通过有限元计算分析，在恒定荷载作用下，不同沥青路面结构剪应力计算结果见表 4，不同沥青路面结构剪应力随深度变化曲线如图 4 所示。从表 4 和图 4 可以看出：

1）结构 1 沥青层厚度为 10 cm，沥青层剪应力在0.30～0.35 MPa；结构 2 沥青层厚度为 18 cm，沥青层剪应力在 0.25～0.31 MPa；结构 3 沥青层厚度为22 cm，沥青层剪应力在 0.18～0.30 MPa；结构 4 沥青层厚度为 30 cm，沥青层剪应力在 0.10～0.27 MPa。

对于沥青路面以下 10 cm 范围，结构 1 平均剪应力为 0.327 MPa，结构 2 平均剪应力为 0.298 MPa，结构 3 平均剪应力为 0.282 MPa，结构 4 平均剪应力为0.257 MPa。 由此可见，沥青层剪应力的大小与沥青路面结构组合有关，或者说与沥青路面的总体刚度有关。 沥青路面刚度越大，结构剪应力水平越高，最大剪应力越大；剪应力水平随沥青路面结构刚度的减小而下降。

2）不同沥青路面结构剪应力均随深度的增大呈先增大后减小的趋势，峰值大致出现在路面中面层上半段，约距离路面顶以下 6 cm 处。 有关研究还表明［8］：当沥青层较薄时，最大剪应力往往出现在接近大刚度结构层的沥青面层上，而当沥青层较厚时，最大剪应力往往出现在接近荷载处。

3）在深度为 10 cm 范围内，各沥青路面结构剪应力保持在较高水平，而在深度大于 18 cm 后，各沥青路面结构剪应力水平迅速下降。 例如，结构 4 在深度为 10 cm 内平均剪应力为 0.257 MPa，而在 20～30 cm 深度范围内平均剪应力为 0.129 MPa，较深度为 10 cm 平均剪应力下降约 50%。

4）在实践中，沥青路面上、中面层，即路面以下10 cm 范围往往采用改性沥青，压实度要求较高，施工控制较严格，因此其抗剪切能力相对较高，而靠近路表的剪应力较大，因此产生车辙的临界条件往往与最大剪应力相关性更高。 而沥青路面下面层，即 10～18 cm 深度范围，往往没有采用改性沥青，且粒径较大容易造成离析，抗剪切能力相对弱一些，但由于剪应力水平下降幅度并不大，剪切破坏由最大剪应力和抗剪切能力共同主导。因此，在沥青路面上、中、下面层均是发生车辙概率较高的层位。

5）当沥青层厚度进一步增加，尤其是对于沥青层较厚的纯柔性基层沥青路面结构来说，其受力模式有较明显变化，其最大剪应力相对半刚性基层沥青路面大幅降低，且增厚的沥青层置于较下的层位，由于应力扩散作用以及受力模式变化，应力水平大幅降低。例如，结构 4 在 20～30 cm 深度范围内平均剪应力相对 10～20 cm 深度范围平均剪应力下降约50%，大大降低了沥青路面结构发生剪切破坏的可能性。 因此，在沥青层较厚的路面结构中发生的车辙没有在沥青层较薄的路面结构中严重，正是由于路面结构柔性化后，剪应力水平大幅降低的缘故。

从受力角度看，车辙产生是压应力和剪应力综合作用的结果，分别导致了压密型车辙和失稳型车辙。

1）结构 1 的沥青层厚度为 10 cm，刚度也较大，往往出现在“白＋黑”工程，也与常规的桥面铺装类似。 桥面铺装的车辙通常较少，因为桥面铺装较薄，可压密变形空间相对不高，同时随着施工质量的提高和对车辆超载的限制，沥青混凝土抵抗塑性永久变形能力在不断加强［9］。 尽管桥梁段剪应力较大，但由于剪切破坏属于破坏类变形，不是累积变形，考虑到沥青路面上、中面层往往采用改性沥青，抗剪切能力较高，在粘结良好前提下并不容易发生剪切破坏。 当桥梁纵坡较大、重车较多时，剪应力水平急剧增加，有可能导致剪切破坏产生车辙。

2）结构 2 是较为常见的 3 层沥青面层的半刚性沥青路面结构，广东省高速公路路基段大多采用该结构。 相对桥面铺装，路基段车辙较为普遍主要有以下原因：沥青层厚度相对桥面铺装层厚度要大，压密变形相对显著；路基段发生剪切破坏的可能性较桥面铺装要高。 尽管沥青层厚度增加使得剪应力水平下降，但下降幅度并不大，18 cm 厚沥青层的结构 2剪应力较 10 cm 厚沥青层的结构 1 下降约 8.8%。 而在互通出入口、长大纵坡等位置往往加减速也增大了剪应力，这些路段大多位于路基段。 另外，路基段沥青层会因各种原因导致抗剪切能力下降，如半刚性基层常常发生水损害导致层间连接不连续，尤其在基层发生松散或沉陷时，接触面处剪应力会迅速加大［10］。 相关研究表明，接触面滑移状态相对连续状态剪切力增加约 70%［11］，极易超过混合料抗剪强度而失稳，形成车辙。 另外，沥青路面下面层往往没有改性，混合料的性能要求也较沥青路面上、中面层低，也导致自身的抗剪切能力偏低，增大了失稳破坏风险。 因此，在多种原因综合作用下，路基段车辙产生的概率较大，沥青层厚度为18 cm 范围是车辙发生的主要层位。

3）结构 4 的沥青层厚度达 30 cm，是偏柔性沥青路面结构，该结构与广深高速公路极为相似。 广深高速公路采用了“33 cm 沥青层＋20 cm 半刚性基层＋50 cm 级配碎石层”的组合结构［12］，自 1997 年建成通车以来，在超大交通量前提下，几乎没有太严重的车辙。 根据上述理论计算，沥青层的压应力和剪应力在 18 cm 深度范围保持较高水平，当沥青层厚度进一步增大时，应力水平下降幅度较大并保持极低水平，对沥青混合料基本没有太大影响。 另外，沥青层厚度增加后形成了 30 cm 厚的连续致密层，对半刚性基层起到了保护作用，大幅度降低了因水损害或接触面破坏导致的剪切破坏等问题。

1）沥青路面车辙主要是压应力导致沥青混合料压密变形和剪应力导致剪切破坏综合作用的结果。随着沥青混合料设计的优化以及施工质量的不断提高，压密变形对道路车辙的贡献度在逐步减小，而剪切破坏对道路车辙的贡献度在逐步增大。 剪切破坏不仅仅发生在沥青混合料内部，也可能发生在沥青路面层间接触面等薄弱面。

2）压密变形导致的车辙主要发生在沥青路面深度为 18 cm 范围。 当沥青面层厚度达 30 cm 时，路面深度 10 cm 范围压密型车辙变形量约占总变形量的60%，路面深度 18 cm 范围压密型车辙变形量约占总变形量的 85%。

3）剪切破坏导致的车辙主要发生在沥青路面深度为 18 cm 范围。对于路面深度为 10 cm 范围（上、中面层），剪应力水平较高，而实践中往往采用改性沥青混合料，抗剪切强度较高，剪切破坏的主导因素往往是最大剪应力。 对于路面深度为 10～18 cm 范围（下面层），剪应力有所降低但幅度不大（约 8.8%），由于没有采用改性沥青，且粒径较大容易造成离析，抗剪切能力相对弱一些，剪切破坏由最大剪应力和抗剪切能力共同主导。

4）不同沥青路面结构组合对路面应力的影响：压应力均随深度的增大呈线性下降趋势，刚度越大的路面结构，同深度处的压应力略大，刚度越小的路面结构，同深度处的压应力略小，但变化幅度不明显；剪应力均随深度的增大呈先增大后减小的趋势，刚度越大的路面结构，同深度处剪应力水平越大，刚度越小的路面结构，同深度处剪应力水平越小。 面层厚度为 30 cm 的半刚性基层沥青路面的最大剪应力峰值较面层厚度为 10 cm 的刚性基层沥青路面的最大剪应力峰值下降约 23%。

5）不同沥青路面结构组合对路面车辙的影响：沥青层较薄（如 10 cm）而刚度较大的路面结构，压密变形导致的车辙量相对较少，但由于剪应力水平较沥青层较厚而刚度较小的路面结构要大，当抗剪切能力不足时有可能发生剪切破坏；若沥青路面上、下面层均采用改性沥青，则其具有较强抗车辙性能，这也是桥面铺装以及水泥路面“白＋黑”一类路面车辙相对较少的原因。 沥青面层略厚（如 18 cm）且刚度略小的路面结构，由于压密变形与剪切破坏主要发生在 18 cm 深度范围，相对沥青层较薄的路面结构，车辙有增加趋势；另外，该结构为非桥梁段结构，互通出入口以及长大纵坡概率较高，由于汽车制动爬坡导致剪应力增加，车辙增加的概率大大增加，这也是在路基段看到车辙较多的原因。 沥青面层较厚（大于 22 cm）而刚度较小的路面结构，因为“偏柔”的结构使得应力水平大幅下降以及在较厚深度范围不易产生接触面破坏，无论从压密变形还是剪切破坏的发生概率均大幅降低，因此并不会较沥青层较薄时产生更多车辙。

原创作者：陈星光，广东省交通规划设计研究院集团股份有限公司，广东 广州 510440。