基于RIOHTrack足尺环道全寿命周期试验的沥青路面车辙变形长期演化行为研究

作者及机构
本研究由交通运输部公路科学研究院的周兴业（第一作者，研究员，工学博士）、王旭东（通讯作者，研究员，博士生导师）、单伶燕、谢国瑞共同完成，成果发表于《中国公路学报》（China J. Highw. Transp.）2023年第36卷第12期。研究依托交通运输部公路科学研究院北京大杜社公路材料腐蚀与工程安全国家野外科学观测研究站的RIOHTrack足尺环道试验平台。

学术背景
沥青路面车辙变形是评价路面长期服役性能的关键指标，直接影响行车安全与养护决策。然而，传统加速加载试验（如ALF、MLS、HVS等）受限于加载次数（通常仅百万次级）、单一环境模拟及简化荷载条件，难以覆盖全寿命周期（中国规范要求高速公路设计寿命为15年，对应5000万次标准轴载）。为此，本研究通过RIOHTrack足尺环道模拟真实环境与荷载条件，旨在揭示沥青路面在8000万次累计标准轴载下的车辙长期演化规律，为长寿命路面设计提供理论依据。

研究流程与方法
1. 试验设计
- 试验平台：RIOHTrack环道全长2038米，含直线段与缓和曲线段，铺设19种沥青路面结构（编号STR1-STR19），按基层类型分为7类（如半刚性基层、刚性复合基层、全厚式结构等），土基模量统一为40 MPa。
- 加载模式：2016-2018年采用4辆三轴货车（轴载8-16吨），2019年后升级为6辆六轴货车（轴载7-18吨），车速50-60 km/h，累计标准轴次通过公式（1）换算。
- 数据采集：每20,000-30,000 km为一个加载周期，采用激光车辙仪（JTGE 3450-T0973—2019）测量轮迹带车辙深度（RD），每10 m设观测断面，取6次平行试验均值。

1. 关键分析内容
   
   • 车辙演化规律：结合环境温度数据，分析年周期性波动特征。
     
   • 结构差异性：对比不同基层强度（如STR7与STR8）、沥青层厚度（12-52 cm）对车辙的影响。
     
   • 层位贡献率：通过钻芯取样测量各沥青层厚度变化，计算上面层、中下面层对车辙的贡献率。
     
   • 线形影响：对比直线段与缓和曲线段车辙差异。
     
   • 模型构建：采用三次曲线拟合车辙演化过程，识别拐点并预估寿命。
     

主要结果
1. 车辙波动性增长
车辙呈现“夏季峰值-冬季回落”的年周期波动（图3），如2017-2022年每年夏季车辙达最大值，冬季降低。表明车辙是荷载与环境温度耦合作用的结果，冬季低温下沥青混合料收缩差异导致车辙部分恢复。

1. 结构差异性显著

   • 刚性复合基层（第2类）车辙比半刚性基层（第1类）平均减小18.1%（图4a）。
     
   • 沥青层厚度（h）与单位车辙深度（δRD）呈指数关系（δRD=ae^bh，R²>0.84，表1），薄层结构（12 cm）上面层贡献率达80%，随厚度增加中下面层贡献率上升（图8）。
     

2. 线形影响
   直线段车辙深度显著高于缓和曲线段（图9），因曲线段荷载分解为垂直与径向分量，垂直压密变形减小。

3. 演化模型与拐点
   车辙演化符合三次曲线模型（式7），存在2个拐点（表2）：第1拐点对应256万次轴载（对数6.41），第2拐点对应2892万次（对数7.46），标志车辙进入新阶段。

4. 寿命预估
   以规范容许车辙深度（10-15 mm）为临界值，预估不同结构寿命（表3）。如第2类结构在10 mm车辙要求下寿命达1707万次（可靠度50%），显著优于第4类倒装式结构（577万次）。

结论与价值
1. 科学价值
- 首次通过足尺试验揭示沥青路面车辙在全寿命周期内的非单调增长规律及温度-荷载耦合机制。
- 提出基于层位贡献率的车辙控制策略，为优化沥青层厚度设计提供依据。

1. 应用价值
   
   • 车辙演化模型可指导养护决策，如拐点对应轴载次数可作为预防性养护时机参考。
     
   • 刚性基层结构的高抗车辙性能验证其在重载交通中的适用性。
     

研究亮点
1. 方法创新：利用RIOHTrack实现真实环境与整车荷载下的全寿命周期模拟，克服传统APT设备的局限性。
2. 发现拐点：首次量化车辙演化的两阶段拐点，为长寿命设计提供临界判据。
3. 工程指导性：明确薄沥青层上面层是车辙控制关键，支撑“强基薄面”设计理念。

其他发现
- 芯样分析显示，沥青层厚度>36 cm时中面层贡献率超过上面层（图7），挑战了传统认为上面层主导车辙的认知。
- 缓和曲线段车辙形态更接近水平推移（图9），需针对性优化材料抗剪切性能。

本研究为沥青路面长寿命设计奠定了试验与理论基础，后续将结合环道持续加载数据进一步探究车辙失效机理与临界判据。