溫度和荷載對瀝青鋪裝層車轍形成的影響

王海玲

（通遼市交通工程局，通遼028000）

瀝青鋪裝層是由瀝青混合料鋪筑而成的層狀結構，是一種具有明顯感溫性和流變特性的典型粘彈塑性材料［1］。在瀝青鋪裝層的所有損害類型當中，與開裂、泛油、水損害等其他路面病害相比，車轍的危害性更大。車轍也是我國公路瀝青路面現階段遇到的問題中最突出，危害最大的損壞類型之一。車轍極大地影響了道路的使用壽命和行車安全性［2，3］，主要表現在：車轍會降低路面的平整度，并使輪胎與路面接觸部位的瀝青層變薄，使路面結構的整體強度降低，并誘發其它路面病害，影響行車穩定性，容易引發交通事故［4］。車轍主要是由荷載在高溫環境下持續作用形成的［5］，因此有必要通過不同溫度和不同荷載作用下瀝青鋪裝層的應力分布情況研究車轍形成過程，并分析瀝青路面各面層材料的受力情況，揭示各面層的具體受力形態。

1 實 驗

材料參數見表1。根據工程實際選取五層結構作為路面結構，采用ABAQUS使用3m×3m的2D模型對路面結構層進行力學分析。有限元分析過程中假設瀝青面層材料為彈性材料，實驗溫度分別為20℃、40℃和60℃，實驗荷載選用等效矩形荷載如圖1所示，實驗荷載分別為0.7MPa、0.9MPa和1.1MPa。

表1 路面結構層彈性參數取值

2 結果與討論

如圖2所示，采用各向同性彈性材料假設時，瀝青上面層荷載區域會出現應力集中現象，荷載部分區域會出現應力峰值，即此區域為應力集中最為嚴重的區域（凹形，壓應力集中），而荷載外部基本上都會是拉應力作用區域。在各向同性彈性材料假設模擬過程中，水穩基層和土基接觸區域拉應力明顯，會造成凸形車轍。車轍產生的區域為面層0～12cm深度范圍內［1］。按照實驗假設，車轍主要出現在路面結構層的上面層，中面層也會有一小部分。路面面層結構內部最大剪應力沿道路深度方向均由壓應力變為剪應力直至消失，即都表現為先增大后減小，長安大學的研究成果也證實了這一點［1］。

基于以上實驗事實，分析20℃、40℃和60℃時上面層瀝青混合料的應力分布。研究表明：20℃時的上面層應力明顯小于40℃和60℃，40℃和60℃應力分布相差不大且荷載作用區域為應力峰值區域，兩荷載作用中間區域應力稍小，與荷載作用區應力形成凹陷形狀（如圖3（a）括弧區域）。橫向應力分布呈W字母形狀，這也很好的驗證了道路車轍大多數呈W字母狀。由圖3（a）可知，路表溫度越高，上面層同一深度處最大應力越大，且上面層最大應力峰值也越大。不同荷載作用時上面層瀝青混合料受力趨勢基本相同，但荷載越大，上面層瀝青混合料應力越大。荷載對車轍的影響最為嚴重，荷載增大，上面層應力明顯增大，而且增大趨勢更加大如圖3（b），這也說明超載會造成嚴重的車轍問題。

由圖4可知，瀝青上、中、下面層和水穩基層在60℃標準荷載作用下應力分布情況。圖4（a）表明瀝青混凝土上面層荷載作用區域應力最大，應力分布最為復雜，不同作用點的應力變化幅度也較大；中面層和下面層應力分布差異不明顯，曲線呈重疊狀態，這說明荷載作用傳遞力學變化到中面層已經停止，才會使中面層和下面層應力分布幾乎沒有變化；水穩基層應力分布變化不大，與中、下面層應力分布趨勢相似，只是荷載作用區域和路面邊界區域應力有所減小而已；荷載作用下路面結構的最大應力出現在上面層，沿道路深度方向最大應力逐漸減小，面層變化較大，基層變化幅度較小，變化幅度沿著路面深度方向逐漸減小。圖4（b）表明上面層、中面層和下面層主要受壓應力控制，水穩基層則主要受拉應力控制，且上面層、中面層和下面層荷載作用區域的最大主拉應力為零，由荷載作用區域向兩側拉應力逐漸增大；水穩基層則恰恰相反，荷載作用區域主要受拉應力，荷載兩側區域則主要受壓應力。

3 結 論

采用ABAQUS有限元軟件對路面結構層進行力學分析，得出如下結論：路表溫度越高，上面層同一深度處應力越大，且上面層最大應力峰值也越大。不同荷載作用時上面層瀝青混合料受力趨勢基本相同，但荷載越大，上面層瀝青混合料應力越大。上面層、中面層和下面層主要受壓應力控制，水穩基層則主要受拉應力控制。

［1］ 郭 超.瀝青路面車轍域及抗車轍技術研究［D］.長安大學，2013.

［2］ 鄭南翔，牛思勝，許新權.重載瀝青路面車轍預估的溫度－軸載－軸次模型［J］.中國公路學報，2009，22（3）：7－13.

［3］ Ji Xiaoping，Zheng Nanxiang，Hou Yueqin，et al.Application of Asphalt Mixture Shear Strength to Evaluate Pavement Rutting with Accelerated Loading Facility（ALF）［J］.Construction and Building Materials，2013，41：1－8.

［4］ 謝來斌.基于溫度場和動態模量的瀝青混合料車轍預估模型研究［D］.西安建筑科技大學，2013.

［5］ Li Qiang，Ni Fujian，Gao Lei，et al.Evaluating the Rutting Resistance of Asphalt Mixtures Using an Advanced Repeated Load Permanent Deformation Test under Field Conditions［J］.Construction and Building Materials，2014，61：241－251.

［6］ 廖公云.ABAQUS軟件在道路工程中的應用［M］.南京：東南大學出版社，2007.