車輛動荷載作用下對瀝青路面的衰變規律研究

潘 杰

車輛動荷載作用下對瀝青路面的衰變規律研究

潘 杰

潘 杰

新鄉市公路管理局

潘杰，女，1981.09.07，新鄉市公路管理局，現任交通類工程師，主要從事公路工程、監理、試驗等方面工作。

隨著高等級公路施工技術的不斷發展，瀝青路面衰變研究也取得了一定成效。本文將從不平整度研究入手，借助于4自由度的1/2車輛振動模型，結合車輛振動理論與系統動力學知識來進行瀝青路面動載荷衰變研究。考慮到實際公路荷載與環境的綜合影響，采用Shell永久變形理論進行修正，從而計算并得出瀝青路面在動荷載作用下產生形變的衰變規律。通過對某公路路面平整度檢測，參考相關質量規范及要求，結果表明，該方法不僅能夠較好地計算和預測出瀝青路面的使用壽命，還能夠從路面使用品質及評價中為制定費用-效益最佳養護方案提供技術依據。

公路施工技術及檢測技術的不斷發展，對于瀝青路面的施工及養護工作帶來了技術支撐，并取得了長足可喜的研究成果。隨著新技術、新工藝、新設備的不斷投入，一方面增強瀝青路面的使用壽命，另一方面也給整個瀝青公路施工質量控制提供了參考依據。本文將從車輛動荷載作用機理研究入手，對瀝青路面的永久變形及平整度衰減問題展開研究，采用車輛振動理論和系統動力學知識，來探討動荷載作用下的瀝青路面的形變規律及影響因素。由于在實際公路施工及管養過程中，對于公路環境復雜性影響采用Shell永久形變修正，以得出瀝青路面實際使用壽命。在傳統瀝青路面衰變規律研究中，多以車輛動力學為基礎，針對路面平順性問題進行研究，以隨機分布的外界激勵措施來得出路面的影響因素，而本文將從路面受力分析上，以車輛的動荷載作用為主，綜合考慮瀝青路面使用過程中的性能變化的關系，采用正弦波形函數來計算不平整度，采用4自由度的1/2車輛模型來分析車輛的動態荷載，初步建立了動荷載作用下的瀝青路面剩余壽命計算與預估的方法，為瀝青公路路面結構設計及后期養護管理提供科學參考依據。

1 瀝青路面不平整度計算模型

對于路面的不平整度的計算，主要是針對路面基準平面，依據M W Sayers理論來計算器偏離值的方法。假設其函數表示為：q（x）=Asin（ωx），對于函數q表示為路面縱向高程，對于A表示為波形振幅，對于x表示為水平位移量，其中x=vt，式中v表示為車輛的速度，t表示為車輛的行駛時間，式中的ω表示為角頻率，也就是說角頻率ω=2π/λ。在連續式平整度儀的測量中，其基準長度為3m，其輪距為e=1.5m，為了能夠從更長的路面范圍內進行準確的平整度測量，本例選擇1km為計算區間，并對每一Xn定義為10cm，則得到一個N為10000的平整度測量模型，其仿真計算模型如下：

由此可知，結合對公路瀝青路面進行實測，并結合模擬的正弦函數進行平整度均值，以及平整度標準差計算，可以得出瀝青路面的平整度均值Y，代入路面波長λ，利用Matlab編程方法得出路面的波形函數振幅A，再借助于模擬仿真函數Y，計算出實際平整度。

2 基于4自由度的1/2車輛振動模型

利用系統動力學及車輛振動原理，在對車輛動載荷模型的構造中，以簡化的4自由度模型為基本，可以得出系統動力學方程為：MZ+CZ+KZ=Q（t）。式中的M表示為由于在動荷載作用下，車輛各軸的荷載又分別有軸簧和輪胎支撐，m表示為軸簧質量，m1f、m1r表示為前后軸軸簧質量，k1f、k1r表示為前后輪胎剛度，k2f、k2r表示為前后懸架剛度，c1f、c1r表示為前后輪胎的阻尼值，c2f、c2r表示為前后懸架的阻尼值，a、b表示為前后軸到質心的距離，z1f、z1r表示為前后軸的非簧載位移，θ為車身俯仰角，Jc為車身轉動慣量。

3 基于車輛動載荷下瀝青路面衰減評估

在對瀝青路面進行動載荷條件下衰減規律分析中，主要從以下幾個指標來著手。一是對于路面平整度模型的測算，以瀝青路面平整度模型來進行實測，構建波形函數q0（x）=A0sin（ωx），結合車輛動載荷計算模型，來計算出車輛對瀝青路面的影響指標值Pf和Pr。通過分析來看，對于路面永久變形的計算通常有三種：即經驗法、半理論半經驗和理論法。對于理論法由于其通用性強，計算精度較高而廣為應用。如利用彈性層狀體系理論來計算路面的應力情況，并從瀝青混合料的永久形變與應力關系上來得出變形特征。為了突出瀝青路面實際荷載及周邊自然環境的影響，通常需要借助于Shell法來進行優化，以年為單位來分析交通增長量與路面變形的關系，從而得出實際測量值。瀝青路面在動載荷條件下所形成的形變特征，以波形路面為常見，各路面點所承載的載荷也不同，在縱向截面上也會出現不同的永久形變，從而加劇了瀝青路面的不平整度。我們從不平整度模型的波形函數中可知，當經過1a變化后，對應的Xn處將得到一個變形值ΔH（Xn），則其波形函數為q1（Xn）=Asin（ωx）-ΔH（Xn），根據平整度檢測儀可以進一步得到偏移量Δi，即Δi=q（Xi）- ?［q（xi- e）+q（xi+3）］。從而可以得出經過1a后瀝青路面的平整度的均值及標準值，隨著公路使用年限的增加，逐步形成路面在動載荷條件下的衰變規律。

4 以某高等級公路為例來計算衰變規律

通過對瀝青路面在動載荷條件下的變形特征的計算，可以從其永久變形及波形函數中獲得路面的實際不平整度值，進而來為路面的整修提供科學參考依據。本例以某高等級公路進行實測分析，并通過計算來得出瀝青路面的變形規律和預估使用壽命。路面結構如下：上層為4cm中粒式瀝青混凝土；下層為8cm粗粒式瀝青混凝土；基層為20cm二灰碎石層；底基層為22cm二灰層。以路表彎沉來測算其彈性模量為91.638MPa，實測平均值為1.4320mm，平整度標準差為0.3220，日車道通過軸數為2114.3，選取車輛作用時間t0=0.015s，車速v=20m/s，λ值為7m，則可以得出路面的總荷載P，

依據Matlab可以得出路面平整度標準差及幅值變化規律。根據瀝青路面衰減規律，其臨界平整度幅值為3cm，而只有路面波形幅值小于3cm時才會影響到使用壽命，一旦超過3cm則可知路面結構已損壞，需要翻修或改建。通過對實例路面數據進行分析與計算，得出該路段剩余使用壽命為13a，該路面平整度標準差及波形函數幅值隨著使用年份的增長而衰減變化具有一致性，初期衰減差值較小，呈現線性平緩狀態，隨著使用年限的不斷延長，當標準差和波形振幅超過某一范圍值時，其平整度標準差迅速加大，呈現陡峭增長趨勢，說明該路面進入翻修或改建期。同時，由于瀝青路面初期養護管理工作量較少，但也應該給予必要的重視，特別是當路面平整度標準差σ≤1.0，路面振幅A≤5.0mm時，瀝青路面變形衰減較為緩慢，可以為路面管養提供參考依據。

5 結語

當前瀝青公路建設進程發展迅速，而積極從公路動載荷下進行路面衰減分析，對于提高瀝青公路的使用效率及管養水平意義重大。在動載荷條件下瀝青路面的變形與平整度衰減規律的計算，可以從路面載荷及環境變化的綜合分析中，采用簡化4自由度1/2車輛振動模型，運用系統動力學理論來進行求解與分析，從而更為準確地反映瀝青路面在不同使用年限內的衰減變化規律。需要強調的是，對于瀝青路面不平整度檢測來說，由于路面實測數據，特別是交通量狀況、地理氣候環境等資料的差異性，對于條件假設及動載荷計算需要進行必要的修正，從而優化路面不平整度模型，為得出更為符合實際路面的檢測結果提供科學參考。

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.02.059