山區(qū)長(zhǎng)陡坡抗車轍瀝青路面結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)分析

謝 伯 川

(重慶特鋪路面工程技術(shù)有限公司，重慶　400054)

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山區(qū)長(zhǎng)陡坡抗車轍瀝青路面結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)分析

謝 伯 川

(重慶特鋪路面工程技術(shù)有限公司，重慶400054)

在分析路面車轍類型、影響因素及產(chǎn)生機(jī)理的基礎(chǔ)上，分別對(duì)不同條件下路面的應(yīng)力和變形進(jìn)行了力學(xué)分析計(jì)算，計(jì)算結(jié)果表明，路面混合料抗剪應(yīng)力偏低和永久變形較大是引起山區(qū)長(zhǎng)陡坡路段抗車轍性不足的主要原因。

長(zhǎng)陡坡，車轍，瀝青路面，力學(xué)分析

1　概述

隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，交通車輛的日益增加，加之大量貨車的超載超限，瀝青路面的車轍問題再次凸顯[1]，尤其是在山區(qū)公路的長(zhǎng)陡坡路段，這一現(xiàn)象尤為突出。車轍的出現(xiàn)，不僅影響了路面的結(jié)構(gòu)性路用性能，而且凹凸不平的路面會(huì)極大降低功能性路用性能，給行車安全帶來隱患。基于此，開展基于長(zhǎng)陡坡路段抗車轍瀝青路面的研究十分必要。

本文在分析路面車轍類型、影響因素、成因基礎(chǔ)上，采用彎沉等效原則將多層體系換算成三層體系分析了瀝青路面結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)規(guī)律，其研究結(jié)果必將對(duì)山區(qū)長(zhǎng)陡坡地段抗車轍型瀝青混合料設(shè)計(jì)起到積極的借鑒作用。

2　路面車轍分析

2.1車轍類型

根據(jù)車轍形成原因的不同，可將其分為三大類：1)失穩(wěn)型車轍；2)結(jié)構(gòu)型車轍；3)磨耗型車轍。在我國(guó)路面的車轍基本都屬于失穩(wěn)型車轍。

2.2車轍影響因素[2]

車轍是荷載條件、環(huán)境因素與瀝青混合料自身特性共同作用的結(jié)果。其中外部因素主要是交通條件、環(huán)境因素和施工控制等；內(nèi)部因素與瀝青混合料性質(zhì)有關(guān)，主要包括瀝青膠結(jié)料、礦質(zhì)集料、混合料設(shè)計(jì)以及路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方面。

2.3車轍形成機(jī)理

按照車轍的形成過程，主要分為三個(gè)階段，如圖1所示。

3　瀝青面層應(yīng)力分析

山區(qū)長(zhǎng)陡縱坡高速公路山區(qū)車轍嚴(yán)重，為研究該地區(qū)車輛對(duì)

路面車轍的影響，需要開展長(zhǎng)陡坡路段汽車行駛動(dòng)力學(xué)分析，分析不同車輛行駛速度下對(duì)瀝青面層受力及變形影響[3，4]。

3.1基本體系假設(shè)

假定面層瀝青混凝土材料的抗壓回彈模量E1=1 400 MPa；基層水泥穩(wěn)定碎石抗壓回彈模量E2=1 500 MPa；底基層級(jí)配碎石抗壓回彈模量E3=250 MPa；土基回彈模量E0=40 MPa。計(jì)算車型采用高速公路上常見的40 t載重貨車。40 t貨車按五軸后軸為三聯(lián)軸考慮，荷載圓取單圓當(dāng)量直徑0.302 m。輪胎接地壓力分兩種情況：額定載重40 t時(shí)p=0.7 MPa；超載50%載重60 t時(shí)p=0.95 MPa。按照彎沉等效原則將多層體系換算成三層體系[5]：

1)等效厚度計(jì)算。

h1=22 cm，H=H2+H3×(E3/E2)1/2.4。

h=h1=22 cm；H=36+18×(250/1 500)1/2.4=44.5 cm。

2)剪應(yīng)力和主應(yīng)力計(jì)算。

h/δ=22/10.65=2.066，H/δ=44.5/10.65=4.178。

E2/E1=1 500/1 400=1.071，E0/E2=40/1 500=0.027。

查三層體系表面最大剪應(yīng)力系數(shù)諾模圖(阻力系數(shù)f=0.3)和三層體系表面主應(yīng)力系數(shù)諾模圖(阻力系數(shù)f=0.3)，得到：

假定僅考慮“輪胎—路面”間摩擦力產(chǎn)生的水平力和重力水平分力，車輛上坡時(shí)輪胎對(duì)路面作用力系數(shù)f′=f+μ，其中，f為車輛行駛過程中與行駛速度對(duì)應(yīng)的摩擦力系數(shù)，f=W/(mg·v)，W按質(zhì)量分?jǐn)偣β?.5 kW/t取值；μ為車輛重力沿坡道的水平分力系數(shù)，μ=sini≈i，i為縱坡坡度。

按三層體系剪應(yīng)力和主應(yīng)力計(jì)算方法：

剪應(yīng)力計(jì)算：τm，f ′=τm(0.3)+1.3·(f ′-0.3)·p。

主應(yīng)力計(jì)算：σ1,f ′=σ1(0.3)+0.46·(f ′-0.3)·p。

3.2不同條件下面層的剪應(yīng)力計(jì)算

表1給出了車輛在不同行車速度、不同坡度和不同超載率下路面層產(chǎn)生的剪應(yīng)力計(jì)算結(jié)果，從數(shù)據(jù)分析看：

1)隨著行車速度降低和縱坡坡度的增加，面層剪應(yīng)力逐漸增大，但無論何種縱坡坡度，在車速大于70 km/h時(shí)，應(yīng)力變化速率明顯趨緩。因此，可將70 km/h作為分析的臨界車速。

2)對(duì)超載率0時(shí)，即使降低車速到30 km/h、縱坡坡度增加到4%，剪應(yīng)力τ=0.159 MPa，尚未達(dá)到瀝青混合料在40 ℃下混合料的容許剪應(yīng)力(一般為0.25 MPa±0.02 MPa)，但是當(dāng)速度降到10 km/h或者更低，此時(shí)即使0坡度的路面層間剪應(yīng)力也能達(dá)到或超過混合料的極限剪應(yīng)力。

3)對(duì)于超載率50%時(shí)，在速度高于30 km/h，即使坡度為4%，此時(shí)路面層間剪應(yīng)力最大為0.216 MPa，但當(dāng)速度降低到20 km/h、坡度大于1%或者速度10 km/h或更低，即使0坡度層間剪應(yīng)力都將達(dá)到或超過混合料的極限剪應(yīng)力。

3.3不同條件下面層的主應(yīng)力計(jì)算

表2給出了不同條件下路面主應(yīng)力計(jì)算結(jié)果，從表2數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)：

1)路面主應(yīng)力的變化趨勢(shì)同剪應(yīng)力變化趨勢(shì)一致，也出現(xiàn)車速大于70 km/h時(shí)，應(yīng)力變化速率明顯趨緩。因此將70 km/h作為分析的臨界車速是合理的。

2)主應(yīng)力受外界條件影響變化較少，且對(duì)預(yù)防路面車轍有利，因此在考慮路面層間應(yīng)力響應(yīng)分析時(shí)主要關(guān)注剪應(yīng)力的變化趨勢(shì)。

表2　不同條件下路面主應(yīng)力計(jì)算

4　外界條件下面層變形響應(yīng)

在重復(fù)荷載作用下，瀝青面層中產(chǎn)生彈性、塑性、粘性響應(yīng)[6]。其中，彈性變形可以恢復(fù)，彈性響應(yīng)對(duì)于路面的永久變形并無貢獻(xiàn)；塑性變形部分將在荷載的反復(fù)作用下不斷累積造成永久變形，可用蠕變模型[7]進(jìn)行表征：

對(duì)上式積分，解得永久變形ε:

依據(jù)路面加速試驗(yàn)(APT)結(jié)果對(duì)瀝青面層A取值0.84×10-5，m取值-0.5，n取值0.8，因此，上述蠕變模型可表達(dá)成如下形式：

ε=1.68×10-5σ0.8t0.5。

荷載作用時(shí)間t與車速、輪胎接地長(zhǎng)度有關(guān)，40 t貨車按五軸后軸為三聯(lián)軸考慮，荷載圓取單圓當(dāng)量直徑0.302 m。輪胎接地壓力分兩種情況：額定載重40 t時(shí)p=0.7 MPa；超載50%載重60 t時(shí)p=0.95 MPa，則不同車速下荷載作用時(shí)間及永久變形如表3所示。考慮到我國(guó)高速公路貨車運(yùn)行速度不超過100 km/h，以100 km/h行車速度下的永久變形量為參照標(biāo)準(zhǔn)，其他行車速度下永久變形量相對(duì)增加量如圖2所示。

表3　不同行駛速度作用時(shí)間及永久變形

行駛速度作用時(shí)間永久變形/mmkm/hm/ss0.7MPa0.95MPa10027.780.0111.32×10-61.68×10-69025.000.0121.39×10-61.77×10-68022.220.0141.47×10-61.88×10-67019.440.0161.57×10-62.01×10-66016.670.0181.70×10-62.17×10-65013.890.0221.86×10-62.38×10-64011.110.0272.08×10-62.66×10-6308.330.0362.40×10-63.07×10-6205.560.0542.94×10-63.76×10-6102.780.1094.16×10-65.32×10-6

從表3及圖2計(jì)算結(jié)果可以看出，隨著車速降低、荷載作用時(shí)間增加，永久變量有顯著增加，當(dāng)車速下降至70 km/h時(shí)的永久變形量相對(duì)100 km/h時(shí)增加20%左右，當(dāng)速度降低到30 km/h時(shí)，路面產(chǎn)生的永久變形相對(duì)100 km/h時(shí)增加80%以上，考慮山區(qū)長(zhǎng)陡坡路段尤其是超載車輛行駛速度低于30 km/h，可見預(yù)期對(duì)路面車轍產(chǎn)生的變形是不可恢復(fù)的，因此提高混合料動(dòng)穩(wěn)定度設(shè)計(jì)尤其必要。

5　結(jié)語

本文通過對(duì)長(zhǎng)陡坡路段車轍產(chǎn)生類型及形成機(jī)理分析，分別對(duì)瀝青面層在不同的外界條件下面層應(yīng)力及變形進(jìn)行了計(jì)算。基于我國(guó)山區(qū)路段貨車超載嚴(yán)重，加之部分路段坡度較陡，行車速度較慢的現(xiàn)實(shí)，建議針對(duì)不同的山區(qū)路段瀝青路面設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)保證在最不利狀態(tài)下(考慮最低行車速度、最大坡度、超載率等情況)的混合料的層間剪應(yīng)力和永久變形不得超過路面力學(xué)計(jì)算值，只有這樣才能保障山區(qū)長(zhǎng)陡坡路段的抗車轍性能，提高路面的耐久性。

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Mechanical response analysis of anti-rutting asphalt pavement structure of long steep slope in mountainous area

Xie Bochuan

(Chongqing Special Engineering Technology Co., Ltd, Chongqing 400054, China)

Based on the analysis of the types of pavement ruts, the influencing factors and the mechanism, the stress and deformation of the pavement under different conditions are calculated by the mechanical analysis. According to the result: the deficiency of anti-rutting performance of long steep slope in mountainous area is mainly due to the low shear stress and the large permanent deformation of pavement mixture.

long steep slope, rutting, asphalt pavement, mechanics analysis

1009-6825(2016)25-0145-03

2016-06-24

謝伯川(1983- )，男，工程師

U416.217

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