山區長陡坡抗車轍瀝青路面結構力學響應分析

謝 伯 川

(重慶特鋪路面工程技術有限公司，重慶　400054)

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山區長陡坡抗車轍瀝青路面結構力學響應分析

謝 伯 川

(重慶特鋪路面工程技術有限公司，重慶400054)

在分析路面車轍類型、影響因素及產生機理的基礎上，分別對不同條件下路面的應力和變形進行了力學分析計算，計算結果表明，路面混合料抗剪應力偏低和永久變形較大是引起山區長陡坡路段抗車轍性不足的主要原因。

長陡坡，車轍，瀝青路面，力學分析

1　概述

隨著我國國民經濟的發展，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]，尤其是在山區公路的長陡坡路段，這一現象尤為突出。車轍的出現，不僅影響了路面的結構性路用性能，而且凹凸不平的路面會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構力學響應規律，其研究結果必將對山區長陡坡地段抗車轍型瀝青混合料設計起到積極的借鑒作用。

2　路面車轍分析

2.1車轍類型

根據車轍形成原因的不同，可將其分為三大類：1)失穩型車轍；2)結構型車轍；3)磨耗型車轍。在我國路面的車轍基本都屬于失穩型車轍。

2.2車轍影響因素[2]

車轍是荷載條件、環境因素與瀝青混合料自身特性共同作用的結果。其中外部因素主要是交通條件、環境因素和施工控制等；內部因素與瀝青混合料性質有關，主要包括瀝青膠結料、礦質集料、混合料設計以及路面結構設計等方面。

2.3車轍形成機理

按照車轍的形成過程，主要分為三個階段，如圖1所示。

3　瀝青面層應力分析

山區長陡縱坡高速公路山區車轍嚴重，為研究該地區車輛對

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

3.1基本體系假設

假定面層瀝青混凝土材料的抗壓回彈模量E1=1 400 MPa；基層水泥穩定碎石抗壓回彈模量E2=1 500 MPa；底基層級配碎石抗壓回彈模量E3=250 MPa；土基回彈模量E0=40 MPa。計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軸考慮，荷載圓取單圓當量直徑0.302 m。輪胎接地壓力分兩種情況：額定載重40 t時p=0.7 MPa；超載50%載重60 t時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)剪應力和主應力計算。

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力系數諾模圖(阻力系數f=0.3)和三層體系表面主應力系數諾模圖(阻力系數f=0.3)，得到：

假定僅考慮“輪胎—路面”間摩擦力產生的水平力和重力水平分力，車輛上坡時輪胎對路面作用力系數f′=f+μ，其中，f為車輛行駛過程中與行駛速度對應的摩擦力系數，f=W/(mg·v)，W按質量分攤功率5.5 kW/t取值；μ為車輛重力沿坡道的水平分力系數，μ=sini≈i，i為縱坡坡度。

按三層體系剪應力和主應力計算方法：

剪應力計算：τm，f ′=τm(0.3)+1.3·(f ′-0.3)·p。

主應力計算：σ1,f ′=σ1(0.3)+0.46·(f ′-0.3)·p。

3.2不同條件下面層的剪應力計算

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生的剪應力計算結果，從數據分析看：

1)隨著行車速度降低和縱坡坡度的增加，面層剪應力逐漸增大，但無論何種縱坡坡度，在車速大于70 km/h時，應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)對超載率0時，即使降低車速到30 km/h、縱坡坡度增加到4%，剪應力τ=0.159 MPa，尚未達到瀝青混合料在40 ℃下混合料的容許剪應力(一般為0.25 MPa±0.02 MPa)，但是當速度降到10 km/h或者更低，此時即使0坡度的路面層間剪應力也能達到或超過混合料的極限剪應力。

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

3.3不同條件下面層的主應力計算

表2給出了不同條件下路面主應力計算結果，從表2數據發現：

1)路面主應力的變化趨勢同剪應力變化趨勢一致，也出現車速大于70 km/h時，應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)主應力受外界條件影響變化較少，且對預防路面車轍有利，因此在考慮路面層間應力響應分析時主要關注剪應力的變化趨勢。

表2　不同條件下路面主應力計算

4　外界條件下面層變形響應

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

對上式積分，解得永久變形ε:

依據路面加速試驗(APT)結果對瀝青面層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成如下形式：

ε=1.68×10-5σ0.8t0.5。

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

表3　不同行駛速度作用時間及永久變形

行駛速度作用時間永久變形/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計算結果可以看出，隨著車速降低、荷載作用時間增加，永久變量有顯著增加，當車速下降至70 km/h時的永久變形量相對100 km/h時增加20%左右，當速度降低到30 km/h時，路面產生的永久變形相對100 km/h時增加80%以上，考慮山區長陡坡路段尤其是超載車輛行駛速度低于30 km/h，可見預期對路面車轍產生的變形是不可恢復的，因此提高混合料動穩定度設計尤其必要。

5　結語

本文通過對長陡坡路段車轍產生類型及形成機理分析，分別對瀝青面層在不同的外界條件下面層應力及變形進行了計算。基于我國山區路段貨車超載嚴重，加之部分路段坡度較陡，行車速度較慢的現實，建議針對不同的山區路段瀝青路面設計時，應保證在最不利狀態下(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力和永久變形不得超過路面力學計算值，只有這樣才能保障山區長陡坡路段的抗車轍性能，提高路面的耐久性。

[1]吳傳海，趙順根.廣東地區交通軸載狀況調查及其對路面車轍的影響分析[J].公路，2011(5)：1-7.

[2]吳浩，裴建中.長大縱坡路段瀝青路面車轍規律及影響因素[J].長安大學學報(自然科學版)，2009，29(6)：28-31.

[3]聶憶華，張起森.高等級公路瀝青路面剪應力分析與應用[J].中南大學學報(自然科學版)，2007，38(6)：1232-1238.

[4]姜迪，王曉帆.山區高速公路長大縱坡段瀝青路面剪應力分布研究[J].公路交通科技(應用技術版)，2014(7)：49-51.

[5]鄧學均.路基路面工程[M].北京：人民交通出版社，2006.

[6]李文芙.瀝青路面永久變形的彈塑性分析[J].公路交通科技(應用技術版)，2014(12)：178-180.

[7]郭乃勝，趙穎華.纖維瀝青混凝土的蠕變特性試驗研究[J].中外公路，2007，27(2)：124-127.

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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