瀝青路面車轍影響因素研究

王樹華

(廣西樂百高速公路有限公司，廣西 南寧 530012)

0 引言

瀝青路面具有良好的平整度、行車舒適性、養護維修方便等特點，已成為我國高等級路面主要的修筑類型。但隨著工業化進展和溫室效應所造成的全球氣候變暖，導致我國長期出現諸如夏季高溫等極端惡劣氣候；另一方面，由于超載、重載車輛的增加，使得瀝青路面常常在運營初期就出現較為嚴重的損壞，而車轍損壞會導致路面產生不可逆轉的結構性損壞，對路面質量影響顯著。

有限元數值分析方法是一種正在不斷發展的新型數值分析方法，可以對道路結構中的不同路面行為特征進行模擬計算。該方法可以對路面施加任意的輪載方式，其對車轍數值的計算更加準確、方便。本文通過利用有限元軟件ABAQUS建立計算模型，結合交通狀況調查數據，研究不同因素對瀝青路面車轍的影響規律。

1 確定有限元分析參數

1.1 路面結構材料參數確定

有限元數值計算分析方法通常采用彈性模型與蠕變模型來表現材料特征。在建立路面車轍有限元分析模型前，首先需要確定有限元模型中的路面材料參數。

1.1.1 瀝青混合料參數

通過對已有研究結果進行分析對比，確定瀝青混合料的蠕變參數和彈性參數，分別如表1、表2所示。

表1 建立有限元模型所需瀝青混合料蠕變參數表

表2 建立有限元模型所需瀝青混合料彈性參數表

由表1、表2可知，瀝青混合料材料特性與溫度之間的相關性顯著，因此在對車轍進行計算分析時需要考慮其影響。

1.1.2 基層與土基材料參數

本文所建立路面有限元模型中，將路基層和道路土基材料假設為線彈性材料，并采用彈性模型來表征分析其力學特征，根據已有研究成果并結合相關規范，確定所設置的材料參數，其具體數值如表3所示。

表3 基層與土基材料參數表

1.2 荷載作用方式和時間確定

1.2.1 荷載模型簡化

根據國內外相關研究結果，并考慮工程實際，本文采用雙矩形均布荷載對有限元荷載模型進行簡化。如圖1所示，接地寬度B=18.6 cm，軸載P=10 kN，接地壓力p=0.7 MPa，輪數n=4，兩輪中心距為31.4 cm，由公式計算得L=19.2 cm。

圖1 荷載模型簡化尺寸示意圖(單位：cm)

1.2.2 荷載作用時間

本文采用累積加載時間作為一個荷載步，對有限元模型進行加載計算，確定的有限元荷載作用時間計算模型參數如表4所示。

表4 車轍計算模型參數表

2 荷載對路面車轍的影響

2.1 軸重的影響

軸重與高壓輪胎是車輛荷載的主要表現形式。在交通狀況調查時，本文同時調查收集其軸重與高壓輪胎的使用數據，通過現場調查當前交通狀況，確定其與路面車轍之間的關系。

2.1.1 交通量調查

2.1.1.1 軸重分析

本文采用定時定點定人的方法，收集確定通過收費站的雙向混合交通量，選用輪重儀對通過收費站車輛的載重進行現場實測，結果如表5所示。

表5 交通量和軸重調查結果表

由表5可知：載貨汽車的超載現象普遍存在，貨運汽車的超載比例范圍為50%～100%左右，最大甚至可達200%以上。軸載<100 kN的占38.7%，軸載100 kN～180 kN的車輛占50.65%；10.65%的車輛軸載≥180 kN，重載車輛在道路上所占的比例和超載率較高。

2.1.1.2 輪壓分析

由于增加輪壓是保證超載車輛正常運行的主要方法，因此本文通過現場實測調查，得到工程所在地車輛輪壓數據，如表6所示。

表6 車輛輪胎氣壓比例表

由表6可知：在論文所收集的公路輪壓數據中，超過80%的車輛輪胎充氣壓力超過了標準輪壓要求，其中輪壓<0.7 MPa的車輛與輪壓>0.7 MPa的車輛，其比例分別為29.5%與70.5%。

2.1.2 車轍計算分析

為研究軸重對車轍的影響規律，本文通過使用ABAQUS軟件建立模型，輸入相關參數并加載后(其中對半剛性基層結構施加的累積時間為4 320 s，大小分別為0.7 MPa、0.74 MPa、0.83 MPa、0.91 MPa、0.99 MPa、1.1 MPa的垂直荷載)，研究結構層內部應力及永久變形與荷載之間內部關系與影響規律。

2.1.2.1 路面最大壓應力與拉應力與車輛荷載之間的關系

由圖2、圖3可知，路面結構層最大壓應力隨車輛荷載的增加近似呈線性增長，路面結構層最大拉應力也隨著荷載的增加近似呈線性增長，兩種應力參數均表現出一種正相關增長關系。

圖2 車輛荷載與路面最大壓應力關系曲線圖

圖3 車輛荷載與最大拉應力關系曲線圖

2.1.2.2 車轍隨加載次數的變化規律

由圖4可知，路面相對車轍深度會隨著加載次數增加而增大，且車轍深度增大的速度逐漸減小，當模型加載的次數達到某個特定值時，路面相對車轍深度不再發生變化。

圖4 車轍深度與加載次數關系曲線圖

圖5 最大剪應力與車輛荷載關系曲線圖

2.1.2.3 剪應力隨荷載的變化規律

為防止瀝青路面在夏季高溫的情況下發生破壞，路面需具備一定的高溫穩定性。當前通常采用面層容許剪應力作為瀝青路面高溫性能的控制指標。由圖5可知，路面內的最大剪應力會隨著車輛荷載的逐漸增大而出現近似于線性增長的變化趨勢。

2.2 車速的影響

為研究車速對瀝青路面的影響，本文將車輛60 km/h、80 km/h、100 km/h、120 km/h時的行車速度建立有限元軟件ABAQUS模型進行分析，具體如圖6所示。

圖6 車轍量與行車速度關系曲線圖

由圖6可知，在行車速度處于100 km/h時，路面車轍量出現一個轉化點，當車速小于該值時，路面車轍量呈現負相關的近似線性關系，當車輛行駛速度大于該值時，路面車轍量下降速度明顯增加。

3 溫度對路面車轍的影響

3.1 小時變化車轍規律

本文采用一年中最為不利的氣象條件(2012-07-28的溫度場)，確定一天24 h內各小時溫度場與路面車轍之間的關系。ABAQUS軟件分析計算結果見圖7、圖8。

3.1.1 小時變化溫度場與路面車轍之間的關系

圖7 小時變化溫度場與路面車轍量關系曲線圖

圖8 小時變化溫度場與路表變形關系曲線圖

3.1.2 小時變化溫度場與路表變形的關系

3.2 月變化的車轍規律

3.2.1 月變化溫度場下車轍變化規律

由圖9可知，隨著溫度場月變化，路面車轍量呈現先增加后減少的趨勢。在7月份前后，路面車轍量達到最大值，其數值約為17.57 mm；另一方面，在1～5月和10～12月，路面車轍量基本不發生變化。

圖9 月變化溫度場與車轍量關系曲線圖

圖10 月變化溫度場與路表變形關系曲線圖

3.2.2 月變化溫度場下的路面變形規律

由圖10可知，和小時變化溫度場與路表變形規律相似，路表輪跡處出現凹陷變形，且在5～9月時，輪跡處的凹陷變形幅度明顯較大，在相同月份中，輪隙與輪跡外側出現隆起的幅度也明顯較大，其中可以觀察出輪跡外側的隆起量較輪隙處小；另外，輪跡外側的隆起寬度較輪隙處的隆起寬度更大。5～9月份是路面產生凹陷和隆起變形的常發月份，一年之中其他月份路面隆起量較小，尤其是冬季時的路表凹陷、隆起變形量可以忽略不計。

4 路面結構層厚度與路面車轍的關系

瀝青表面層是路面中與外界環境直接接觸的結構。惡劣環境如雨水沖刷、陽光暴曬，會對路面表層性能產生較大影響。本文根據相關研究設計6種不同瀝青路面結構組合，研究瀝青路面不同結構層厚度對路面車轍的影響，所設計的路面結構組合如表7所示。

表7 瀝青路面結構組合表半剛性基層路面結構

通過采用6種不同的瀝青路面結構層厚度建立ABAQUS有限元模型，同時對車輛輪跡中心處所產生的車轍數據進行提取，并采用Origin 8.5軟件對計算結果進行分析，確定相應的回歸方程，不同車輛荷載作用次數下路表車轍RD50、RD100(單位為mm)與瀝青結構層厚度H(單位為mm)的關系為：

RD50=22.33-98.29×e-0.012 42H，R=0.997 45

(1)

RD100=23.26-210.75×e-0.018 69H，R=0.997 45

(2)

圖11 車轍量與結構層厚度關系曲線圖

由圖11可知，經過100萬次擬合與50萬次擬合后所得到的結構層厚度與車轍之間關系基本保持一致，均表現出正相關關系，且車轍量的增加速度逐漸變緩；另一方面，瀝青路面面層內部的各項應力指標分布范圍也會逐漸重新向面層更深處發展。

5 結語

本文主要結論如下：

(1)瀝青面層內各項應力大小與車輛軸載呈現出

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