分析氣候條件對城市道路瀝青路面車轍的影響

趙 進

重慶市忠縣市政園林管理所，重慶 404300

車轍是一種瀝青路面常見病害，對行車舒適性和安全性都有很大影響，而車轍是多項因素相結(jié)合產(chǎn)生的結(jié)果，其中氣候條件最為重要，因此，為了有效防治車轍，需對這一因素造成的影響進行分析。

1 溫度變化條件下車轍模擬

瀝青路面長時間處在自然環(huán)境當(dāng)中，因環(huán)境條件不斷變化，面層處在十分復(fù)雜的環(huán)境中。與此同時，瀝青混合料是熱流變材料，其力學(xué)特性會受溫度直接影響。因此，在車轍分析過程中，必須重視溫度及其變化造成的影響。對此，應(yīng)通過分析確定路面結(jié)構(gòu)溫度場，在與實際情況相符合的條件之下開展車轍分析，以明確車轍和氣候之間的關(guān)系。

利用有限元的方法實施數(shù)值模擬，其實現(xiàn)過程為：（1）把1d等分成24個時間段，設(shè)不同時間段的溫度保持不變，采用0.5h的固定時間增量步對溫度場進行數(shù)值模擬，以此為溫度變化條件下的車轍分析奠定良好基礎(chǔ)；（2）把1d等分成24個蠕變分析步，設(shè)不同蠕變分析步保持恒定的溫度場，然后將通過溫度場分析獲取的文件導(dǎo)入，對應(yīng)參數(shù)為依據(jù)對溫度變化條件下的車轍進行分析和模擬[1]。

2 溫度場分析

2.1 基于不同氣候條件的數(shù)值模擬

將瀝青路面作為研究對象，結(jié)構(gòu)組成為：上面層采用SMA-13，厚度為4cm；中面層采用AC-20，厚度為6cm；下面層采用AC-25，厚度為8cm；基層采用水泥穩(wěn)定碎石，厚度為40cm；底基層采用二灰土，厚度為20cm。模型水平方向上的寬度確定為4m，底基層1m以上部分為有限元單元，以下為無限元單元，受車輪荷載持續(xù)作用的部分進行網(wǎng)格細化，由于路面結(jié)構(gòu)及其所用荷載具有對稱性，所以可取其1/2來分析。

在確定混合料自身熱特性的基礎(chǔ)上，溫度場主要取決于氣象條件。根據(jù)7d內(nèi)測得的氣象數(shù)據(jù)，對溫度場實施分析?；旌狭现饕獰崃W(xué)參數(shù)如表1所示。邊界條件為：混合料和外界發(fā)生的熱交換集中體現(xiàn)于上表面；水平方向上不考慮溫度梯度，也不考慮由側(cè)面邊界等帶來的影響；基層較深部位的溫度基本不發(fā)生波動，將其視作溫度恒定的邊界。路表面對太陽輻射的實際吸收率確定為0.85；路表面和大氣之間的發(fā)射率確定為0.90；以測得的日均風(fēng)速為依據(jù)計算對流換熱系數(shù)；結(jié)構(gòu)底部邊界溫度確定為20℃。

表1 混合料主要熱力學(xué)參數(shù)

2.2 結(jié)果和驗證

結(jié)合熱物理參數(shù)與各項邊界條件進行模型的建立并開展數(shù)值模擬分析，可得出各氣象條件中路面溫度產(chǎn)生的變化。從結(jié)果中可知，實測值和計算值具有相同的溫度值規(guī)律，誤差不超過10%?？梢?，該數(shù)值方法完全可行，準確性高，可用于提供必要的溫度數(shù)據(jù)[2]。

3 溫度持續(xù)變化條件下的車轍計算和結(jié)果

3.1 計算模型和參數(shù)

在分析溫度變化條件下的車轍時，首先要確保路面的溫度場模型、車轍分析與計算模型有相同的網(wǎng)格及幾何尺寸。因車轍是一種面層病害，基層及其以下的實際貢獻較小，所以可使用Creep模型對混合料具有的蠕變特性進行分析描述，該模型的表征方式為：

當(dāng)溫度在20～60℃的范圍內(nèi)變化時，對混合料的蠕變性和抗壓回彈特性進行分析實驗，確定相應(yīng)的參數(shù)?；旌狭喜此杀群蜏囟燃捌渥兓g的關(guān)系為：（1）SMA-13混合料：當(dāng)溫度從20℃以10℃為間隔升高至60℃時，回歸系數(shù)A從6.535×10-11變?yōu)?.465×10-5，回歸系數(shù)m從0.936變?yōu)?.335，回歸系數(shù)-0.591變?yōu)?0.501，彈性模量從871MPa變?yōu)?25MPa，泊松比以0.05從0.25遞增至0.45；（2）AC-20混合料：當(dāng)溫度從20℃以10℃為間隔升高至60℃時，回歸系數(shù)A從4.581×10-11變?yōu)?.777×10-5，回歸系數(shù)m從0.945變?yōu)?.385，回歸系數(shù)n從-0.597變?yōu)?0.442，彈性模量從912MPa變?yōu)?81MPa，泊松比以0.05從0.25遞增至0.45；（3）AC-25混合料：當(dāng)溫度從20℃以10℃為間隔升高至60℃時，回歸系數(shù)A從4.591×10-11變?yōu)?.754×10-5，回歸系數(shù)m從0.921變?yōu)?.211，回歸系數(shù)n從-0.582變?yōu)?0.420，彈性模量從10.32MPa變?yōu)?92MPa，泊松比以0.05從0.25遞增至0.45。由此可以看出，隨著溫度的增加3種混合料的回歸系數(shù)A均呈遞增趨勢，回歸系數(shù)m遞減，回歸系數(shù)n遞增，彈性模量變小，泊松比均勻增加。

水泥穩(wěn)定碎石的彈性模量與泊松比分別為1200MPa、0.20 ；二灰土的彈性模量與泊松比分別為300MPa、0.30 ；路基土的彈性模量與泊松比分別為60MPa、0.40。

車輛輪胎和路面之間的接觸面是由矩形與半圓構(gòu)成的，可將其等效成矩形?；诖?，可對雙圓荷載進行簡化，得到雙矩形荷載，其分布保持均勻，長、寬分別為19.2cm和18.6cm，輪胎之間的距離為31.4cm。因當(dāng)前的重載交通情況十分嚴重，軸重一旦發(fā)生變化將使接觸面積與壓力都發(fā)生很大的變化。對此，遵循荷載作用時間持續(xù)累計這一基本原則對動態(tài)荷載進行簡化，得到靜態(tài)荷載，簡化方式為：

式中：Tt—累計時間；T0—加載時間，是長度與平均車速之比；N—荷載的總作用次數(shù)。根據(jù)車輛軸載情況，將每日的軸載作用總數(shù)確定為6000次，車速取120km/h，由此采用公式（2）對各軸載條件下的總累計時間進行計算[3]。

3.2 結(jié)果與分析

借助溫度變化條件下路面車轍的分析方法，對以上氣象因素及軸載水平實施組合建模與分析（3×7），結(jié)果為：（1）1d氣象條件下，3種軸載水平對應(yīng)的輪胎壓力分別為0.70、0.88、1.11MPa， 車 轍 深 度 分 別 為0.895×10-2、1.292×10-2、1.732×10-2mm；（2）2d氣象條件下，3種軸載水平對應(yīng)的輪胎壓力分別為0.70、0.88、1.11MPa，車轍深度分別為0.628×10-2、0.907×10-2、1.215×10-2mm；（3）3d氣象條件下，3種軸載水平對應(yīng)的輪胎壓力分別為0.70、0.88、1.11MPa，車轍深度分別為0.902×10-2、1.300×10-2、1.743×10-2mm ；（4）4d氣 象 條 件下，3種軸載水平對應(yīng)的輪胎壓力分別為0.70、0.88、1.11MPa，車轍深度分別為1.003×10-2、1.449×10-2、1.942×10-2mm；（5）5d氣象條件下，3種軸載水平對應(yīng)的輪胎壓力分別為0.70、0.88、1.11MPa， 車 轍 深 度 分 別 為0.836×10-2、1.205×10-2、1.615×10-2mm；（6）6d氣象條件下，3種軸載水平對應(yīng)的輪胎壓力分別為0.70、0.88、1.11MPa，車轍深度分別為1.068×10-2、1.544×10-2、2.067×10-2mm；（7）7d氣象條件下，3種軸載水平對應(yīng)的輪胎壓力分別為0.70、0.88、1.11MPa，車轍深度分別為0.855×10-2、1.235×10-2、1.655×10-2mm。

從中可以看出，隨著輪胎壓力不斷增大，車轍量明顯增加；午夜到清晨這一時間段無太陽輻射，結(jié)構(gòu)散熱，溫度降低，車轍變化趨于平緩；太陽輻射逐步增強時，結(jié)構(gòu)溫度上升，車轍變化明顯上升；隨后，盡管太陽輻射會有所減弱，但結(jié)構(gòu)內(nèi)部依然上升，車轍變化進一步上升；如果太陽輻射消失，構(gòu)件將開始散熱，實際溫度降低，車轍的變化將趨于平緩。

4 結(jié)語

綜上所述，對瀝青路面而言，車轍大多產(chǎn)生在高溫季節(jié)，此時的溫度保持在20℃以上，車轍變化曲線經(jīng)分析呈現(xiàn)出S型，影響因素除溫度外還包括輪胎壓力、太陽輻射。以上分析及結(jié)果對車轍預(yù)估均有一定參考借鑒價值。