車轍深度對瀝青路面結構性能影響性分析

劉 剛，陳磊磊，錢振東，陳道燮

(東南大學 智能運輸系統研究中心，南京 211189)

在渠化交通的背景下，車轍病害成為瀝青路面的主要破壞形式之一。車轍是在交通荷載的反復作用下，塑形變形逐漸累積，瀝青路面出現凹陷而形成，如圖1所示。與裂縫、水損壞相比，車轍的危害性最大，不僅直接威脅交通安全，而且危害路面結構的安全性[1-2]。此外，車轍損壞的維修也最為困難，因為車轍不僅發生在表面，也經常危及中下面層[3]。因此，車轍問題一直是瀝青路面領域一個難以解決的工程難題。

圖1 瀝青路面凹陷的車轍

文獻調研發現，目前對于車轍方面的研究主要集中在抗車轍材料的研發[4-5]、抗車轍路面結構的設計[6-7]和車轍預估模型[8-9]等，而對于車轍對路面結構性能影響的研究還停留在定性分析，缺乏對車轍對路面結構性能影響機理的定量揭示。進一步調研發現，車轍對路面結構性能的影響主要在于車-路耦合作用不同車轍深度下車輛對路面的作用[10-11]。一方面，車轍的產生使平整的路面出現了“凹槽”，車輛在在車轍區域及附近高速行駛時，車輛荷載對瀝青路面作用會被放大形成沖擊荷載，引起路面結構性能的衰減；另一方面，車轍的加深，減薄了路面結構層的厚度，降低了路面的整體結構強度，從而加劇了路面結構性能的衰減[12-13]。

因此本文將分析不同車轍深度下車輛沖擊荷載、面層厚度減薄和路面結構性能的定量表征方式，通過力學模型和數值模擬等手段分別分析不同車轍深度下沖擊荷載和面層厚度減薄對路面結構性能衰減的影響，揭示不同車轍深度對路面結構性能的影響機理，為車轍病害的防治提供理論基礎。

1 沖擊荷載對路面結構性能的影響分析

車輛行駛在有車轍的路面，當車輛行駛在車轍附近時，極有可能會“掉入”車轍的凹槽里，在車輛高速行駛短暫的時間內，放大了車輪荷載對路面的作用，從而加速了路面性能的衰減。本文首先采用沖擊荷載理論模型得到沖擊動荷因數Kd[14]，進而基于多層彈性層狀體系理論和雙圓垂直均布荷載模型，利用有限元數值模擬分析不同車轍深度下沖擊荷載對瀝青路面結構的力學作用。

1.1 沖擊荷載模型的建立

車輛進入車轍凹槽的時間一般都很短暫，路面初始的不平度相對于車轍深度可忽略不計。考慮更不利情況，當車輛快速通過車轍時必然出現跳車現象，此時車輪對地面的沖擊力將比正常行駛狀況下的荷載大得多。因此可考慮在固定位置作用一個沖擊力來模擬車輛跳車時車輪對地面的作用力，現把車輛簡化為一個質量塊m。以該模型從高度為h處下落來模擬跳車時車輛對瀝青路面的荷載作用，自由落體的高度h為車轍深度，如圖2所示。

圖2 簡化的沖擊荷載模型

(1)沖擊物的機械能

T+V=0+Q(h+Δd)

(1)

式中：T為沖擊物的動能；V為沖擊物的勢能；Q為沖擊物的質量；h為下落的高度；Δd為被沖擊物的最大變形量。

(2)被沖擊物的應變能

(2)

式中：Ud為被沖擊物的應變能；Fd為沖擊載荷。

(3)能量守恒

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

所以車輪對路面的沖擊荷載系數

(10)

Fd=KdQ

(11)

式中：E為被沖擊物的彈性模量；L為被沖擊物的長度；A為被沖擊物的截面積；Δst為重物Q作為靜荷載作用在桿上時桿端的靜位移；Kd為沖擊荷載系數。

1.2 沖擊荷載對路面作用的數值模擬

本文結合某高速公路路面結構和材料的特點以及JTG D50—2017《公路瀝青路面設計規范》[15]中瀝青路面設計的控制指標，針對不同車轍深度下路面結構對沖擊荷載的力學響應進行敏感性分析。考慮到應重點關注路面整體強度、瀝青抗車轍能力和防止基層開裂，通過有限元數值模擬分析車輛在不同車轍深度下沖擊荷載對路表彎沉、瀝青混合料層變形量、無機結合料穩定層層底拉應力的影響。

通過對該高速公路路面結構和材料進行調研發現，該路面結構采用我國常用的半剛性基層路面結構形式，如圖3所示，得到瀝青混合料面層、基層、底基層和土基材料的材料參數，如表1所示。確定以上所需參數后，基于路面結構彈性層狀理論體系，采用有限元軟件建立路面結構的二維模型，剖分的路面結構層的模型如圖4所示，網格劃分采用8結點二次平面應變減縮積分單元(CPE8R)，不同路面層之間分別計算不同車轍深度引起的沖擊荷載作用下，路面結構力學響應。

圖3 路面結構形式

表1 路面材料設計參數

圖4 路面結構數值模擬模型

在車轍深度為0時，路面荷載為100 kN的標準軸載，可簡化為雙圓均布荷載，單獨一個輪胎承受的荷載為25 kN。圓荷載半徑為r(10.65 cm)，圓心距為3r(31.95 cm)。轉換為平面問題后，施加的荷載為2r(21.3 cm)距離上的線荷載，接觸長度不變，計算得到其值為117 371 N/m。進而基于沖擊荷載模型分別計算不同車轍深度下的沖擊荷載系數，得到不同車轍深度引起的沖擊荷載，結果如表2所示。

表2 不同車轍深度下輪隙中心處的路面結構力學響應

1.3 沖擊荷載對路面作用規律的分析

最終通過數值模擬計算結果提取得到不同車轍深度下輪隙中心處路面結構對沖擊荷載的力學響應，見表2。

由表2可知，當跳起高度從0～5 mm，輪隙中心處路表彎沉、瀝青層永久變形量和無機結合料底基層層底拉應力分別增加了266%，265%和266%；從5～10 mm，路表彎沉增加了97%，瀝青層永久變形量和無機結合料底基層層底拉應力均增加了27%；10～15 mm，三者分別增加了76%，16%和16%?？梢娷囖H深度較小時，主要是在0～10 mm內，車轍深度變化對路面結構沖擊荷載響應的影響較大，沖擊荷載效應對車轍深度變化的敏感性強，其中車轍深度在0～5 mm內的影響最大；車轍深度發展到10 mm之后，車轍深度變化對路面結構沖擊荷載響應的影響逐漸變小，沖擊荷載效應對車轍深度變化的敏感性減弱。因此，應控制早期車轍的發展，當車轍剛出現還未產生大的危害階段，應及時采取罩面等預防性養護措施。

此外，為了探究路面不同區域對沖擊荷載的力學響應，對路面結構在不同車轍深度沖擊荷載作用下瀝青層永久變形量和無機結合料底基層層底拉應力的橫向分布也進行了提取，分別如圖5和圖6所示，其中橫坐標x代表以雙輪軸載間隙中心為原點的橫向坐標值。

從圖5和圖6可以看出，隨著車轍深度的增加，沖擊效應逐漸增強，其中車轍深度在0～5 mm內，沖擊荷載效應最為明顯。此外，荷載作用局部范圍內的變形量和層底拉應力比離荷載作用區域較遠的值大很多，且隨著離荷載作用面距離的增大而急劇減小。以跳起高度5 mm為例，接觸面范圍內最大變形量為1.66 mm，最大拉應力為1.28 MPa，而離接觸面一定距離(如x=1.18 m處)的最大變形量為1.09 mm，最大拉應力僅為0.31 MPa。JTG D50—2017《公路瀝青路面設計規范》中無機結合料穩定類材料的彎拉強度為1.5～2.0 MPa，而跳起高度為15 mm時，無機結合料底基層層底拉應力已經達到1.88 MPa，為避免無機結合料穩定層彎拉破壞，應及時對車轍深度的發展加以控制。

圖5 不同車轍深度下的瀝青層永久變形量

圖6 不同車轍深度下的無機結合料底基層層底拉應力

2 面層減薄對路面結構性能的影響分析

對于我國常用的半剛性路面結構來說，其車轍主要發生在瀝青混凝土面層。車轍的加深也就意味著面層的減薄，進而導致路面結構性能的衰減。本部分通過應用與JTG D50—2017《公路瀝青路面設計規范》同步推出公路路面設計程序系統，計算不同車轍深度下，即減薄后的路面厚度下，瀝青混凝土面層的永久變形量和無機結合料層的疲勞開裂壽命，從而得到不同車轍深度下路面結構性能的衰減規律。

基于1.2節中該高速公路路面材料和結構參數，以及JTG D50—2017《公路瀝青路面設計規范》中路面設計指標的計算模型，獲取瀝青層永久變形量、基層無機結合料穩定層疲勞開裂壽命和底基層無機結合料穩定層疲勞開裂壽命。

為研究方便，首先將車轍深度分別為0，5 mm，10 mm，15 mm，20 mm，25 mm，(即面層減薄的厚度)按上、中、下面層的厚度按比例分配到各層上，從而得到不同車轍深度下各面層的厚度值，瀝青混凝土面層以下各層厚度不變。然后通過編程計算得到發生不同深度的車轍后，瀝青層永久變形量、基層無機結合料穩定層疲勞開裂壽命和底基層無機結合料穩定層疲勞開裂壽命，如表3所示。對計算結果處理分別得到瀝青混合料層永久變形量、基層無機結合料穩定層疲勞開裂壽命和底基層無機結合料穩定層疲勞開裂壽命隨車轍深度的變化曲線分別如圖7～圖9所示。

圖9 無機結合料底基層疲勞開裂壽命隨車轍深度的變化曲線

表3 不同車轍深度下的路面性能狀況

圖7 不同車轍深度下的瀝青層永久變形量

由圖7可以看出，當車轍深度由0增長到25 mm，瀝青層永久變形的基本在15.0～15.5 mm。因此車轍深度增大帶來的瀝青面層減薄，對瀝青層永久變形的影響不大。

由圖8可以看出，當車轍深度由0增長到25 mm時，隨著瀝青層厚度的減薄，基層無機結合料穩定層疲勞開裂壽命有逐漸增大的趨勢。因此車轍深度的增加對基層無機結合料穩定層的性能有一定益處。

圖8 無機結合料基層疲勞開裂壽命隨車轍深度的變化曲線

由圖9可以看出，當車轍深度由0增長到10 mm時，隨著瀝青層厚度的減薄，底基層無機結合料穩定層疲勞開裂壽命逐漸下降，到車轍發展到10 mm之后，底基層無機結合料穩定層疲勞開裂壽命下降幅度較小。因此車轍深度的增加對底基層無機結合料穩定層結構的性能不利，應及時控制早期車轍的發展。

3 結 論

本文分析了不同車轍深度下車輛沖擊效應、面層厚度減薄和路面結構性能的定量表征方式，通過力學模型和數值模擬等手段分別分析了不同車轍深度下沖擊效應和面層厚度減薄對路面結構性能衰減的影響，明確不同車轍深度下車輛對路面結構性能的影響規律。得到的結論如下：當車轍深度較小時，主要是在0～10 mm內，車轍深度變化對路面結構沖擊荷載響應的影響較大，沖擊荷載效應對車轍深度變化的敏感性強，底基層無機結合料穩定層疲勞開裂壽命下降較快；其中車轍深度在0～5 mm內，沖擊荷載效應最為明顯，無機結合料基層層容易出現彎拉破壞，且荷載作用局部范圍內的變形量和層底拉應力比離荷載作用區域較遠的值大很多，隨著離荷載作用面距離的增大而急劇減小。因此應控制瀝青路面早期車轍的發展，及時采取罩面等預防性養護措施。從避免無機結合料基層層出現彎拉破壞，早期車轍養護深度宜控制在5 mm范圍內；從底基層無機結合料穩定層結構的疲勞壽命維持的角度，早期車轍養護深度宜控制在10 mm范圍內。