車載動水壓力對瀝青路面破壞的影響

臧云霞

（保定市交通運輸局 順平縣養路工區，河北 保定 072250）

引言

針對瀝青路面水損害問題，國內外道路研究人員系統地研究了水損害的形成機理、影響因素、評價指標及控制預防措施等。高鵬永［1］建立了瀝青路面物理模型，采用離散元方法模擬了不同橋面鋪裝結構的力學響應特性，探討不同車速和車輛荷載對橋面鋪裝力學響應的影響。田晶晶等［2］提出了一種車輛靜、動載荷分離的數據處理算法，以貨車為研究對象，試驗研究其在兩種普通路面、三種加筋路面下的載荷特性，共分析了18 種不同工況，發現該處理方法具有較高的精度。曹衛鋒和呂彭民［3］建立了路面的黏彈性和彈性有限元分析模型，比較了兩種不同路面模型的動力響應規律，發現在相同車速和溫度條件下，彈性本構關系計算的各動力響應指標值明顯大于流變本構關系。

1 瀝青路面結構模型

1.1 模型建立

保定市順平縣G234 國道瀝青路面，考慮到該路面橫向尺寸有限，深度和縱向構造均為無限大，結合以往經驗確定模型尺寸，其中土基為砂質壤土226 cm，底基層為20 cm 級配碎石，基層為36 cm 水泥穩定碎石，面層采用4 cm AC-16，瀝青路面層間的接觸為完全連續，上邊界水平和豎向均自由，骨架空隙中的水為液相，下邊界和荷載位置為不透水條件。采用雙線性孔壓，整個模型共計1 238 個節點，1 120 個單元［4］。

1.2 荷載施加

車輛在路面行駛時存在時程，具有一定的時序性，路面表現為受壓與回彈［5］。采用半正弦移動荷載模擬實際荷載，依據《公路瀝青路面設計規范》（JTG D50—2017），分析時段為Ta，均布荷載定義為qmax［6-7］。假設任意時刻t 的車輛荷載等效為半正弦分布荷載［8］：

式中：T—荷載作用時間，s；a—當量圓半徑，m；v—車輛行駛速度，m/s。

瀝青混合料路面參數見表1［9］。

表1 瀝青路面材料參數

2 結果與分析

2.1 垂直位移分析

車輛水動力路面結構垂直位移的時程曲線見圖1。

圖1 車載動水壓路面結構的垂直位移的時程變化曲線

在無水條件下，t=0.032 s 時普通路面荷載最大，垂直位移最大值為0.254 mm；在飽水條件下，t=0.032 s 時，普通路面的荷載最大，垂直位移最大值為0.134 mm，與無水狀態相比，位移略微減小。當荷載結束時（t=0.062 s），普通路面在無水狀態下的垂直位移為零，而在飽和狀態下的垂直位移為0.075 mm。當荷載最大時（t=0.021 s），排水路面的最大垂直位移為0.132 4 mm。研究發現，當有排水層的路面飽和時，或當普通路面飽和或無水時，路面模型的垂直位移值在最大荷載值處最大，模型層接合點的垂直位移值基本相同，表明水對瀝青路面的垂直位移沒有顯著影響。

2.2 豎向應力分析

車載動水壓路面結構的豎向應力的時程變化曲線，見圖2。

圖2 車載動水壓路面結構的豎向應力的時程變化曲線

飽和狀態下路面的垂直應力存在一定的滯后。在最大荷載條件下，無水路面的垂直應力最大，而飽和路面的垂直應力在荷載峰值后出現最大值，水的存在將對路面內的荷載傳播產生很大影響。在無水條件下，普通路面基層-下面層豎向壓應力為448 kPa，下面層-中面層豎向壓應力為589 kPa，中面層-表面層豎向壓應力為679 kPa。飽水條件下，基層-下面層豎向壓應力為265 kPa，下面層-中面層豎向壓應力為421 kPa，普通路面中面層-表面層豎向壓力573 kPa。結果表明，水可以在一定程度上降低層間的豎向壓應力。基層排水層首先達到最大值，中間面層表層最終達到最大值，排水路面同一位置的豎向應力大于普通路面，主要是因為排水層模量較低，成為路面中的“軟夾層”，導致路面應力較差。

2.3 水平應力分析

車載動水壓路面結構的水平應力時程變化曲線見圖3。

圖3 車載動水壓路面結構的水平應力時程變化曲線

由圖3 可以看出，當荷載達到最大值（t=0.032 s）時，飽和狀態和無水狀態下普通路面結構的水平應力分布基本相同。無水狀態下的水平壓應力和水平拉應力明顯大于飽和狀態下的水平壓應力和水平拉應力。當荷載為零時（t=0.062 s），普通路面在無水狀態下的水平應力接近于零，而飽和狀態下的殘余水平應力較大，為53 kPa。結果表明，水的存在使路面水平應力降低，但應力消散時間延長。對于排水路面結構，當荷載達到最大值（t=0.032 s）時，水平壓應力和拉應力分別為213 kPa 和61 kPa；當荷載為零時（t=0.062 s），水平壓應力比普通路面結構小38 kPa。

2.4 孔隙水壓力分析

由圖4 可以看出，在最大荷載條件下，普通路面的正、負孔隙水壓力分別為354 kPa 和-152 kPa；排水路面的正、負孔隙水壓力分別為203 kPa 和-145 kPa。當荷載為零時（t=0.062 s），普通路面的正、負孔隙水壓力分別為78 kPa 和-358 kPa；排水層結構路面的正孔隙水壓力為74 kPa，負孔隙水壓力為-253 kPa。普通路面下面層存在明顯的孔隙水壓力集中，一旦釋放，將嚴重影響路面材料的抗沖刷性能。當荷載為零時（t=0.062 s），普通路面的下面層和中面層出現負壓區。

圖4 動水壓作用下孔隙水壓力時程變化曲線

3 結語

（1）水對瀝青路面的垂直位移沒有顯著影響。（2）水可以在一定程度上降低層間的豎向壓應力，在飽水條件下排水路面的應力值也滯后。（3）飽和狀態下各級普通路面結構交接處的水平應力最大值具有明顯的滯后性，表明水的存在一定程度上有利于路面的水平應力。（4）在路面內部設置排水層后，下面層-中面層的孔隙水壓力急劇降低。