探討高模量瀝青混凝土路面抗車轍功能的結(jié)構(gòu)力學(xué)

董濤 張延偉 劉東 藺召

陜西華山路橋集團(tuán)有限公司 陜西 西安 710016

引言

當(dāng)前高溫天氣頻繁出現(xiàn)，重載車輛也在持續(xù)增加，車轍損耗問題也愈加嚴(yán)重。同時對比水損壞﹑開裂等諸多問題，車轍維修更加困難，需要投入的維修成本也愈加高昂，所以，瀝青路面養(yǎng)護(hù)中的車轍處理是需要及時進(jìn)行解決掉的問題。高模量瀝青混凝土屬于是新興的路面材料，其抗車轍性能更為優(yōu)良，為了能夠有效規(guī)避車轍問題產(chǎn)生的不良影響，道路工作者開展了積極的研究，對路面模量進(jìn)行改善的高模量瀝青混凝土于道路界被更多人所認(rèn)可。通常情況下，高模量瀝青混凝土都被應(yīng)用在瀝青面層，提升其彈性模量能夠強(qiáng)化提升路面的荷載變形抵抗能力，提升路面的抗車轍性能，對道路工程應(yīng)用年限進(jìn)行有效提升，壓縮后期維護(hù)所投入的成本資金[1]。而我國依然處于應(yīng)用初期，欠缺高模量瀝青混凝土路面抗車轍功能方面的研究，國家既有路面結(jié)構(gòu)與國外高模量混合材料的路面結(jié)構(gòu)﹑形式存在一定差異，需要分析傳統(tǒng)路面結(jié)構(gòu)的受力情況，并且將高模量瀝青混凝土路面和普通路面中的受力特點變化找出來，對其抗車轍性能進(jìn)行深入探析。

1 車轍形成的具體情況

道路工程在長期使用過程中，會產(chǎn)生種類不同的各種車轍問題，其不僅會對交通運輸過程中的舒適性產(chǎn)生影響，更會對道路工程實際應(yīng)用中的安全性﹑可靠性等產(chǎn)生嚴(yán)重影響。

1.1 種類

車轍損壞屬于是瀝青路面較為突出的一種損壞形式，如果車轍深度較大，會因為車轍積水影響汽車制動性，甚至?xí)a(chǎn)生交通事故。

1.1.1 失穩(wěn)型。如果氣溫較高，如果瀝青混合料物質(zhì)的高溫穩(wěn)定性存在不足，行車荷載的持續(xù)影響之下，瀝青路面會出現(xiàn)失穩(wěn)型車轍。具體表現(xiàn)是輪機(jī)位置的瀝青混合材料產(chǎn)生流動變形，繼而出現(xiàn)橫向位移，在輪跡兩側(cè)會產(chǎn)生隆起。

1.1.2 結(jié)構(gòu)型。結(jié)構(gòu)型車轍一般是基層路面結(jié)構(gòu)層﹑路基的強(qiáng)度存在不足，行車荷載的影響之下，路面結(jié)構(gòu)層極限抗剪強(qiáng)度會比表層剪應(yīng)力要小，導(dǎo)致路面出現(xiàn)永久性的剪切變形影響。結(jié)構(gòu)型車轍橫斷面是凹型的，寬度較大，兩側(cè)不存在隆起[2]。

1.1.3 磨耗型。瀝青路面有車輛通行的時候，輪胎會同路面產(chǎn)生摩擦，因為惡劣天氣所產(chǎn)生的磨損問題就是磨耗型車轍。特別是為了確保行車安全，很多車輛會使用防滑﹑膠釘輪胎，同時重載﹑超載情況也會致使車轍問題產(chǎn)生。

在諸多車轍類別當(dāng)中，最為嚴(yán)重的就是失穩(wěn)型車轍問題與磨耗型車轍。瀝青路面產(chǎn)生車轍問題，主要就是瀝青面層所出現(xiàn)的變形問題，要著重探析失穩(wěn)型車轍問題。

1.2 車轍形成原因

外力會對瀝青混合料產(chǎn)生一定影響，內(nèi)部材料實質(zhì)骨料與瀝青膠結(jié)料會產(chǎn)生變形，瀝青混合料具有良好的黏彈塑性﹑流變性以及溫度敏感性，外界荷載大小﹑作用時間會對變形大小產(chǎn)生影響。應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系具有曲線性與不可逆性，同時彈性極限并不明顯。

1.2.1 壓密時期。當(dāng)瀝青混合料路面被壓路機(jī)進(jìn)行碾壓的時候，混合料中的骨料﹑空氣位置﹑瀝青等會重新排列。高溫作用影響之下，瀝青材料屬于是半流動狀態(tài)，實際碾壓中膠漿﹑骨料會出現(xiàn)移動，膠漿碾壓后會進(jìn)入到礦料間隙中，骨料會形成骨架結(jié)構(gòu)。瀝青路面在通車之后，路面會因為行車荷載實際作用逐漸密實。

1.2.2 流動時期。外界溫度變化會影響瀝青混合料的性能，瀝青﹑瀝青膠漿因為高溫﹑行車荷載共同作用會出現(xiàn)流動。流動瀝青會對骨架空隙進(jìn)行填充，也會出現(xiàn)自由移動，會破壞骨架穩(wěn)定性，致使瀝青路面行車荷載區(qū)域因為壓縮而產(chǎn)生變形。

1.2.3 礦質(zhì)骨料因為破壞而重新排列。溫度較高的時候，瀝青混合料屬于是半流動的狀態(tài)，行車荷載的影響之下，瀝青﹑瀝青膠漿會產(chǎn)生移動，這個時候承載外界載荷的主要就是骨料骨架。堅硬的骨料顆粒因為瀝青潤滑作用會在骨料間滑動，讓瀝青和瀝青膠漿向混合料自由面流動。

最初產(chǎn)生車轍是因為瀝青混合料結(jié)構(gòu)特性方面產(chǎn)生了變化，其中包含瀝青骨料的壓密以及高溫狀態(tài)下瀝青的流動，致使骨架出現(xiàn)失穩(wěn)問題。瀝青路面出現(xiàn)永久變形是因為車輛重載﹑超載﹑高溫等外界因素的相互作用。因此，為了確保瀝青混合料本身的穩(wěn)定性，規(guī)避路面車轍問題的實際產(chǎn)生，以免高溫狀態(tài)下瀝青混合料出現(xiàn)流動變形的問題[3]。

2 高模量瀝青混凝土路面抗車轍功能的結(jié)構(gòu)力學(xué)

在瀝青混凝土路面中，距離路面最近的上面層﹑中面層，會直接被外界氣溫所影響，溫度變化極為劇烈，和外界的氣溫變化情況基本一致。伴隨路面結(jié)構(gòu)深度的持續(xù)增加，外界氣溫變化所產(chǎn)生的影響也在持續(xù)弱化，而外界因素對底基層的影響非常小，其溫度通常都出處在27℃上下。不同時間段，各個面層的溫度也不同，其中上面層的溫度最低，伴隨深度持續(xù)增加，溫度也隨之持續(xù)上升，底基層溫度最高且最為穩(wěn)定。同時還要明確，車輛荷載的加載位置，其路面會產(chǎn)生凹陷，因為車輪中心位置的路面承受著輪胎豎向壓力，所以會產(chǎn)生極大的凹變變形。因此對高模量瀝青混凝土路面結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能進(jìn)行比較與分析，對比不同車輛荷載作用之下的力學(xué)性能，對于車輛行駛的安全性﹑穩(wěn)定性﹑舒適性來講極為關(guān)鍵。

2.1 路面結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能比較

選擇和高模量瀝青混凝土路面結(jié)構(gòu)一致的普通瀝青混凝土路面，因為高模量瀝青混凝土路面處在中面層，對比普通瀝青材質(zhì)的路面，把中面層材料改變成為常規(guī)材料，其他結(jié)構(gòu)層不會產(chǎn)生變化。為了確保對比所得經(jīng)過是精準(zhǔn)﹑有效的，一定要明確中面層材料黏彈性參數(shù)數(shù)值，保證上面層﹑下面層黏彈性參數(shù)數(shù)值不變，基于同樣的方式進(jìn)行測量﹑計算和建模。分析高模量瀝青混凝土路面的動響應(yīng)結(jié)果，分別基于路表面豎向應(yīng)力﹑應(yīng)變﹑位移，下層面﹑基層的剪應(yīng)變參數(shù)進(jìn)行力學(xué)性能的比較與分析，能夠獲悉，因為移動載荷的影響，兩種路面類型當(dāng)中所選擇的五個參數(shù)變化幅度不大，對比常規(guī)模量的混凝土材質(zhì)路面，高模量瀝青混凝土路面當(dāng)中的壓應(yīng)力﹑剪應(yīng)力都變大了，壓應(yīng)變﹑豎向位移以及剪應(yīng)變都降低了，并且和應(yīng)力變化進(jìn)行比較，應(yīng)變變化非常突出[4]。

豎向應(yīng)力最大數(shù)增加應(yīng)變數(shù)值明顯減少，與平臺瀝青混凝土路面進(jìn)行比較，高模量瀝青混凝土路面的豎向變形抵抗能力更為優(yōu)良。

荷載變化研究過程中，剪應(yīng)力產(chǎn)生突變，高模量瀝青路面產(chǎn)生移動荷載的時候，剪應(yīng)變數(shù)值會明顯減少，也就是說，剪應(yīng)力﹑剪應(yīng)變會對高模量瀝青混凝土路面產(chǎn)生巨大影響，其能夠降低因為剪應(yīng)力所產(chǎn)生的應(yīng)變變形問題，規(guī)避路面產(chǎn)生剪切破壞的問題。移動荷載產(chǎn)生作用的時候，顯著降低了高模量瀝青混凝土路面的豎向位移，在中面層設(shè)置高模量瀝青混凝土路面，能夠強(qiáng)化提升面層的剛度，承擔(dān)起車輛的荷載作用，更能夠降低荷載的下行傳遞，降低土基的位移數(shù)值。

2.2 對比不同車輛荷載作用之下的力學(xué)性能

與車輛行駛速度方面的改變進(jìn)行對比，車輛承重增加會嚴(yán)重影響到路面結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能，為了能夠考驗車輛在其中變化情況，在高模量瀝青混凝土路面與常規(guī)瀝青混凝土路面結(jié)構(gòu)方面所產(chǎn)生的不同影響，對同一行駛速度下的不同接地壓力所形成的力學(xué)指標(biāo)進(jìn)行對比，縱向剪應(yīng)力與剪應(yīng)變數(shù)值選擇最大正值，高模量瀝青混凝土路面與常規(guī)瀝青混凝土路面在力學(xué)相應(yīng)的變化趨勢方面基本一致，數(shù)值都會伴隨接地壓力持續(xù)增加而顯著增加，兩種路面當(dāng)中的豎向位移﹑應(yīng)力﹑剪應(yīng)力數(shù)值在增加速度方面的差值并不明顯。可是在初始數(shù)值增加到最大數(shù)值的時候，高模量瀝青混凝土路面的豎向應(yīng)變﹑剪應(yīng)變數(shù)值比常規(guī)瀝青混凝土路面的數(shù)值小，豎向應(yīng)變﹑剪應(yīng)變數(shù)值增加速度地域常規(guī)的瀝青混凝土材質(zhì)路面。

也就是說，移動荷載的影響之下，各個路面層在應(yīng)力﹑位移與應(yīng)變方面都存在瞬時性，行車荷載到達(dá)上方附近的時候才會產(chǎn)生顯著變化。豎向﹑橫向﹑縱向應(yīng)力的最大數(shù)值存在一定差異，都產(chǎn)生于表面層，數(shù)值會伴隨路面深度持續(xù)增加得到顯著降低，到基層的時候應(yīng)力值基本為零。橫向應(yīng)力與縱向應(yīng)力則表現(xiàn)出交變特性，荷載在研究點上方附近的時候，數(shù)值都會產(chǎn)生突變。而水平﹑豎向剪應(yīng)力于行車荷載研究中，其數(shù)值會呈現(xiàn)出正負(fù)值變化，最大的水平剪應(yīng)力在表面層，水平剪應(yīng)力主要作用在瀝青上面層與中面層。中面層所承受的豎向剪應(yīng)力是最大的，把高模量瀝青混凝土設(shè)置在中面層，能夠強(qiáng)化提升其抗剪強(qiáng)度，更能夠規(guī)避因為剪應(yīng)力交變性所產(chǎn)生的路面損壞問題。

在高模量瀝青混凝土路面受外界的移動荷載時，瀝青面層三向應(yīng)變比較小，應(yīng)變較大部位處在底基層與土基。豎向應(yīng)變于路面結(jié)構(gòu)層的表現(xiàn)就是壓應(yīng)變，橫向應(yīng)變與縱向應(yīng)變之間的變化規(guī)律基本上一致，都具備抗壓交變的特殊屬性。伴隨移動荷載的持續(xù)接近，每個層的位移持續(xù)增加，表面層豎向位移數(shù)值最大，深度持續(xù)增加，車輛荷載會導(dǎo)致豎向位移數(shù)值的持續(xù)降低，基于土基至瀝青面層，位移變化數(shù)值的差距較小，因此土基所產(chǎn)生的豎向位移屬于路面彎沉問題的主要原因。載重相同但車速不同，車速持續(xù)提升，高模量瀝青混凝土路面結(jié)構(gòu)層所承受的五個參數(shù)數(shù)值逐漸減小，所以說，適當(dāng)?shù)靥嵘囕v的行駛速度，能夠減少其對路面所產(chǎn)生的破壞影響。車速相同而載重不同，車輛載重增加，高模量瀝青混凝土路面所承受的各項參數(shù)數(shù)值也隨之增加。也就是，說超載會對瀝青路面產(chǎn)生壓密變形與剪切破壞，需要相關(guān)部門高度重視超載治理問題，同時積極探析具有針對性的解決對策[5]。

移動荷載的影響之下，高模量瀝青混凝土路面與常規(guī)瀝青混凝土路面當(dāng)中的參數(shù)數(shù)值變化趨勢大致相同，對比常規(guī)的瀝青混凝土路面，高模量瀝青混凝土路面的壓實力﹑剪應(yīng)力持續(xù)變大，但是壓應(yīng)變﹑豎向位移以及剪應(yīng)變持續(xù)減小。對比應(yīng)力變化來講，壓應(yīng)變﹑剪應(yīng)變有顯著降低，所以說高模量瀝青混凝土路面可有效規(guī)避路面的豎向變形與剪切破壞，移動荷載處在研究位置的時候，高模量瀝青混凝土路面所出現(xiàn)的豎向位移顯著降低，其強(qiáng)化提升了路面平順度。

在高模量瀝青混凝土路面﹑常規(guī)瀝青混凝土材質(zhì)路面上施加不同的車輛荷載，其力學(xué)相應(yīng)數(shù)值會伴隨接地壓力增加顯著增加，可是高模量瀝青混凝土路面形成的豎向應(yīng)變﹑剪應(yīng)變數(shù)值對比常規(guī)瀝青混凝土材質(zhì)的路面得以降低，也就是說其能夠規(guī)避重載交通對路面產(chǎn)生的變形影響。

3 結(jié)束語

綜上所述，對瀝青黏彈性﹑入編變形相關(guān)理論進(jìn)行探析，不同應(yīng)力應(yīng)力最大值出現(xiàn)時候，數(shù)值會因為路面深度增加持續(xù)減小，橫向應(yīng)力與縱向應(yīng)力屬于是交變特性，伴隨深度持續(xù)增加，車輛荷載形成逐漸變小，其也是致使路面出現(xiàn)彎沉問題的關(guān)鍵性因素。對比傳統(tǒng)形式的瀝青混凝土路面，高模量瀝青混凝土面層中所有結(jié)構(gòu)層都會產(chǎn)生蠕變應(yīng)變與永久變形，因為接地壓力持續(xù)增加，其車轍問題得到明顯降低，有助于車輛行駛過程中的安全性與舒適性。