瀝青路面車轍病害形成機理及防控因素分析

鄧興偉

(重慶市墊江縣公路事業管理中心,重慶 408300)

0 引 言

隨著城鎮化的推進,公路工程作為促進沿線經濟發展的重要基礎設施,其建設規模日益擴大。瀝青路面具有噪音低、施工方便、養護簡單等優勢,在公路工程中取得了廣泛應用。根據相關研究成果,90%以上的公路路面結構都是瀝青混合料。瀝青混合料是有基質瀝青、集料等按一定比例配置而成的粘彈性材料,在高溫環境和外界車輛荷載作用下,混合料容易出現車轍變形,影響行車安全性和舒適度,嚴重的可能造成巨大的經濟損失和人員傷亡。鑒于此,國內外很多學者利用室內試驗、數值模擬等手段研究了瀝青路面車轍變形機理,但是仍未形成統一的理論來指導瀝青路面的設計與施工。同時,技術人員在選擇瀝青路面車轍防治措施時,盲目套用其它項目圖紙,使得方案適用性差[1]。因此,進一步研究瀝青路面車轍形成機理、影響因素及防治措施具有重要的工程價值。

1 瀝青路面車轍類型及形成機理

公路瀝青路面在車輛荷載反復作用下,輪跡帶會形成細微變形。經過數月或數年的疊加,輪跡帶變形不斷擴展,形成縱向凹痕。根據成因不同,可將瀝青路面車轍劃分為結構性、磨耗性、失穩性、壓密型車轍四類。

1.1 瀝青路面車轍類型

(1)結構性車轍

結構性車轍出現在瀝青路面面層以下。當車輛荷載超過瀝青路面各結構層強度時,會導致結構層產生永久變形,從而引起結構性車轍。從呈現形式來看,結構性車轍兩側沒有明顯的“隆起”現象,多以“下陷”的形式存在,且下陷寬度一般較大。

(2)磨耗性車轍

瀝青路面在設計時,不同結構層的瀝青混合料配合比不同、抗變形能力也不同。路面頂層與車輛和外界荷載直接接觸,在此期間瀝青路面會受到車輪磨損(不可避免的),并經過長時間的積累最終形成了磨耗性車轍。磨耗性車轍在我國公路中的出現較少,即便如此為了盡量減小瀝青路面在運營期間的磨耗性損失,在確定瀝青混合料配合比時也要盡量提高材料的抗磨耗性。此外,雨雪天氣下,各種重載車輛為了防滑會捆綁防滑鏈,也會進一步加大瀝青路面頂層材料的磨耗損失。

(3)失穩性車轍

結構性車轍和磨耗性車轍是以固態形式存在,而失穩性車轍則屬于流動性車轍,主要取決于瀝青混合料自身的特性。根據相關研究成果,瀝青混合料在高溫環境下容易軟化,承載能力會隨之下降。當瀝青路面在車輛荷載作用下產生的剪切力>瀝青混合料自身抗剪強度,車輪輪跡處就會產生變形,變形不斷累積就會形成失穩性車轍。失穩性車轍的兩側會同時隆起,形成“W”型橫截面[2]。

(4)壓密性車轍

瀝青路面在施工時,必須嚴格控制壓實度。但是,在實際項目中,施工單位為了追求施工進度,采用快速壓實或不完全壓實的方法,使得瀝青混合料的密實程度不夠。在公路運營期間,瀝青路面受到車輛荷載的作用空隙率慢慢降低。當路面空隙率值小于極限空隙值,路面便就會產生壓密性車轍。大量工程實踐表明,壓密性車轍呈“下凹”,會嚴重影響行車舒適性。

1.2 瀝青路面車轍形成機理

無論哪一種瀝青路面車轍,其形成機理均可劃分為壓密、流動、剪切破壞三個過程,具體闡述如下[3]:(1)壓密過程。瀝青混合料瀝青、礦料、空氣等組成的多相物質,在通過機械設備碾壓,形成具有一定間隙的骨架結構。通車后,路面會在車輛荷載作用下進一步壓密;(2)流動過程。瀝青路面經壓密后,呈半固態,在高溫環境及車輛荷載作用下,容易出現流動變形;(3)剪切破壞狀態。瀝青路面的流動變形不斷累積,當累積當量軸次超過某一臨界值,路面會剪切破壞,從而喪失承載能力。

2 瀝青路面車轍影響因素分析

ABAQUS軟件擅長求解邊界條件復雜的問題及非線性分析,且無論是顯式求解還是隱式求解,計算結果都能更好的滿足實際情況。為了定量評價車輛荷載、溫度等因素對瀝青路面車轍的影響,擬利用有限元軟件ABAQUS建立計算模型。

2.1 計算模型建立

(1)假設條件

對于實際的工程項目,瀝青路面沿豎向和行車方向都是無限大的,利用ABAQUS軟件建立無限大的模型是不可能的。因此,建模時做出以下假設:①瀝青路面各結構層的材料是均勻、連續、各項同性的彈塑性材料;②作用在瀝青路面上的荷載包括垂直和水平荷載,其中垂直荷載只考慮車輛動荷載;③瀝青路面各結構層之間是連續的。

(2)路面結構

研究對象為某省道的瀝青路面,其路面結構組合為4 cm細粒式瀝青混凝土AC-13+6 cm中粒式瀝青混凝土AC-20+8 cm粗粒式瀝青混凝土AC-25+36 cm水泥穩定碎石+20 cm石灰土,不同結構層的密度分別為2 500 kg/m3、2 500 kg/m3、2 500 kg/m3、2 200 kg/m3、1 800 kg/m3;彈性模量分別為1 400 MPa、1 200 MPa、1 000 MPa、1 600 MPa、800 MPa,泊松比分別為0.35、0.35、0.3、0.3、0.25。

(3)瀝青路面荷載

由《公路瀝青路面設計規范》(JTG D50-2017)可知,公路瀝青路面的標準軸載為100 kN,胎壓0.7 MPa,單軸-雙輪組合荷載。同時,瀝青路面車轍受溫度影響較大(溫度越高,瀝青路面越容易出現車轍),必須考慮其所處的溫度場。在相同外界環境下,瀝青路面各結構層的熱容量、熱傳導率、太陽輻射吸收率等不同,路面內部不同深度處的溫度也不同。這樣公路瀝青路面內部就會形成隨深度變化的溫度場,可用公式(1)表示[4]

(1)

式中:T為溫度場, ℃;Z為路面結構內部某點距路表的距離,m;γ為路面材料重度,kg/m3;S為路面材料熱容量;k為路面材料熱傳導率;t為太陽輻射時間,h。

(3)網格劃分

有限元模型的網格尺寸和網格數量會直接影響計算結果的精度和計算速度。一般情況下,網格尺寸越小,計算結構約精確,但計算耗費時間長。反之,計算結果準確性難以保證。綜合考慮計算效率和計算精確性,模型網格選用正六面體單位,將路面結構層范圍內的網格進行加密處理,網格尺寸取0.5 m,土基范圍內的網格2 m,共劃分出986個網格,1 069個節點,如圖1所示。

圖1 瀝青路面有限元模型網格劃分

2.2 瀝青路面車轍變形計算結果

(1)車轍變形隨軸載的變化

公路瀝青路面在車輛循環荷載作用下車轍變形會不斷增加,為了探明變形規律,以車輛荷載左側輪心為監測點,計算了不同軸載作用次數下車轍的變形規律,計算結果見表1[5]。

表1 車轍深度隨軸載次數的變化規律

由表1計算結果可知:瀝青路面車轍變形深度隨軸載作用次數的增大而增大,當軸載作用次數從100增加至800 000,車轍變形深度分別增加了0.124 mm、0.41 mm、0.68 mm、0.93 mm、1.43 mm、1.22 mm。在軸載作用次數較少的條件下,路面車轍深度也很小,此時路面蠕變狀態,路面變形可以恢復一部分。但隨著軸載作用次數的增加,路面變形不斷累積,且不可恢復,導致路面因出現車轍而破壞。

(2)溫度對車轍的影響

溫度對公路瀝青路面的影響是不可忽略的,這是因為溫度升高會使瀝青混合料的勁度模量和抗變形能力降低,從而導致路面破壞。根據相關研究成果,瀝青路面內部溫度最高的位置在路表下2 cm。因此,以瀝青路面路表以下2 cm的某點為研究對象,在軸載作用次數不變的條件下,計算了外界溫度為20 ℃、40 ℃、60 ℃時的瀝青路面變形。同時,利用origin軟件中的線性函數擬合了溫度與瀝青路面車轍深度的關系,如圖2所示。利用擬合函數,可用于預測不同溫度下,瀝青路面的車轍變形,為瀝青路面設計提供依據。

圖2 不同溫度下瀝青路面車轍

圖2計算結果表明:在軸載作用次數相同的條件下,外界溫度為20 ℃、40 ℃、60 ℃時,瀝青路面車轍深度分別為3.85 mm、4.9 mm、5.89 mm。瀝青路面車轍隨溫度的增加不斷增加,且兩者之間基本呈線性正相關關系。這說明外界溫度每增加20 ℃,瀝青路面車轍深度平均增加1.0 mm。

(3)胎壓對車轍的影響

胎壓與車輛荷載相協調,一般車輛荷載越大,胎壓越高。在其它因素不變的條件下,本文利用ABAQUS軟件計算了胎壓為0.7 MPa、0.8 MPa、0.9 MPa、1.0 MPa、1.1 MPa、1.2 MPa時,瀝青路面的最大車轍變形量,計算結果如圖3所示。

圖3 不同胎壓下瀝青路面車轍

由圖3可知:隨著胎壓增大,瀝青路面車轍變形深度不斷增加,但增加速率并不固定。當胎壓小于0.9 MPa,瀝青路面車轍變化趨勢不明顯;當胎壓超過0.9 MPa,瀝青路面車轍呈驟增趨勢。當胎壓從0.7 MPa增加至1.2 MPa,瀝青路面車轍分別增加了0.2 mm、0.3 mm、0.9 mm、1.0 mm、1.2 mm。因此,在公路正常運營期間,要嚴格控制公路上的重載車輛和超載車輛占比,以減小車輛荷載對瀝青路面的破壞。

3 瀝青路面車轍防控措施

(1)灑水降溫

在夏季高溫天氣下,瀝青路面容易出現車轍變形。因此,在可根據瀝青路面在一天內的溫度變化規律來灑水,降低溫度對瀝青路面車轍的影響。在一天24 h內,瀝青路面結構一般是從早8點開始升溫,在下午2∶00～2∶30左右路面溫度達到最大值。同時,瀝青路面結構層內大于55 ℃的高溫集中在12∶00～16∶00。因此,建議公路管養人員在該時間內組織機械設備對瀝青路面進行灑水降溫[6]。

(2)設置爬坡車道

根據相關研究成果:在公路的長大上坡路段,路面車轍出現的可能性更大。這是因為車輛進入上坡路段后,會產生更大的荷載,損傷路面結構,降低路面承載力。鑒于此,公路在設計時要盡量避免長大上坡路段,可設置專用的爬坡車道,以降低車輛爬坡對瀝青路面的損傷。

(3)提高瀝青路面養護水平

瀝青路面施工完成后進行合理的養護,能大幅提高路面結構的抗車轍能力和整體穩定性。提高瀝青路面養護水平的方法體現在以下兩方面:一要斷優化養護工藝。在公路瀝青路面養護時要強調預防性養護,不能等出現嚴重病害后再養護。同時,在瀝青路面養護時要積極引入先進設備和技術,對傳統養護工藝進行優化,從而建立更先進的瀝青路面養護體系;二要強化標準化控制體系。長期形成的“重施工輕養護”理念,是瀝青路面建設和運營期間最常見的問題,為車轍病害害的發生埋下了隱患,故要加強養護管理,重視瀝青路面養護工作。

4 結 論

主要分析了公路瀝青路面車轍的形成機理、影響因素及車轍防控措施,得到了以下幾個方面結論:(1)瀝青路面車轍包括結構性、磨耗性、失穩性、壓密型車轍四類,其形成機理均可劃分為壓密、流動、剪切破壞三個過程;(2)軸載作用次數越多,瀝青路面車轍變形越大。當軸載作用次數達到某一臨界值,車轍變形不可恢復;(3)瀝青路面車轍深度隨外界溫度和胎壓的增加而增大,在公路運營時要控制超載和重載車輛;(4)為了有效防控瀝青路面車轍,可采取灑水降溫、設置爬坡車道、提高瀝青路面養護水平等措施,研究成果可為公路瀝青路面車轍控制提供理論指導。