復合板車轍試驗分析研究

◎ 65056部隊 閆其來 王 李

選擇六種復合板進行車轍試驗，利用ANSYS有限元軟件計算實際路面以及復合車轍板不同深度瀝青層內的壓力和剪應力分布情況，系統地分析研究復合板車轍試驗評價瀝青混合料抗車轍性能的準確性。

一、不同結構復合板抗車轍性能試驗研究

在某公路工程中，為了提高瀝青混凝土的抗車轍性能，利用復合板車轍試驗確定瀝青混合料的級配和油石比，瀝青上面層選用了兩種瀝青混合料，分別是AC-13改性瀝青混合料和SMA-13改性瀝青混合料，下面層選用三種瀝青混合料，分別是AC-20改性瀝青混合料、AC-20基質瀝青混合料、SMA-20改性瀝青混合料，按試驗規程成型車轍板，進行車轍試驗，試驗結果如表1所示：

表1 車轍試驗結果

根據以上試驗結果， 上面層中SMA-13改的動穩定度高于AC-13改，下面層中AC-20基的動穩遠低于其它兩種混合料。

利用上表中的五種瀝青混合料，分兩次碾壓成型六種復合車轍板，其上、下層的搭配組合見表2：

表2 復合車轍板搭配組合

使用上表中的六種搭配組合，進行復合板車轍試驗，試驗結果見表3：

表3 復合板車轍試驗結果

試驗結果表明，六種搭配組合的復合車轍板動穩定度值處在2400～2800次/mm之間，差值基本處在試驗誤差范圍內，不同搭配組合車轍板的動穩定度與上層板存在一定的相關性，與下層板基本沒有相關性，說明上層板是復合板車轍試驗中產生車轍的主要區域，下層板內基本無車轍產生。

二、復合板車轍試驗和實際路面瀝青層內應力計算分析

上述試驗結果與預期的試驗結果不符，為了分析產生上述試驗結果的原因，利用ANSYS有限元計算軟件對復合車轍板和實際路面瀝青層的應力分布情況進行力學計算和分析。

1、計算參數的選擇

瀝青混合料是典型的粘彈性材料，模量從常溫下的600～1000 下降到高溫時的不足200 ，模量的變化又會影響到各層應力場的分布,所以應力計算時，根據不同的溫度選擇不同的計算模量。考慮到超載的影響，本文計算中采用三種壓力分別為0.7 、0.9 和1.1 。

車轍試驗的荷載應力計算圖式見圖1：

圖1 車轍試驗應力計算荷載作用圖式

實際路面結構組合按我國的典型路面結構進行，荷載應力計算圖式如圖2：

圖2 實際路面荷載應力計算圖式

2、瀝青層內壓應力分布情況對比分析

根據ANSYS有限元軟件計算結果，不同荷載作用下車轍板和實際路面瀝青層不同深度的瀝青層內壓應力分布情況如圖3所示：

復合車轍板的上面層所承受的壓力最大，隨車轍板深度的增加壓力迅速減小，在三種不同荷載作用下，在瀝青層深度達到4cm后，下層板所受的壓力均不超過0.4 ，在下層板具有一定的承壓能力后，基本上無車轍產生，說明復合板的壓實型車轍主要產生在上面層，下面層產生壓實型車轍的可能性很小。

實際路面的上面層所承受的壓力最大，隨著瀝青層深度的增加，壓應力下降速度較慢，在瀝青面層以下4～18cm深處，仍然承受著1.0～0.5 的壓力，尤其是在高溫條件下，瀝青混合料的模量在200 以下，在較大的荷載作用下，實際瀝青路面的4～18cm深處仍能產生較大的壓實型車轍。

3、瀝青層內剪應力分布情況對比分析

不同荷載、不同深度，車轍板和實際瀝青路面的剪應力分布情況如圖4所示：

車轍板瀝青層內剪應力隨深度的增加而增加的速率很大，在距板上表面1cm處出現最大剪應力，最大剪應力可達0.25 以上，隨板內深度增加，剪應力減小速度非常快，在板內4cm深處，最大剪應力不超過0.05 ，所以上面層是復合板車轍試驗中產生車轍的主要區域，下層板所承受的剪應力很小，不容易產生車轍。

實際路面瀝青層內剪應力與車轍板內剪應力的變化規律相同，隨深度的增加迅速增大，在達到一定深度后，隨瀝青層深度增加，剪應力減小，但其不同之處在于最大剪應力出現在距路表4～5cm處，正好處在上、下面層的交界處，最大剪應力可達0.1 ，然后剪應力隨瀝青層深度的增加而減小，但減小的速度緩慢，在瀝青層深度為10cm處，仍承受著約0.5 的剪應力，所以實際路面的中、下面層很容易產生車轍。

總之，復合板車轍試驗中，上面層所承受著較大的壓應力和剪應力，下面層所受的壓應力和剪應力很小，在下層瀝青混合料具備一定的抗壓強度和抗剪強度之后，對車轍試驗結果的影響不大，車轍主要產生在上面層；實際瀝青路面的中、下面層內仍承受著較大壓應力和剪應力，又由于中、下面層瀝青混合料的抗車轍性能有限，是產生車轍的主要區域。

三、結論

ANSYS有限元軟件計算結果和復合板車轍試驗均表明：

1）復合板車轍試驗時，上面層承受著較大的壓應力和剪應力，下層板處所承受的壓應力和剪應力均很小，車轍主要產生在上面層內，下面層基本無車轍產生；而實際路面中，上面層和下面層均承受著較大的壓應力和剪應力，所以上面層和下面層均有車轍產生。

2）車轍試驗和實際路面中，瀝青層內不同深度壓應力和剪應力相差較大，沒有客觀反映實際路面瀝青混合料的高溫抗車轍性能，使用其評價實際瀝青路面的抗車轍性能存在一定的局限性。

3）根據ANSYS有限元軟件計算結果，實際瀝青路面最大剪應力出現在瀝青層深度4～5cm處，高溫季節，瀝青路面深度10cm處，仍承受著高達0.5 以上的壓應力和0.1以上的的剪應力，很容易產生車轍，所以在路面設計中，要想取得良好的抗車轍性能，應適當提高中、下面層瀝青混合料的抗車轍性能。

圖3 復合車轍板和實際路面瀝青層內壓應力分布情況

圖4 不同荷載、不同深度車轍板和實際瀝青路面的的剪應力分布情況