溫度及荷載對瀝青路面車轍的影響分析

吳同山

（新疆塔城公路管理局塔城分局，新疆 塔城 834700）

0 引言

在瀝青路面產生的各種病害中，車轍病害占有很大比例。車轍是指路面因重復行車或超重荷載產生的永久性壓痕。這種壓痕是瀝青路面最普遍的一種損壞形式，也一直是道路工程人員研究的主要課題。車轍會導致路面積水，致使駕駛人員無法判斷路面障礙的深度和寬度，從而對行車舒適性產生較大影響，也不利于人們安全出行。此外，車轍是瀝青路面周期性評價以及維護、保養中的重要指標。瀝青路面車轍深度和寬度的檢測能為道路工程人員提供重要信息，可為路面的養護、維修和翻修的科學決策提供技術支持。

國內學者在瀝青路面車轍病害方面已經開展了許多研究。蘇凱、孫立軍于2006年系統總結了目前國內外典型的車轍等效溫度計算方法，提出了一種車轍等效溫度計算的新思路，同時結合路面溫度場建立預估模型進行驗證分析，最終提出確定車轍等效溫度的合理化建議[1]。敖星于2012年利用加速加載試驗機，通過正交試驗方法對比分析了不同荷載、溫度與速度組合對瀝青混合料抗車轍性能的影響程度，結論是溫度和速度對瀝青混合料的抗車轍性能的影響小于荷載的影響，導致車轍產生的最不利因素組合為低速、高溫和重載[2]。

本文首先采用有限元計算方法計算出不同環境條件下的路面結構溫度場；然后在此基礎上結合行車荷載對路面車轍進行計算，探討和分析不同溫度條件和不同行車荷載作用下的車轍發展趨勢和規律。

1 溫度場及行車荷載計算理論

在路面結構確定的情況下，溫度場的主要影響因素包括太陽輻射、路面有效輻射和熱對流三方面。

1.1 太陽輻射

太陽輻射q（t）的日變化過程采用下列函數表示：

式中，q0為中午最大輻射，q0=131mQ；m=12/c；c為實際有效日照數；Q為太陽輻射量；ω為角頻率， ω=2π/24； t表示時間。

1.2 路面有效輻射

瀝青路面有效輻射的大小與諸多因素相關，如地面溫度、氣溫、云星、空氣的濕度及透明度等。地面有效輻射的邊界條件如下式所示：

式中，qF為地面有效輻射；ε為路面發射率；σ表示黑體輻射系數；Ta表示大氣溫度；T1|z=0表示絕對零度值，為-273℃。

1.3 熱對流

大氣溫度在太陽輻射的影響下呈現出周期性的變化特征，可采用兩個正弦函數的線性組合來模擬氣溫的日變化過程，其公式為：

式中，Ta表示日平均氣溫；Ta=（Tmaxa+Tmina）/2；Ta表示大氣溫度；Tm表示日氣溫變化幅度，Tm=（）/2；t0為初相位，最大太陽輻射和最高氣溫出現的時間差加7；ω為角頻率，ω=2ω/24。

根據溫度場計算理論，進行瀝青路面結構力學計算。本文選取7個荷載集度進行計算，以對比不同荷載對車轍的影響。

2 溫度及荷載對車轍的有限元分析

2.1 路面結構及材料參數

為便于研究，本選取湖南省某公路瀝青路面C段為研究對象，瀝青路面C的結構及各層參數見表2-1。

表2 -1 瀝青路面C的結構及各層參數

2.2 有限元模型計算

根據表2-1所示的路面結構及各層參數，可以對瀝青路面C進行三維有限元分析。采用標準雙圓荷載，分析范圍在X、Y軸方向分別為2.5m。邊界條件假設為各層間之間呈完全連續狀態，前后兩側沒有Y方向位移，左右兩側面沒有X方向位移，底面沒有Z方向位移。

將柔性基層和面層看成粘彈性材料，材料的本構模型采用Burgers模型。該模型是由Maxwell和Kelvin兩個模型串聯而成的四元件模型，對于瀝青材料的粘彈力學性質能夠有較真實地反映。Maxwell和Kelvin模型的應力相等，在應力σ作用下，均為σ，其應變分別為ε1和ε2，總應變為兩者之和。根據上文可得其本構方程：

模型的蠕變柔量方程為：

利用Burgers模型對松弛性質的分析，可得松弛模量方程為：

采用Burgers模型可以定性地解釋混合料永久變形發展情況，對瀝青混合料的實際變形特征會有較好地反映。墊層和半剛性基層則被看成完全彈性體系，材料本構模型采用廣義虎克定律，有：

式中，E為與彈性有關的常數；ε為應變；σ為應力。通過靜態蠕變試驗得到的蠕變曲線關系圖以及大量數據來考慮溫度在有限元中的計算。根據Burgers模型加載卸載過程中的蠕變關系方程，加載過程為：

利用最小二乘法原理進行編程分析計算，輸入蠕變試驗數據（應變ε及時間t），并根據已有資料取參考初值即可得到不同溫度下材料的Burgers模型參數 （E1， η1， E2， η2）。

卸載過程為：

2.3 荷載的作用及分析

一天中的行車荷載并非均勻分布，不同時段的溫度場也不相同，因此只有將某一時刻的路面溫度場與當時的行車荷載相結合，才能比較準確地計算出車轍的發展趨勢和效果（見表2－2）。

表2 －2 不同時段荷載的累積作用時間

2.4 模型計算結果分析

為體現溫度變化對于車轍的影響，分別對在溫度為20℃、30℃、40℃、50℃和60℃時的車轍試驗進行研究，試驗結果見表2-3。

表2 －3 各種溫度及荷載條件下車轍計算結果

由表2-3可以得出以下結論：

a）保持荷載作用次數不變，隨著溫度的升高，車轍變形逐漸增大，但兩者之間并不是單純的線性關系，而是呈現出突變的非線性關系；保持溫度不變，隨著荷載作用次數增加，車轍變形增大，車轍的發展隨著行車荷載作用的增大而呈線性增大趨勢；

b）當溫度超過50℃之后，車轍的發展速度要比20～50℃時更加明顯，說明瀝青路面在受到荷載作用次數增加和溫度升高的雙重作用之后，車轍變形越發明顯，這是因為溫度的升高使得材料抗變形能力下降，同時當溫度逐漸升高時瀝青混合料的粘性系數和彈性模量都會減小，從而導致車轍深度明顯增大。

綜上所述，車轍的總體變化趨勢是隨著行車荷載的增大而增大，因此，超載將大大縮短瀝青路面的使用壽命，所以必須進行嚴格控制，以避免車轍病害的加速發展。此外，車轍在高溫條件下隨行車荷載的增長幅度要小于低溫條件下的增長幅度，這是由于高溫條件下車轍深度絕對值更大，因而超載作用在高溫條件下的危害更大。

3 結語

本文對于湖南省某公路瀝青路面車轍在環境溫度及行車荷載影響下形變大小的分析，可以有效指導瀝青路面施工中材料的運用。研究表明，應正確疏導瀝青路面的車流量，嚴格限制超載情況發生；在高溫季節應加強對瀝青路面的實時監測，以有效減少車轍等路面病害的發生幾率，從而延長路面的使用期限，保障路面行車的安全性和舒適性，為人們日常出行提供便利。

[1]蘇凱，孫立軍.車轍等效溫度確定方法探討[J].大連理工大學學報，2006，（s1）：162-167.

[2]李力科.高速公路瀝青路面早期車轍現象的成因[J].民營科技， 2012， （2）： 204.

[3]關宏信，張起森，羅增杰.考慮溫度梯度瀝青路面面層全厚式車轍試驗[J].土木工程學報，2011，（6）： 143-147.

[4]鄭南翔，牛思勝，許新權.重載瀝青路面車轍預估的溫度-軸載-軸次模型[J].中國公路學報，2009，（3）：7-13.