水平荷載作用下瀝青路面變形研究

趙秀云 封妍 朱輝 劉媛媛

(山東協和學院，山東 濟南 250107)

水平荷載作用下瀝青路面變形研究

趙秀云 封妍 朱輝 劉媛媛

(山東協和學院，山東 濟南 250107)

車轍是瀝青混凝土路面常見的一種病害形式。產生車轍的原因包括內因（瀝青混合料、路面結構設計）和外因（施工因素、交通條件、氣候條件）兩大類。本文主要從水平制動力、溫度、行車速度三個方面對車轍的影響展開分析，對比了這三種影響因素對瀝青混凝土路面車轍的影響。研究表明：水平制動力越大，車轍深度越小；溫度越高，車轍深度越大；行車速度越快，車轍深度越小。

瀝青混凝土路面；車轍；水平制動力；溫度；行車速度

在車輛正常行駛狀態下，車與路之間的摩擦作用較小，水平荷載對路面的作用可以忽略不計[1]。但是，在道路交叉口、停車站及收費站等地段，在車輛頻繁制動、啟動作用下瀝青路面將會受到較大的水平荷載，容易產生波浪型車轍、擁包和疲勞損害等永久變形形式[2]。其中，車轍的產生是內因和外因綜合作用的結果，內因包括瀝青混合料和路面結構設計，外因包括施工、交通、氣候條件[3]。在此次研究中，采用ABAQUS大型有限元軟件，就水平荷載反復作用引起的瀝青路面車轍響應進行了相關數值計算研究，根據計算結果分析了在水平荷載作用下的瀝青路面車轍對溫度、水平制動力和行車荷載的敏感性。

1 水平荷載的簡化和模型的建立

1.1 水平荷載的簡化

普渡大學的JianFeng Hua采用多個加載步和“以靜代動”的加載方式對同一路面結構的車轍深度進行的模擬研究，結果表明采用兩種加載方法得到的車轍深度是一樣的，從而證明了“以靜代動”的加載方式的可行性。本文首先確定豎直荷載形式，標準軸載BZZ—100采用的布置形式是單軸雙輪組形式，每個單輪的荷載為25kN，接地壓強表示為單位面積上的作用力，為0.7Mpa，單輪荷載接地面積為在模擬計算中將荷載形式及輪隙間距確定為如圖1所示的形式[4-6]：

圖1 車輪荷載接地面積布置形式

1.2 模型的建立

實際的路面結構在垂直方向和水平方向都是趨向于無限的，但在有限元進行求解的時候，不能在無限區域內劃分單元。考慮到計算結果的精確性和計算時間的長短，本文在計算中選取的路面結構模型的長、寬、高分別為6m、6m、6.78m。路面結構三維有限元模型如圖2所示：

圖2 路面結構三維有限元模型

2 計算結果分析

2.1 不同制動力水平對瀝青路面車轍的影響

本文計算采用的水平制動力為0.1MPa、0.3MPa和0.5MPa三個水平，研究得到車速為50km/h時，不同溫度條件下、不同制動力水平對車轍深度的影響結果如圖3所示。

圖3 不同制動力水平下的車轍隨加載時間的變化（a）及橫向分布（b）

從圖3中可以看到，在行車速度為50km/h，溫度為40℃時，隨著水平制動力的增加，由行車荷載作用引起的路面車轍深度是逐漸減小的，在水平制動力為0.1MPa時，其車轍深度為11.09mm，在水平制動力增長到0.3MPa時，車轍深度則為10.85mm，制動力為0.5MPa時，車轍深度進一步減小為10.54mm，可見在水平制動力的對車轍深度也有所影響，車轍會隨水平制動力的增加而減小；從道路的橫斷面上來看，溫度為40℃和50℃時，由于水平制動力的作用，在車轍的兩側并沒有產生隆起，這主要是因為在溫度相對較低的時候，路面材料的流變性能較高，在水平制動力的作用下把其推向了車輪作用的前方。

2.2 有水平荷載作用下，溫度對瀝青路面車轍的影響

研究得到水平制動力為0.3Mpa時，不同車速、不同溫度條件下對瀝青路面車轍的影響，計算結果如圖4所示。

圖4 不同溫度下的車轍隨加載時間的變化（a）及橫向分布（b）

溫度對瀝青混合料的性能有重大影響。瀝青混合料的溫度高，則其流變性顯著，在荷載及制動力的作用下，更容易產生車轍。從圖 4中可以看出，瀝青混合料在溫度為60℃的車轍變形在經過50萬次的標準軸載碾壓后要比50℃的值大一倍左右，而50℃與40℃的差值卻沒有達到一倍，這說明隨著溫度增加，瀝青混合料的流變性能越來越顯著，不只是簡單的倍數增加。（b）圖為路面材料永久變形的橫斷面圖，可以看到在60℃時的車轍變形影響范圍較大。

2.3 行車速度對瀝青路面車轍的影響

研究得到水平制動力為0.1Mpa時，不同溫度、不同行車速度條件下對瀝青路面車轍的影響，計算結果如圖5所示。

圖5 不同行車速度下的車轍隨加載時間的變化（a）及橫向分布（b）

由圖 5可見，在溫度和制動力相同情況下，行車速度越大，路表的車轍深度則越小，在經過50萬次荷載作用下，行車速度30km/h時的路表車轍深度與行車速度50km/h所導致的車轍深度的差值要比車速50km/h與70km/h所引起的路表車轍差值大，這主要因為行車速度小，則作用時間長，在時間硬化蠕變模型中認為，材料的應變為時間的函數，作用時間越長則應變越大。從荷載作用的橫斷面看，在相同溫度條件下，材料的變形范圍在橫斷面上是相同的，與水平制動力無關。

3 結論

經過對水平制動力、溫度和行車速度這三個外界因素分析，有如下結論：在車轍深度方面，水平制動力越大，則引起的車轍深度越??；溫度越高，則車轍深度越大；行車速度越大，則車轍越小。從總得方面看，溫度是對瀝青路面材料影響最大的因素，外界溫度直接影響了路面材料的性能，溫度越高，路面材料的模量越大，流變性能越顯著；其次是行車速度對瀝青路面永久變形的影響，這主要是因為，行車荷載其實是代表了荷載作用時間，速度越大則作用時間越短，瀝青路面材料的永久變形為荷載作用時間的函數，作用時間越長，則永久變形越大；水平制動力對車轍的影響最小，因為路面結構在垂直方向上的變形主要受正應力的影響，制動力為水平方向上的力，與其垂直，對其影響較小。

[1] 中華人民共和國交通部.JTG D50-2006公路瀝青路面設計規范[S].北京：人民交通出版社，2006.

[2] 沈金安.瀝青及瀝青混合料路用性能[M].北京：人民交通出版社，2001.

[3] 馬華堂,孫建豪,張新旺等.公路工程病害分析與防治[M].鄭州：黃河水利出版社.2008.

[4] 楊群,郭忠印,陳立平.考慮水平荷載的公路隧道復合式路面表面拉應力分析[J].公路交通科技，2006，23 (1)：16-19

[5] 何兆益等.基于Johnson-Cook黏彈性模型的瀝青路面車轍計算[J].重慶交通大學學報.2010.Vol.29，No.1

[6] 廖公云. 黃曉明. ABAQUS有限元軟件在道路工程中的應用[M]. 南京：東南大學出版社. 2010.

U45

B

1007-6344（2015）08-0313-02

郭靖，女，陜西工業職業技術學院，土木工程學院，助教，碩士，工程造價教研室。

注：本文為校級科研項目：基于非線性特性的瀝青路面車轍預估研究，項目編號：XHXY201307。

作者簡介：趙秀云（1986.3—），女，山東聊城人，碩士，山東協和學院講師，研究方向為：道路與鐵道工程。