交通流荷載對瀝青路面車轍的影響分析

丁和平，何　杰，宋　亮（.宿州學院　經濟管理學院，安徽　宿州　34000；.東南大學　交通學院，江蘇　南京　0096）

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交通流荷載對瀝青路面車轍的影響分析

丁和平1，何杰2，宋亮1
（1.宿州學院經濟管理學院，安徽宿州234000；2.東南大學交通學院，江蘇南京210096）

摘要：車轍是瀝青路面特有的主要破壞現象之一.本文選擇鄭漯高速，觀察交通流量和車輛軸載，考慮垂直力和水平力，就交通流荷載對瀝青路面剪切和壓密變形的影響進行分析，選取幾種不同輪胎接地壓強下瀝青面層內部不同深度處的剪應力和壓應力進行計算，分析交通流荷載對瀝青路面車轍病害的影響規律，驗證車轍形成機理.

關鍵詞：半剛性基層瀝青路面；車轍；有限元分析；交通流

本文選擇鄭漯高速，觀察它的交通流量和車轍，研究路段的結構為半剛性基層瀝青路面，用ANSYS有限元分析軟件建立該路段的結構模型，車輛對路面的力作用分為垂直力和水平力，觀察交通流荷載對瀝青路面剪切和壓密變形的影響并進行分析，選取幾種不同輪胎接地壓強下瀝青面層內部不同深度處的剪應力和壓應力進行計算，分析交通流荷載對瀝青路面車轍病害的影響規律，驗證車轍形成機理，探討以車轍作為瀝青路面設計指標之一的可行性.

1　車轍的成因

汽車荷載作用于瀝青路面，產生豎直方向的變形，時間一久，就會產生路基、基層和面層的永久變形，這就形成了車轍，但是目前我國等級較高公路的基層大多數采用的是半剛性，因為半剛性基層的剛強度比較大，而且汽車荷載的應力擴散到路基的比較小，所以路基的受力及變形也很小，可以忽略.這樣路基和基層的永久變形占車轍總量的比例就很小.通過大量的實地調研和研究分析，車轍的90%是由于路面面層的變形引起的，所以，車轍產生的主要原因是瀝青面層的永久變形.

2　觀測路段交通流量與車轍調查

2.1觀測路段交通流量調查

鄭漯高速距離約143km，起始鄭州，行至漯河，是國家南北公路大動脈京珠國道主干線的重要區段，也是京港澳主干線的重要組成部分，已成為國內車流量最大的高速路段之一.

鄭漯高速公路交通量資料來自河南中原高速公路網，表1是該高速路的年平均日交通量.

表1　交通流量表

2.2車轍調查

鄭漯高速公路全線路面均發生車轍病害，采用激光車轍測試儀檢測行車道和超車道車轍深度，由于測得的數據繁雜，故每隔八個樁號取一個代表車轍深度，全線車轍分布如圖1～圖2所示.

根據各個國家公路要求的車轍深度，依據我國路面的狀況，路面車轍不會發生積水是在車轍的深度小于10毫米時，當車轍的深度大于25毫米時，車輛就會顛簸不穩，人們坐車就會感到不舒適.所以，車轍的深度不應該超過10毫米到25之間.

由圖1和圖2可知，鄭漯高速整段都有著不同程度的車轍，而且行車道的車轍比超車道嚴重的多，車轍比較嚴重的路段集中在許昌至漯河路段，最大車轍深度達35mm.

圖2　下行行車道與超車道車轍分布圖

圖1　上行行車道與超車道車轍分布圖

3　半剛性基層瀝青路面三維有限元分析建模

3.1粘彈性路面結構模型

據我國《公路瀝青路面設計規范》[1]，將本研究路段的路面結構簡化為四層，每一層都具有自己的特點，具體特點可用表2中的參數體現.

表2　路面模型的參數

該路面模型長為6m、寬為4m、高為1.58m，分析粘彈性路面模型時用Burgers模型和8節點solid185單元，因為計算精度的問題，路面模型的車輛行駛的地方的網格劃分比較密集，其他區域的網格比較粗化，總共有44800個單元，車輛運行方向見下圖3[2].

圖3　路面模型

3.2邊界條件的確定

考慮到推導方程及求解的復雜性，為了便于有限元分析，需對該路面作若干的假設：

（1）假設路面是完全的粘彈性、材質均勻的材料.那么該材料全部符合三維的本構方程，即線粘彈性，參數可以是常數.

（2）假設路面是全部連續、無負荷應力為零的材料，即路面的初始的應力是零.

（3）假設路面受力后會發生很小的變形，所以層狀粘彈性體系的力學中的代數、微分方程都可以簡化成線性方程.

（4）假設該路面的無窮的遠處位移、變形和應力是零.

文章通過試算采用以下邊界條件：路面ANSYS有限元分析模型中平行于X軸的面的單向固定約束為X，和Y軸平行的面的單向固定約束是Y方向，路底的面用全部固定的約束.

3.3加載及求解

Beer M是南非學者，他研究了一些型號的輪胎作用在路面上的壓力，結果發現，在一定的載荷范圍內，輪胎中部（大約為整個輪胎寬度的60%）的壓力幾乎是不變的，增加的壓力則在輪胎的兩側，如下圖圖4示，因此文章P0取0.717Mpa，P1分別0.673Mpa、0.705Mpa、0.723Mpa、0.738Mpa，根據研究結果回歸出來的接地壓力分布公式為：

P1=-0.53F2+57.46F-534.05

P0=0.86P+175（2）

式中：F為輪胎負載(KN)，適用范圍為20～ 50kN；P為輪胎胎壓(KPa)，適用范圍為420～720kPa.P0和P1分別為輪胎荷載接地印跡內的中心區壓力和邊緣區壓力.

圖4　輪胎荷載接地印跡及壓力分布圖(x方向為行車方向)

模型采用階躍式負荷來模擬車輛的動負荷，輪胎和地面接觸的地方取為矩形.每個輪胎的接地的矩形面積取24cm×16cm，在ANSYS中該模型正好覆蓋了16個單元，取兩個輪胎的負荷，車速為70km/h，車輪負荷在一組單元上行駛持續0.003s，向前移動一個單元的時間為0.003s，這樣車輪在每個單元上的持續行駛時間為0.012s，ANSYS中自帶有Full法和瞬態求解器求解，分析點取路中央的垂直各層節點，因為該處是路面最大的受力位置[3].

4　關于交通荷載對路面面層的應力的影響的計算結果

交通荷載對路面的影響主要是作用時間的延長和應力的增大.鄭漯高速的基層是半剛性的，瀝青路面的物料會發生流動粘滯，對基層有一定的壓實作用，所以它的車轍主要是失穩型的和壓密型的，現分析交通荷載對瀝青路面的剪切和壓密變形的影響.

根據計算結果得到幾種輪胎不同的接地壓力下，不同的計算點，不同深度處的最大壓應力和剪應力值與深度的關系，如圖5、圖6所示：

圖5　不同軸載下瀝青層內不同深度的最大壓應力

從圖5可得，隨著荷載的增加，瀝青面層的壓應力增大，輪胎接地壓強為0.723MPa時，瀝青表面層壓應力為349329Pa，輪胎接地壓強為0.738MPa時，瀝青表面層壓應力達到了418129Pa，增大了20%.

從圖6可得，隨著荷載的增加，瀝青層內的剪應力逐漸變大，剪應力的峰值在輪胎邊緣處的路表下15mm處，輪胎接地壓強為0.723MPa時，瀝青表面層剪應力為124853Pa，輪胎接地壓強為0.738MPa時，瀝青表面層剪應力達到了144409Pa，增大了15.7%.

圖6　不同軸載下瀝青層內不同深度的最大剪應力

5　結論

由此可見，水平力是瀝青路面破壞的主要因素.而在現實中車轍的形成影響因素是非常繁雜的，在路面研究中，怎樣有效的考慮水平力的影響還需進一步探究，而且怎樣應用到路面的結構設計及路面材料的設計等，這樣才能預防車轍，預防路面破壞.

參考文獻:

〔1〕中華人民共和國行業標準.公路瀝青路面設計規范.JTG D50-2006[M].北京:人民交通出版社,2006.9-10.

〔2〕丁和平,何杰,趙池航,陳一鍇.非均布動載荷下瀝青路面粘彈性有限元分析[J].武漢理工大學學報,2011,33(2):68-69.

〔3〕丁和平,何杰,陳一鍇,劉霞.重型貨車聯軸間距對瀝青路面的影響[J].公路交通科技,2011,28(7): 43-44.

收稿日期：2015-11-25

中圖分類號：U416.217

文獻標識碼：A

文章編號：1673-260X（2016）01-0076-03