分析氣候條件對城市道路瀝青路面車轍的影響

趙 進

重慶市忠縣市政園林管理所，重慶 404300

車轍是一種瀝青路面常見病害，對行車舒適性和安全性都有很大影響，而車轍是多項因素相結合產生的結果，其中氣候條件最為重要，因此，為了有效防治車轍，需對這一因素造成的影響進行分析。

1 溫度變化條件下車轍模擬

瀝青路面長時間處在自然環境當中，因環境條件不斷變化，面層處在十分復雜的環境中。與此同時，瀝青混合料是熱流變材料，其力學特性會受溫度直接影響。因此，在車轍分析過程中，必須重視溫度及其變化造成的影響。對此，應通過分析確定路面結構溫度場，在與實際情況相符合的條件之下開展車轍分析，以明確車轍和氣候之間的關系。

利用有限元的方法實施數值模擬，其實現過程為：（1）把1d等分成24個時間段，設不同時間段的溫度保持不變，采用0.5h的固定時間增量步對溫度場進行數值模擬，以此為溫度變化條件下的車轍分析奠定良好基礎；（2）把1d等分成24個蠕變分析步，設不同蠕變分析步保持恒定的溫度場，然后將通過溫度場分析獲取的文件導入，對應參數為依據對溫度變化條件下的車轍進行分析和模擬[1]。

2 溫度場分析

2.1 基于不同氣候條件的數值模擬

將瀝青路面作為研究對象，結構組成為：上面層采用SMA-13，厚度為4cm；中面層采用AC-20，厚度為6cm；下面層采用AC-25，厚度為8cm；基層采用水泥穩定碎石，厚度為40cm；底基層采用二灰土，厚度為20cm。模型水平方向上的寬度確定為4m，底基層1m以上部分為有限元單元，以下為無限元單元，受車輪荷載持續作用的部分進行網格細化，由于路面結構及其所用荷載具有對稱性，所以可取其1/2來分析。

在確定混合料自身熱特性的基礎上，溫度場主要取決于氣象條件。根據7d內測得的氣象數據，對溫度場實施分析。混合料主要熱力學參數如表1所示。邊界條件為：混合料和外界發生的熱交換集中體現于上表面；水平方向上不考慮溫度梯度，也不考慮由側面邊界等帶來的影響；基層較深部位的溫度基本不發生波動，將其視作溫度恒定的邊界。路表面對太陽輻射的實際吸收率確定為0.85；路表面和大氣之間的發射率確定為0.90；以測得的日均風速為依據計算對流換熱系數；結構底部邊界溫度確定為20℃。

表1 混合料主要熱力學參數

2.2 結果和驗證

結合熱物理參數與各項邊界條件進行模型的建立并開展數值模擬分析，可得出各氣象條件中路面溫度產生的變化。從結果中可知，實測值和計算值具有相同的溫度值規律，誤差不超過10%。可見，該數值方法完全可行，準確性高，可用于提供必要的溫度數據[2]。

3 溫度持續變化條件下的車轍計算和結果

3.1 計算模型和參數

在分析溫度變化條件下的車轍時，首先要確保路面的溫度場模型、車轍分析與計算模型有相同的網格及幾何尺寸。因車轍是一種面層病害，基層及其以下的實際貢獻較小，所以可使用Creep模型對混合料具有的蠕變特性進行分析描述，該模型的表征方式為：

當溫度在20～60℃的范圍內變化時，對混合料的蠕變性和抗壓回彈特性進行分析實驗，確定相應的參數。混合料泊松比和溫度及其變化之間的關系為：（1）SMA-13混合料：當溫度從20℃以10℃為間隔升高至60℃時，回歸系數A從6.535×10-11變為1.465×10-5，回歸系數m從0.936變為0.335，回歸系數-0.591變為-0.501，彈性模量從871MPa變為525MPa，泊松比以0.05從0.25遞增至0.45；（2）AC-20混合料：當溫度從20℃以10℃為間隔升高至60℃時，回歸系數A從4.581×10-11變為7.777×10-5，回歸系數m從0.945變為0.385，回歸系數n從-0.597變為-0.442，彈性模量從912MPa變為381MPa，泊松比以0.05從0.25遞增至0.45；（3）AC-25混合料：當溫度從20℃以10℃為間隔升高至60℃時，回歸系數A從4.591×10-11變為3.754×10-5，回歸系數m從0.921變為0.211，回歸系數n從-0.582變為-0.420，彈性模量從10.32MPa變為392MPa，泊松比以0.05從0.25遞增至0.45。由此可以看出，隨著溫度的增加3種混合料的回歸系數A均呈遞增趨勢，回歸系數m遞減，回歸系數n遞增，彈性模量變小，泊松比均勻增加。

水泥穩定碎石的彈性模量與泊松比分別為1200MPa、0.20 ；二灰土的彈性模量與泊松比分別為300MPa、0.30 ；路基土的彈性模量與泊松比分別為60MPa、0.40。

車輛輪胎和路面之間的接觸面是由矩形與半圓構成的，可將其等效成矩形。基于此，可對雙圓荷載進行簡化，得到雙矩形荷載，其分布保持均勻，長、寬分別為19.2cm和18.6cm，輪胎之間的距離為31.4cm。因當前的重載交通情況十分嚴重，軸重一旦發生變化將使接觸面積與壓力都發生很大的變化。對此，遵循荷載作用時間持續累計這一基本原則對動態荷載進行簡化，得到靜態荷載，簡化方式為：

式中：Tt—累計時間；T0—加載時間，是長度與平均車速之比；N—荷載的總作用次數。根據車輛軸載情況，將每日的軸載作用總數確定為6000次，車速取120km/h，由此采用公式（2）對各軸載條件下的總累計時間進行計算[3]。

3.2 結果與分析

借助溫度變化條件下路面車轍的分析方法，對以上氣象因素及軸載水平實施組合建模與分析（3×7），結果為：（1）1d氣象條件下，3種軸載水平對應的輪胎壓力分別為0.70、0.88、1.11MPa， 車 轍 深 度 分 別 為0.895×10-2、1.292×10-2、1.732×10-2mm；（2）2d氣象條件下，3種軸載水平對應的輪胎壓力分別為0.70、0.88、1.11MPa，車轍深度分別為0.628×10-2、0.907×10-2、1.215×10-2mm；（3）3d氣象條件下，3種軸載水平對應的輪胎壓力分別為0.70、0.88、1.11MPa，車轍深度分別為0.902×10-2、1.300×10-2、1.743×10-2mm ；（4）4d氣 象 條 件下，3種軸載水平對應的輪胎壓力分別為0.70、0.88、1.11MPa，車轍深度分別為1.003×10-2、1.449×10-2、1.942×10-2mm；（5）5d氣象條件下，3種軸載水平對應的輪胎壓力分別為0.70、0.88、1.11MPa， 車 轍 深 度 分 別 為0.836×10-2、1.205×10-2、1.615×10-2mm；（6）6d氣象條件下，3種軸載水平對應的輪胎壓力分別為0.70、0.88、1.11MPa，車轍深度分別為1.068×10-2、1.544×10-2、2.067×10-2mm；（7）7d氣象條件下，3種軸載水平對應的輪胎壓力分別為0.70、0.88、1.11MPa，車轍深度分別為0.855×10-2、1.235×10-2、1.655×10-2mm。

從中可以看出，隨著輪胎壓力不斷增大，車轍量明顯增加；午夜到清晨這一時間段無太陽輻射，結構散熱，溫度降低，車轍變化趨于平緩；太陽輻射逐步增強時，結構溫度上升，車轍變化明顯上升；隨后，盡管太陽輻射會有所減弱，但結構內部依然上升，車轍變化進一步上升；如果太陽輻射消失，構件將開始散熱，實際溫度降低，車轍的變化將趨于平緩。

4 結語

綜上所述，對瀝青路面而言，車轍大多產生在高溫季節，此時的溫度保持在20℃以上，車轍變化曲線經分析呈現出S型，影響因素除溫度外還包括輪胎壓力、太陽輻射。以上分析及結果對車轍預估均有一定參考借鑒價值。