考慮路表負水壓的瀝青路面動水作用分析

李宇 高世柱 李秀君

摘 要：為研究路表負水壓力對瀝青路面動水分布的影響，基于Biot固結理論，采用ANSYS建立路面的三維有限元模型，通過施加移動荷載獲得各結構層內部動水壓力分布。數值模擬結果表明，移動荷載在路面內產生正負交替的動水壓力，隨著軸載與車速的增加，正負動水壓力峰值均顯著提升;路面動態彎沉在卸載后并不能瞬時完全恢復;路表負水壓力的施加會使水流產生自下而上的定向流動，與輪前正水壓力形成正負交替的沖刷作用。

關鍵詞：瀝青路面;水損害;數值模擬;動水壓力

中圖分類號：U416? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號：1006—7973（2021）06-0151-04

1 引言

在降水較為集中的夏季，南方地區的瀝青路面常處于飽和浸水狀態，受車輛荷載作用產生的動水壓力對瀝青混合料產生沖刷作用，使瀝青與集料之間的粘結強度下降，最終引發路面松散、坑槽、唧漿等水損害。姜旺恒[1]研究了高溫條件下定向沖刷對瀝青料的影響，結果表明經高溫水沖刷后瀝青膠漿的粘度降低，混合料更容易產生剪切破壞。王英[2]設計了一種新型動水沖刷裝置，借助CT掃描試驗發現動水沖刷作用會導致混合料內部孔隙增多，并加劇了混合料力學性能的衰退。相關現場實測表明，車輛荷載在路面內部產生正負交替的動水壓力，在輪胎前后分別產生“擠壓”與“泵吸”作用，加速了水損害的進程[3～5]。

影響路面動水壓力的因素主要有車速、車載、路面材料、路面結構等，隨著超載車輛的增多，路面材料變形增加，孔隙水受擠壓作用更加劇烈，而當車速較快時，界面處水壓來不及消散，使得車速與路表動水壓存在相關性[6]。目前部分研究中通過施加半正弦荷載的方式模擬車輛荷載對路面的脈沖作用，這與實際中的移動荷載并不完全一致，并且未考慮輪胎前后擠壓與抽提產生的水壓。因此本文將采用ANSYS軟件中的CPT流固耦合單元，考慮輪胎前后的動水壓力，建立更符合實際的流固耦合計算模型，并通過施加移動荷載，探討軸載、車速等因素對動水壓力分布的影響。

2 計算模型與參數

2.1計算模型與邊界條件

目前對路面進行流固耦合分析時，多基于Biot固結理論[7～8]，該理論將瀝青混合料視為多孔介質，當混合料發生體積變形時，對孔隙中的水分產生擠壓作用，從而產生動水壓力。為簡化模型計算，假定路面各結構層為均質、各向同性的理想彈性體，孔隙水及所有路面材料均不可壓縮，且孔隙率分布均勻。

此處采用有限元軟件ANSYS中的CPT216流固耦合單元與SOLID186實體單元建立路面三維有限元模型，并選取典型的路面結構，具體路面結構分層見圖1。路面模型的長為8m，寬為6米，面層采用CPT216單元劃分，其他結構層采用SOLID186實體單元。邊界條件為：瀝青層與基層間不透水，荷載施加處不透水，其余邊界均為透水邊界。

瀝青路面結構模型如圖1所示。

2.2 荷載施加

車輛行駛過程中，輪載以脈沖的方式作用于瀝青路面上表面。動態荷載的施加方式主要有兩種：一是在輪載作用面處施加半正弦形式的周期荷載，這種加載方式無法反映車載的移動效應，另一種是在模型表面施加移動荷載，這與實際中車輛對路面的作用更為接近，此處采用第二種加載方式。為方便有限元模型中移動荷載的施加，將雙圓均布荷載（BZZ-100）轉化為等效矩形荷載，單個矩形荷載長為24cm，寬為15cm，縱向網格尺寸為4cm。當車速為60km/h時，矩形荷載在每前進4cm時，停留時間t=0.0024s，由于移動荷載每一步的停留時間與移動距離很小，因此模擬移動車輛時結果的收斂性較好。

當車速較快時，輪胎與地面的接觸時間短，車輪擠壓路面產生的瞬時水壓力不能及時消散，使得車速與正水壓力存在相關性[5]。當車輪駛離時，輪胎后方會產生負動水壓力，該數值與車速及輪胎花紋存在關聯，并且負水壓力峰值要小于正水壓力峰值[4]，此處取負水壓力值為1/2正水壓力峰值。

荷載組合方式為動水壓力+車速+軸載，具體見表1。

2.3 材料參數與路面結構

路面結構的面層為瀝青混合料，基層與底基層采用水泥穩定碎石，具體材料參數如表2。

3 結果分析

3.1 動水壓力時程變化分析

圖1為移動荷載作用下A點下方不同結構層動水壓力的時程變化曲線。從圖3-a中可以看出，由于路表部分結構變形大，并且額外施加的正動水壓力也作用在路表，使得正動水壓力的峰值出現在路表處，并且隨著深度增加其峰值逐漸降低。當輪載移動時，輪后部分受荷載作用較小，卻產生了負水壓力峰值，這表明輪后路面變形的恢復是產生負水壓力的主要原因。當基于Biot固結理論時，水分發生流動的同時路面產生固結變形，使得卸載后路面變形并不能瞬時完全恢復，最終負水壓力峰值要小于正水壓力峰值。

對比圖3-a與圖3-b，車速從60km/h提升至120km/時，各層正水壓力峰值均增加了約一倍，并且負水壓力峰值也呈現出相同規律，這是由于車速提升時，輪胎對路面的作用時間縮短，使得水分不能及時排除，水分承受更多的輪載作用，從而產生更大的動水壓力。對比圖3-b與圖3-c，當軸載從0.7MPa變為1.1MPa時，路表正負水壓峰值增加約38%，并且動水壓力作用時間也出現了增長，這是因為超載車輛的輪胎接地處會產生更大的橫向與豎向變形，使得動水壓力的作用范圍進一步擴張，這會導致重載交通下路面的水損害更易發生，并且病害面積更廣。

前三種荷載組合下負水壓力峰值均出現在上面層底部。當在路表施加負水壓力作用時（圖3-d），路表負水壓力峰值增加，并且隨著深度增加不斷遞減，呈現出與正動水壓力相似的規律。

路面動水壓力變化總體上呈現出正負交替的特點，當瀝青路面頻繁受到動水作用時，必然會引發松散、脫落等病害，對車輛的軸重與車速有效規范，可以減緩瀝青路面水損害的發生。

3.2 路面動態彎沉

路面彎沉值通常在車輛處于靜止狀態下采用貝克曼梁彎沉儀測得，為反映移動荷載對路面豎向變形的作用，此處以動態彎沉值對比分析干濕狀態下的路面變形。干燥狀態下路面整體采用線彈性模型，在除水頭邊界后，其余條件與飽水狀態下相同。

圖4為路面沿行車方向測量點A豎向變形的變化曲線。從圖中可以發現，由于干燥狀態下路面采用的為線彈性模型，沿行進方向路面豎向變形呈對稱分布，車胎后方路面變形會在卸載后瞬時完全恢復。分析荷載組合A，B，C可以看出，隨著車速與軸載的提升，測量點A處動態彎沉值增加，而當移動荷載駛離后，該點的豎向變形并未完全恢復，呈現出排水固結的狀態，與Biot固結理論較為一致。荷載組合D中盡管施加了負水頭壓力，但對路面動態彎沉值影響較小，因此飽和狀態下瀝青路面動態彎沉值與車速以及軸載具有更明顯的相關性。

3.3 動水壓力分布

由于車輪與路面接觸處產生的動水壓力受車速與輪胎花紋的影響，為比較不同負水壓力大小對路面動水分布的影響，選取0、1/2正水壓力峰值、正水壓力峰值三種大小的負水壓力施加在輪胎后方，分別對應下方①、②、③三種云圖。

動水壓力分布從側面反映了水流的運動方向，當沒有施加額外負水壓力時，負水壓在接近路表處迅速衰減，水流方向為四周向路表下約3cm處中心點匯聚。隨著負水壓力的施加與提升，負水壓力峰值從內部逐漸與路表連通，負水壓的流動方向由下至上，可以反映出輪胎后方對路表水膜的抽提作用。此時胎前正水壓力與胎后負水壓力分布形狀基本一致，這表明動水壓力對于路面存在著上下往復的定向沖刷作用，在胎前將水分擠壓進路面結構中，在胎后將水分抽提至路表。由于沖刷與抽提在作用方式上存在明顯差異，在室內試驗中若僅考慮正向的沖刷作用存在明顯不足，因此設計一種正負交替的動水沖刷裝置是可行的，能夠很好地反映路面受動水沖刷情況。

4結論

（1）路面各層動水壓力變化呈正負交替特點，軸載與車速的提升均會增加正負水壓力，并且軸載的增加會擴大水壓力作用范圍，使路面水損害面積更廣。

（2）基于Biot固結理論時，輪后變形在卸載后并不能瞬時完全恢復，車速的提升會增加路面的動態彎沉，軸載的提升則會使卸載后的變形值更大，而負水壓力的施加對動態彎沉影響較小。

（3）路表負水壓力的施加會使負水壓力的分布發生改變，使其呈現出自下而上的定向流動，考慮到輪前位置處水分受擠壓作用，因此室內試驗需采用能反映正負交替水壓的動水沖刷裝置。

參考文獻：

[1]姜旺恒，張肖寧，李智.基于動水壓力模擬試驗的瀝青混合料水損壞力學機理[J].中國公路報，2011，24（04）：21-25.

[2]王英，李萍，念騰飛，姜繼斌.基于動水沖刷作用的瀝青混合料短期水損害特性[J].吉林大學學報（工學版），2020，50（01）：174-182.

[3]湯濰澤，歐金秋，崔新壯，樓俊杰，肖溟，張炯，黃丹，侯飛.車載引起的瀝青路面內動水壓力現場試驗研究[J].山東大學學報（工學版），2015，45（06）：84-90+106.

[4]王文濤.多因素耦合動態孔隙水壓力對瀝青路面破壞的影響研究[D].北京科技大學，2020.

[5]歐金秋.瀝青路面水損壞的動水壓力驅動機理研究[D].山東大學，2012.

[6]崔新壯，黃丹，劉磊，藍日彥，呂海波，趙艷林，曹衛東，常成利.瀝青路面病害力學研究進展[J].山東大學學報（工學版），2016，46（05）：68-87.

[7]張建軍，李萬百，張少慶，紀元.基于Biot理論的透水瀝青路面使用性能研究[J].中國市政工程，2017（02）：108-111+130.

[8]劉富強，滕旭秋，王起才.瀝青路面流固耦合作用對面層畸變能的影響[J].鐵道科學與工程學報，2017，14（04）：711-715.