探討高模量瀝青混凝土路面抗車轍功能的結構力學

董濤 張延偉 劉東 藺召

陜西華山路橋集團有限公司 陜西 西安 710016

引言

當前高溫天氣頻繁出現，重載車輛也在持續增加，車轍損耗問題也愈加嚴重。同時對比水損壞﹑開裂等諸多問題，車轍維修更加困難，需要投入的維修成本也愈加高昂，所以，瀝青路面養護中的車轍處理是需要及時進行解決掉的問題。高模量瀝青混凝土屬于是新興的路面材料，其抗車轍性能更為優良，為了能夠有效規避車轍問題產生的不良影響，道路工作者開展了積極的研究，對路面模量進行改善的高模量瀝青混凝土于道路界被更多人所認可。通常情況下，高模量瀝青混凝土都被應用在瀝青面層，提升其彈性模量能夠強化提升路面的荷載變形抵抗能力，提升路面的抗車轍性能，對道路工程應用年限進行有效提升，壓縮后期維護所投入的成本資金[1]。而我國依然處于應用初期，欠缺高模量瀝青混凝土路面抗車轍功能方面的研究，國家既有路面結構與國外高模量混合材料的路面結構﹑形式存在一定差異，需要分析傳統路面結構的受力情況，并且將高模量瀝青混凝土路面和普通路面中的受力特點變化找出來，對其抗車轍性能進行深入探析。

1 車轍形成的具體情況

道路工程在長期使用過程中，會產生種類不同的各種車轍問題，其不僅會對交通運輸過程中的舒適性產生影響，更會對道路工程實際應用中的安全性﹑可靠性等產生嚴重影響。

1.1 種類

車轍損壞屬于是瀝青路面較為突出的一種損壞形式，如果車轍深度較大，會因為車轍積水影響汽車制動性，甚至會產生交通事故。

1.1.1 失穩型。如果氣溫較高，如果瀝青混合料物質的高溫穩定性存在不足，行車荷載的持續影響之下，瀝青路面會出現失穩型車轍。具體表現是輪機位置的瀝青混合材料產生流動變形，繼而出現橫向位移，在輪跡兩側會產生隆起。

1.1.2 結構型。結構型車轍一般是基層路面結構層﹑路基的強度存在不足，行車荷載的影響之下，路面結構層極限抗剪強度會比表層剪應力要小，導致路面出現永久性的剪切變形影響。結構型車轍橫斷面是凹型的，寬度較大，兩側不存在隆起[2]。

1.1.3 磨耗型。瀝青路面有車輛通行的時候，輪胎會同路面產生摩擦，因為惡劣天氣所產生的磨損問題就是磨耗型車轍。特別是為了確保行車安全，很多車輛會使用防滑﹑膠釘輪胎，同時重載﹑超載情況也會致使車轍問題產生。

在諸多車轍類別當中，最為嚴重的就是失穩型車轍問題與磨耗型車轍。瀝青路面產生車轍問題，主要就是瀝青面層所出現的變形問題，要著重探析失穩型車轍問題。

1.2 車轍形成原因

外力會對瀝青混合料產生一定影響，內部材料實質骨料與瀝青膠結料會產生變形，瀝青混合料具有良好的黏彈塑性﹑流變性以及溫度敏感性，外界荷載大小﹑作用時間會對變形大小產生影響。應力應變關系具有曲線性與不可逆性，同時彈性極限并不明顯。

1.2.1 壓密時期。當瀝青混合料路面被壓路機進行碾壓的時候，混合料中的骨料﹑空氣位置﹑瀝青等會重新排列。高溫作用影響之下，瀝青材料屬于是半流動狀態，實際碾壓中膠漿﹑骨料會出現移動，膠漿碾壓后會進入到礦料間隙中，骨料會形成骨架結構。瀝青路面在通車之后，路面會因為行車荷載實際作用逐漸密實。

1.2.2 流動時期。外界溫度變化會影響瀝青混合料的性能，瀝青﹑瀝青膠漿因為高溫﹑行車荷載共同作用會出現流動。流動瀝青會對骨架空隙進行填充，也會出現自由移動，會破壞骨架穩定性，致使瀝青路面行車荷載區域因為壓縮而產生變形。

1.2.3 礦質骨料因為破壞而重新排列。溫度較高的時候，瀝青混合料屬于是半流動的狀態，行車荷載的影響之下，瀝青﹑瀝青膠漿會產生移動，這個時候承載外界載荷的主要就是骨料骨架。堅硬的骨料顆粒因為瀝青潤滑作用會在骨料間滑動，讓瀝青和瀝青膠漿向混合料自由面流動。

最初產生車轍是因為瀝青混合料結構特性方面產生了變化，其中包含瀝青骨料的壓密以及高溫狀態下瀝青的流動，致使骨架出現失穩問題。瀝青路面出現永久變形是因為車輛重載﹑超載﹑高溫等外界因素的相互作用。因此，為了確保瀝青混合料本身的穩定性，規避路面車轍問題的實際產生，以免高溫狀態下瀝青混合料出現流動變形的問題[3]。

2 高模量瀝青混凝土路面抗車轍功能的結構力學

在瀝青混凝土路面中，距離路面最近的上面層﹑中面層，會直接被外界氣溫所影響，溫度變化極為劇烈，和外界的氣溫變化情況基本一致。伴隨路面結構深度的持續增加，外界氣溫變化所產生的影響也在持續弱化，而外界因素對底基層的影響非常小，其溫度通常都出處在27℃上下。不同時間段，各個面層的溫度也不同，其中上面層的溫度最低，伴隨深度持續增加，溫度也隨之持續上升，底基層溫度最高且最為穩定。同時還要明確，車輛荷載的加載位置，其路面會產生凹陷，因為車輪中心位置的路面承受著輪胎豎向壓力，所以會產生極大的凹變變形。因此對高模量瀝青混凝土路面結構的力學性能進行比較與分析，對比不同車輛荷載作用之下的力學性能，對于車輛行駛的安全性﹑穩定性﹑舒適性來講極為關鍵。

2.1 路面結構的力學性能比較

選擇和高模量瀝青混凝土路面結構一致的普通瀝青混凝土路面，因為高模量瀝青混凝土路面處在中面層，對比普通瀝青材質的路面，把中面層材料改變成為常規材料，其他結構層不會產生變化。為了確保對比所得經過是精準﹑有效的，一定要明確中面層材料黏彈性參數數值，保證上面層﹑下面層黏彈性參數數值不變，基于同樣的方式進行測量﹑計算和建模。分析高模量瀝青混凝土路面的動響應結果，分別基于路表面豎向應力﹑應變﹑位移，下層面﹑基層的剪應變參數進行力學性能的比較與分析，能夠獲悉，因為移動載荷的影響，兩種路面類型當中所選擇的五個參數變化幅度不大，對比常規模量的混凝土材質路面，高模量瀝青混凝土路面當中的壓應力﹑剪應力都變大了，壓應變﹑豎向位移以及剪應變都降低了，并且和應力變化進行比較，應變變化非常突出[4]。

豎向應力最大數增加應變數值明顯減少，與平臺瀝青混凝土路面進行比較，高模量瀝青混凝土路面的豎向變形抵抗能力更為優良。

荷載變化研究過程中，剪應力產生突變，高模量瀝青路面產生移動荷載的時候，剪應變數值會明顯減少，也就是說，剪應力﹑剪應變會對高模量瀝青混凝土路面產生巨大影響，其能夠降低因為剪應力所產生的應變變形問題，規避路面產生剪切破壞的問題。移動荷載產生作用的時候，顯著降低了高模量瀝青混凝土路面的豎向位移，在中面層設置高模量瀝青混凝土路面，能夠強化提升面層的剛度，承擔起車輛的荷載作用，更能夠降低荷載的下行傳遞，降低土基的位移數值。

2.2 對比不同車輛荷載作用之下的力學性能

與車輛行駛速度方面的改變進行對比，車輛承重增加會嚴重影響到路面結構的力學性能，為了能夠考驗車輛在其中變化情況，在高模量瀝青混凝土路面與常規瀝青混凝土路面結構方面所產生的不同影響，對同一行駛速度下的不同接地壓力所形成的力學指標進行對比，縱向剪應力與剪應變數值選擇最大正值，高模量瀝青混凝土路面與常規瀝青混凝土路面在力學相應的變化趨勢方面基本一致，數值都會伴隨接地壓力持續增加而顯著增加，兩種路面當中的豎向位移﹑應力﹑剪應力數值在增加速度方面的差值并不明顯。可是在初始數值增加到最大數值的時候，高模量瀝青混凝土路面的豎向應變﹑剪應變數值比常規瀝青混凝土路面的數值小，豎向應變﹑剪應變數值增加速度地域常規的瀝青混凝土材質路面。

也就是說，移動荷載的影響之下，各個路面層在應力﹑位移與應變方面都存在瞬時性，行車荷載到達上方附近的時候才會產生顯著變化。豎向﹑橫向﹑縱向應力的最大數值存在一定差異，都產生于表面層，數值會伴隨路面深度持續增加得到顯著降低，到基層的時候應力值基本為零。橫向應力與縱向應力則表現出交變特性，荷載在研究點上方附近的時候，數值都會產生突變。而水平﹑豎向剪應力于行車荷載研究中，其數值會呈現出正負值變化，最大的水平剪應力在表面層，水平剪應力主要作用在瀝青上面層與中面層。中面層所承受的豎向剪應力是最大的，把高模量瀝青混凝土設置在中面層，能夠強化提升其抗剪強度，更能夠規避因為剪應力交變性所產生的路面損壞問題。

在高模量瀝青混凝土路面受外界的移動荷載時，瀝青面層三向應變比較小，應變較大部位處在底基層與土基。豎向應變于路面結構層的表現就是壓應變，橫向應變與縱向應變之間的變化規律基本上一致，都具備抗壓交變的特殊屬性。伴隨移動荷載的持續接近，每個層的位移持續增加，表面層豎向位移數值最大，深度持續增加，車輛荷載會導致豎向位移數值的持續降低，基于土基至瀝青面層，位移變化數值的差距較小，因此土基所產生的豎向位移屬于路面彎沉問題的主要原因。載重相同但車速不同，車速持續提升，高模量瀝青混凝土路面結構層所承受的五個參數數值逐漸減小，所以說，適當地提升車輛的行駛速度，能夠減少其對路面所產生的破壞影響。車速相同而載重不同，車輛載重增加，高模量瀝青混凝土路面所承受的各項參數數值也隨之增加。也就是，說超載會對瀝青路面產生壓密變形與剪切破壞，需要相關部門高度重視超載治理問題，同時積極探析具有針對性的解決對策[5]。

移動荷載的影響之下，高模量瀝青混凝土路面與常規瀝青混凝土路面當中的參數數值變化趨勢大致相同，對比常規的瀝青混凝土路面，高模量瀝青混凝土路面的壓實力﹑剪應力持續變大，但是壓應變﹑豎向位移以及剪應變持續減小。對比應力變化來講，壓應變﹑剪應變有顯著降低，所以說高模量瀝青混凝土路面可有效規避路面的豎向變形與剪切破壞，移動荷載處在研究位置的時候，高模量瀝青混凝土路面所出現的豎向位移顯著降低，其強化提升了路面平順度。

在高模量瀝青混凝土路面﹑常規瀝青混凝土材質路面上施加不同的車輛荷載，其力學相應數值會伴隨接地壓力增加顯著增加，可是高模量瀝青混凝土路面形成的豎向應變﹑剪應變數值對比常規瀝青混凝土材質的路面得以降低，也就是說其能夠規避重載交通對路面產生的變形影響。

3 結束語

綜上所述，對瀝青黏彈性﹑入編變形相關理論進行探析，不同應力應力最大值出現時候，數值會因為路面深度增加持續減小，橫向應力與縱向應力屬于是交變特性，伴隨深度持續增加，車輛荷載形成逐漸變小，其也是致使路面出現彎沉問題的關鍵性因素。對比傳統形式的瀝青混凝土路面，高模量瀝青混凝土面層中所有結構層都會產生蠕變應變與永久變形，因為接地壓力持續增加，其車轍問題得到明顯降低，有助于車輛行駛過程中的安全性與舒適性。