范志遠(yuǎn)

(中鐵十二局集團(tuán)第四工程有限公司，陜西西安 710021)

0 引言

瀝青路面在荷載的反復(fù)作用下，產(chǎn)生過(guò)量的永久變形積累，會(huì)使路表面出現(xiàn)影響行車(chē)安全和舒適性的不平整，即車(chē)轍，或?qū)е旅鎸拥酌嬉虺霈F(xiàn)過(guò)大的拉應(yīng)變而加速疲勞開(kāi)裂。因而，限制瀝青路面的永久變形量是路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要考慮的重大問(wèn)題。車(chē)轍還影響社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益，因此，防治車(chē)轍病害是當(dāng)今公路建設(shè)中的首要問(wèn)題。近年來(lái)，有限元方法計(jì)算瀝青路面結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)的技術(shù)逐步發(fā)展成熟。相對(duì)于足尺試驗(yàn)路或加速加載試驗(yàn)研究，有限元模擬所需資金和時(shí)間相對(duì)較低，在瀝青路面高溫車(chē)轍問(wèn)題研究中得到了廣泛應(yīng)用。

1 計(jì)算模型及計(jì)算參數(shù)

1.1 路面模型及參數(shù)

選取半剛性基層瀝青路面作為研究對(duì)象，詳細(xì)參數(shù)見(jiàn)表1，當(dāng)研究某一參數(shù)的影響時(shí)，其他參數(shù)保持不變。

表1 路面結(jié)構(gòu)參數(shù)和材料參數(shù)

1.2 輪胎模型

采用公路交通運(yùn)輸中重型車(chē)輛常用輪胎10.00R20-16PR，單個(gè)輪胎的接地寬度B=210 mm，兩個(gè)輪胎的總接地寬度為540 mm，由于輪胎胎紋的存在，理想的荷載模型應(yīng)該能夠模擬輪胎非均布荷載的狀況，但由于目前的試驗(yàn)條件對(duì)于輪胎荷載非均布的狀態(tài)難以準(zhǔn)確測(cè)量和描述，所以輪胎荷載可視為均布荷載。將輪胎接地形狀簡(jiǎn)化為矩形(見(jiàn)圖1)，接地長(zhǎng)度由下式確定:

式中:P——1/4軸載，取25 kN;

W——接地寬度;

p——胎壓，取 0.7 MPa。

圖1 簡(jiǎn)化輪胎模型（單位：cm）

1.3 荷載作用時(shí)間

為了縮短有限元分析計(jì)算的時(shí)間，同時(shí)保證計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，目前多采用“以靜代動(dòng)”的方法模擬多次循環(huán)的加載方式。假設(shè)車(chē)輪接地的縱向長(zhǎng)度為L(zhǎng)，行車(chē)速度為V(m/s)，則荷載在每一個(gè)加載步的作用時(shí)間為:

N個(gè)加載步的荷載累積作用時(shí)間T為:T=N×t1，其中，N為50萬(wàn)軸次。

1.4 瀝青路面模型的建立

采用二維實(shí)體模型模擬瀝青路面結(jié)構(gòu)，試算表明，隔離體寬度取為6 m即可忽略邊界條件的影響，因此，本文建立的瀝青路面結(jié)構(gòu)二維有限元分析模型的路面寬度為6 m，建立的模型見(jiàn)圖2，網(wǎng)格劃分見(jiàn)圖3。

圖2 模型邊界和施加荷載

圖3 劃分網(wǎng)格模型圖

2 車(chē)轍影響因素的分析

2.1 模量對(duì)車(chē)轍的影響

本文采用面層組合為4 cm+6 cm+8 cm的半剛性基層瀝青路面，計(jì)算不同層模量下瀝青路面的永久變形及其分布，作用50萬(wàn)軸次后的計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2～表5。

由表2可知，最大剪應(yīng)力先隨面層模量的增加而增加，而后隨面層模量的增加而減小。橫向最大應(yīng)變和縱向最大應(yīng)變隨面層模量的增加而減小。當(dāng)面層模量較小時(shí)，材料的抗剪強(qiáng)度較低，在行車(chē)荷載作用下，面層所承受的剪應(yīng)變和剪應(yīng)力較大，面層更容易發(fā)生剪切變形，因此在溫度較高時(shí)更易發(fā)生車(chē)轍。當(dāng)面層模量較高時(shí)，材料的抗剪強(qiáng)度增大，此時(shí)面層的剪應(yīng)力和剪應(yīng)變都較小，因此低溫時(shí)不易發(fā)生車(chē)轍。永久變形量隨面層模量的增加而減小。這因?yàn)殡S著面層材料抗壓模量的增加，材料抵抗變形的能力增大，抗車(chē)轍性能增加。豎向最大應(yīng)變和橫向最大應(yīng)變隨基層模量的增大而增大，這主要是因?yàn)殡S著基層模量的增加，基層抗力增加，基層與下面層的協(xié)調(diào)變形能力減小，因此應(yīng)力主要在面層范圍內(nèi)傳遞。

表2 不同面層模量永久變形計(jì)算結(jié)果

2.2 面層厚度對(duì)永久變形的影響

從表3可以發(fā)現(xiàn)，在額定車(chē)輛荷載作用下，瀝青路面永久變形量隨著瀝青面層厚度的增加而逐漸增大，基層變形量隨面層厚度的增加而減小。當(dāng)瀝青層的厚度超過(guò)40 cm時(shí)，基層的變形可以忽略不計(jì)，也就是說(shuō)，隨著瀝青層厚度的增加，瀝青路面的車(chē)轍破環(huán)主要發(fā)生在面層范圍內(nèi)。因此，對(duì)瀝青路面設(shè)計(jì)時(shí)可考慮適當(dāng)增加面層厚度和模量，盡量減小基層的永久變形，減少維修養(yǎng)護(hù)費(fèi)用。研究發(fā)現(xiàn)最大豎向應(yīng)變發(fā)生在中面層，因此中面層是發(fā)生車(chē)轍的主要面層，應(yīng)提高中面層的瀝青材料和厚度。

表3 不同面層厚度永久變形計(jì)算結(jié)果

2.3 基層厚度對(duì)永久變形影響

由表4的數(shù)據(jù)可以看出，最大剪應(yīng)力和永久變形隨基層厚度的增大而逐漸減小，但基層厚度超過(guò)40 cm后減小的幅度降低，逐漸趨于穩(wěn)定。因此，對(duì)于半剛性基層瀝青路面基層的厚度不宜過(guò)大。

表4 不同基層厚度下永久變形數(shù)值結(jié)果

2.4 溫度對(duì)永久變形的影響

溫度影響的是材料的抗壓模量及蠕變系數(shù)，在此分析20℃，30℃，40℃，50℃，60℃下的影響。

由表5可以看出，路面的永久變形量隨著溫度的升高而逐漸增大，而且溫度越高，變形量越大。這主要是因?yàn)闉r青混合料是感溫性材料，隨溫度的升高，瀝青混凝土的粘聚力減少，材料的物理特性表現(xiàn)為變軟，強(qiáng)度和剛度則會(huì)變小。高溫下的瀝青混合料處于以粘性為主的半固體狀態(tài)，在荷載作用下，瀝青及瀝青膠漿首先流動(dòng)，混合料中骨料形成的骨架逐漸成為荷載的主要承擔(dān)者，再加上瀝青的潤(rùn)滑作用，顆粒更容易發(fā)生相對(duì)錯(cuò)位和滑移，從而更易形成車(chē)轍。因此高溫下更容易發(fā)生車(chē)轍破壞，故在炎熱地區(qū)鋪設(shè)瀝青路面應(yīng)考慮采用耐高溫的材料，來(lái)減小車(chē)轍破壞。

表5 不同溫度下永久變形數(shù)值結(jié)果

2.5 荷載對(duì)永久變形的影響(40℃)

行車(chē)荷載和輪胎內(nèi)壓對(duì)車(chē)轍的形成有重要影響。增大輪載或增加胎壓，都會(huì)顯著增加車(chē)轍量。Eisenmann等的研究表明，隨著輪胎平均接觸壓力的增加，車(chē)轍深度的增長(zhǎng)率呈線形增大。

表6 不同荷載下永久變形結(jié)果

由表6可知，荷載值越大對(duì)應(yīng)的車(chē)轍深度越大。瀝青混凝土是一種顆粒性材料，顆粒的自身強(qiáng)度遠(yuǎn)大于其連接強(qiáng)度，瀝青混凝土的永久變形是由相鄰顆粒間發(fā)生錯(cuò)位與滑移所形成的，荷載增大導(dǎo)致瀝青混合料內(nèi)部應(yīng)力增大，混合料顆粒在荷載作用下更易沿礦料接觸面發(fā)生相對(duì)滑移。經(jīng)分析，荷載對(duì)車(chē)轍的影響成指數(shù)關(guān)系，回歸方程為:

式中:P——軸載，kN;

y——計(jì)算車(chē)轍量，mm。

可見(jiàn)荷載的大小對(duì)車(chē)轍的影響很大。因此應(yīng)嚴(yán)格限制車(chē)輛超載行駛。

3 結(jié)語(yǔ)

文中根據(jù)建立的瀝青路面有限元分析模型，分別從面層模量、面層厚度、溫度、軸載等對(duì)瀝青路面永久變形的影響進(jìn)行了定量分析:

1)半剛性基層瀝青路面的永久變形主要集中在瀝青層，中、下面層在壓應(yīng)力作用下的壓縮變形和剪應(yīng)力作用下的剪切變形是半剛性基層瀝青路面出現(xiàn)永久變形的主要原因。

2)隨著面層模量增加，瀝青面層的永久變形逐漸減小。隨著瀝青層模量增加，半剛性基層瀝青路面的橫向最大和豎向最大應(yīng)變均逐漸減小。同時(shí)基層的變形量也逐漸減小，考慮到最大剪應(yīng)變主要出現(xiàn)在中面層，因此設(shè)計(jì)和施工時(shí)應(yīng)適當(dāng)提高中面層的模量。

3)隨著瀝青層厚度的增加，瀝青路面的車(chē)轍量逐漸增加，因此，路面并不是越厚越好。

4)隨著溫度和軸重的增加，半剛性瀝青路面的永久變形量逐漸增大，因此應(yīng)嚴(yán)格控制高溫和超載。

5)根據(jù)減小瀝青層相對(duì)變形并提高基層保護(hù)作用的原則，并考慮增加瀝青層厚度對(duì)建設(shè)成本的影響，半剛性基層瀝青路面瀝青層的合理厚度為20 cm～26 cm。

6)處理瀝青路面車(chē)轍問(wèn)題，不能僅從材料入手，應(yīng)結(jié)合路面結(jié)構(gòu)參數(shù)綜合考慮。

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