潘 杰

車輛動荷載作用下對瀝青路面的衰變規(guī)律研究

潘 杰

潘 杰

新鄉(xiāng)市公路管理局

潘杰，女，1981.09.07，新鄉(xiāng)市公路管理局，現(xiàn)任交通類工程師，主要從事公路工程、監(jiān)理、試驗等方面工作。

隨著高等級公路施工技術(shù)的不斷發(fā)展，瀝青路面衰變研究也取得了一定成效。本文將從不平整度研究入手，借助于4自由度的1/2車輛振動模型，結(jié)合車輛振動理論與系統(tǒng)動力學(xué)知識來進行瀝青路面動載荷衰變研究?？紤]到實際公路荷載與環(huán)境的綜合影響，采用Shell永久變形理論進行修正，從而計算并得出瀝青路面在動荷載作用下產(chǎn)生形變的衰變規(guī)律。通過對某公路路面平整度檢測，參考相關(guān)質(zhì)量規(guī)范及要求，結(jié)果表明，該方法不僅能夠較好地計算和預(yù)測出瀝青路面的使用壽命，還能夠從路面使用品質(zhì)及評價中為制定費用-效益最佳養(yǎng)護方案提供技術(shù)依據(jù)。

公路施工技術(shù)及檢測技術(shù)的不斷發(fā)展，對于瀝青路面的施工及養(yǎng)護工作帶來了技術(shù)支撐，并取得了長足可喜的研究成果。隨著新技術(shù)、新工藝、新設(shè)備的不斷投入，一方面增強瀝青路面的使用壽命，另一方面也給整個瀝青公路施工質(zhì)量控制提供了參考依據(jù)。本文將從車輛動荷載作用機理研究入手，對瀝青路面的永久變形及平整度衰減問題展開研究，采用車輛振動理論和系統(tǒng)動力學(xué)知識，來探討動荷載作用下的瀝青路面的形變規(guī)律及影響因素。由于在實際公路施工及管養(yǎng)過程中，對于公路環(huán)境復(fù)雜性影響采用Shell永久形變修正，以得出瀝青路面實際使用壽命。在傳統(tǒng)瀝青路面衰變規(guī)律研究中，多以車輛動力學(xué)為基礎(chǔ)，針對路面平順性問題進行研究，以隨機分布的外界激勵措施來得出路面的影響因素，而本文將從路面受力分析上，以車輛的動荷載作用為主，綜合考慮瀝青路面使用過程中的性能變化的關(guān)系，采用正弦波形函數(shù)來計算不平整度，采用4自由度的1/2車輛模型來分析車輛的動態(tài)荷載，初步建立了動荷載作用下的瀝青路面剩余壽命計算與預(yù)估的方法，為瀝青公路路面結(jié)構(gòu)設(shè)計及后期養(yǎng)護管理提供科學(xué)參考依據(jù)。

1 瀝青路面不平整度計算模型

對于路面的不平整度的計算，主要是針對路面基準(zhǔn)平面，依據(jù)M W Sayers理論來計算器偏離值的方法。假設(shè)其函數(shù)表示為：q（x）=Asin（ωx），對于函數(shù)q表示為路面縱向高程，對于A表示為波形振幅，對于x表示為水平位移量，其中x=vt，式中v表示為車輛的速度，t表示為車輛的行駛時間，式中的ω表示為角頻率，也就是說角頻率ω=2π/λ。在連續(xù)式平整度儀的測量中，其基準(zhǔn)長度為3m，其輪距為e=1.5m，為了能夠從更長的路面范圍內(nèi)進行準(zhǔn)確的平整度測量，本例選擇1km為計算區(qū)間，并對每一Xn定義為10cm，則得到一個N為10000的平整度測量模型，其仿真計算模型如下：

由此可知，結(jié)合對公路瀝青路面進行實測，并結(jié)合模擬的正弦函數(shù)進行平整度均值，以及平整度標(biāo)準(zhǔn)差計算，可以得出瀝青路面的平整度均值Y，代入路面波長λ，利用Matlab編程方法得出路面的波形函數(shù)振幅A，再借助于模擬仿真函數(shù)Y，計算出實際平整度。

2 基于4自由度的1/2車輛振動模型

利用系統(tǒng)動力學(xué)及車輛振動原理，在對車輛動載荷模型的構(gòu)造中，以簡化的4自由度模型為基本，可以得出系統(tǒng)動力學(xué)方程為：MZ+CZ+KZ=Q（t）。式中的M表示為由于在動荷載作用下，車輛各軸的荷載又分別有軸簧和輪胎支撐，m表示為軸簧質(zhì)量，m1f、m1r表示為前后軸軸簧質(zhì)量，k1f、k1r表示為前后輪胎剛度，k2f、k2r表示為前后懸架剛度，c1f、c1r表示為前后輪胎的阻尼值，c2f、c2r表示為前后懸架的阻尼值，a、b表示為前后軸到質(zhì)心的距離，z1f、z1r表示為前后軸的非簧載位移，θ為車身俯仰角，Jc為車身轉(zhuǎn)動慣量。

3 基于車輛動載荷下瀝青路面衰減評估

在對瀝青路面進行動載荷條件下衰減規(guī)律分析中，主要從以下幾個指標(biāo)來著手。一是對于路面平整度模型的測算，以瀝青路面平整度模型來進行實測，構(gòu)建波形函數(shù)q0（x）=A0sin（ωx），結(jié)合車輛動載荷計算模型，來計算出車輛對瀝青路面的影響指標(biāo)值Pf和Pr。通過分析來看，對于路面永久變形的計算通常有三種：即經(jīng)驗法、半理論半經(jīng)驗和理論法。對于理論法由于其通用性強，計算精度較高而廣為應(yīng)用。如利用彈性層狀體系理論來計算路面的應(yīng)力情況，并從瀝青混合料的永久形變與應(yīng)力關(guān)系上來得出變形特征。為了突出瀝青路面實際荷載及周邊自然環(huán)境的影響，通常需要借助于Shell法來進行優(yōu)化，以年為單位來分析交通增長量與路面變形的關(guān)系，從而得出實際測量值。瀝青路面在動載荷條件下所形成的形變特征，以波形路面為常見，各路面點所承載的載荷也不同，在縱向截面上也會出現(xiàn)不同的永久形變，從而加劇了瀝青路面的不平整度。我們從不平整度模型的波形函數(shù)中可知，當(dāng)經(jīng)過1a變化后，對應(yīng)的Xn處將得到一個變形值ΔH（Xn），則其波形函數(shù)為q1（Xn）=Asin（ωx）-ΔH（Xn），根據(jù)平整度檢測儀可以進一步得到偏移量Δi，即Δi=q（Xi）- ?［q（xi- e）+q（xi+3）］。從而可以得出經(jīng)過1a后瀝青路面的平整度的均值及標(biāo)準(zhǔn)值，隨著公路使用年限的增加，逐步形成路面在動載荷條件下的衰變規(guī)律。

4 以某高等級公路為例來計算衰變規(guī)律

通過對瀝青路面在動載荷條件下的變形特征的計算，可以從其永久變形及波形函數(shù)中獲得路面的實際不平整度值，進而來為路面的整修提供科學(xué)參考依據(jù)。本例以某高等級公路進行實測分析，并通過計算來得出瀝青路面的變形規(guī)律和預(yù)估使用壽命。路面結(jié)構(gòu)如下：上層為4cm中粒式瀝青混凝土；下層為8cm粗粒式瀝青混凝土；基層為20cm二灰碎石層；底基層為22cm二灰層。以路表彎沉來測算其彈性模量為91.638MPa，實測平均值為1.4320mm，平整度標(biāo)準(zhǔn)差為0.3220，日車道通過軸數(shù)為2114.3，選取車輛作用時間t0=0.015s，車速v=20m/s，λ值為7m，則可以得出路面的總荷載P，

依據(jù)Matlab可以得出路面平整度標(biāo)準(zhǔn)差及幅值變化規(guī)律。根據(jù)瀝青路面衰減規(guī)律，其臨界平整度幅值為3cm，而只有路面波形幅值小于3cm時才會影響到使用壽命，一旦超過3cm則可知路面結(jié)構(gòu)已損壞，需要翻修或改建。通過對實例路面數(shù)據(jù)進行分析與計算，得出該路段剩余使用壽命為13a，該路面平整度標(biāo)準(zhǔn)差及波形函數(shù)幅值隨著使用年份的增長而衰減變化具有一致性，初期衰減差值較小，呈現(xiàn)線性平緩狀態(tài)，隨著使用年限的不斷延長，當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)差和波形振幅超過某一范圍值時，其平整度標(biāo)準(zhǔn)差迅速加大，呈現(xiàn)陡峭增長趨勢，說明該路面進入翻修或改建期。同時，由于瀝青路面初期養(yǎng)護管理工作量較少，但也應(yīng)該給予必要的重視，特別是當(dāng)路面平整度標(biāo)準(zhǔn)差σ≤1.0，路面振幅A≤5.0mm時，瀝青路面變形衰減較為緩慢，可以為路面管養(yǎng)提供參考依據(jù)。

5 結(jié)語

當(dāng)前瀝青公路建設(shè)進程發(fā)展迅速，而積極從公路動載荷下進行路面衰減分析，對于提高瀝青公路的使用效率及管養(yǎng)水平意義重大。在動載荷條件下瀝青路面的變形與平整度衰減規(guī)律的計算，可以從路面載荷及環(huán)境變化的綜合分析中，采用簡化4自由度1/2車輛振動模型，運用系統(tǒng)動力學(xué)理論來進行求解與分析，從而更為準(zhǔn)確地反映瀝青路面在不同使用年限內(nèi)的衰減變化規(guī)律。需要強調(diào)的是，對于瀝青路面不平整度檢測來說，由于路面實測數(shù)據(jù)，特別是交通量狀況、地理氣候環(huán)境等資料的差異性，對于條件假設(shè)及動載荷計算需要進行必要的修正，從而優(yōu)化路面不平整度模型，為得出更為符合實際路面的檢測結(jié)果提供科學(xué)參考。

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.02.059