張璐軍

(山西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院公路工程系，山西 晉中 030031)

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瀝青路面結(jié)構(gòu)組合對(duì)車轍深度影響分析

張璐軍

(山西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院公路工程系，山西 晉中 030031)

為探討瀝青路面結(jié)構(gòu)組合對(duì)車轍深度的影響，擬定兩種類型路面結(jié)構(gòu).采用有限元軟件ANSYS模擬了不同基層形式和瀝青層厚度的路面車轍深度變化規(guī)律，并通過(guò)數(shù)值分析，得出結(jié)論：(1)結(jié)構(gòu)一的變形主要分布于瀝青穩(wěn)定基層和下面層，其中瀝青穩(wěn)定基層分布更為明顯；結(jié)構(gòu)二的變形分布在結(jié)構(gòu)一基礎(chǔ)上級(jí)配碎石也占有很大比例；(2)瀝青層厚度與車轍深度的變化規(guī)律大致呈二次多項(xiàng)式形式，路面車轍深度隨著瀝青層厚度的增大，其增加量呈先增大后減小的發(fā)展趨勢(shì).

瀝青路面；車轍；結(jié)構(gòu)組合；永久變形；有限元分析

由于半剛性基層瀝青路面具有剛度大、強(qiáng)度高、變形小等優(yōu)點(diǎn)，故廣泛應(yīng)用于國(guó)內(nèi)高速公路的建設(shè)[1].車轍結(jié)構(gòu)主要由結(jié)構(gòu)型車轍和失穩(wěn)型車轍組成，其中結(jié)構(gòu)型車轍占比相對(duì)較小，失穩(wěn)型車轍占比較大[2].失穩(wěn)型車轍是瀝青混合料受到荷載作用后發(fā)生側(cè)向流動(dòng)變形的結(jié)果，即在車載長(zhǎng)期反復(fù)作用下，瀝青混合料的極限抗剪強(qiáng)度已經(jīng)無(wú)法滿足路面內(nèi)部產(chǎn)生的剪應(yīng)力，導(dǎo)致部分混合料向兩側(cè)流動(dòng)而引起變形[3].此類型車轍表現(xiàn)為僅車載作用區(qū)域出現(xiàn)下凹變形，而車輪兩側(cè)區(qū)域受到荷載作用呈上凸變形[4].據(jù)調(diào)查，路面結(jié)構(gòu)組合的合理性是決定失穩(wěn)型車轍發(fā)生的重要因素，本次試驗(yàn)主要針對(duì)失穩(wěn)型車轍進(jìn)行有限元分析.

對(duì)于車轍方面的研究，曾有許多學(xué)者以“強(qiáng)基薄面”為設(shè)計(jì)理論，認(rèn)為瀝青表面層無(wú)需過(guò)厚，而基層選用高強(qiáng)度類型，可有效減少路面車轍現(xiàn)象[5].經(jīng)實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，瀝青表面層厚度超過(guò)18cm后，能夠很大程度減少路面產(chǎn)生車轍[6].因此，采用合理的路面結(jié)構(gòu)組合能有效降低路面發(fā)生車轍概率[7].高速公路中普遍存在車轍病害，不僅降低了路面的行駛舒適度，還會(huì)帶來(lái)嚴(yán)重的交通隱患[8].本文采用ANSYS有限元軟件，擬定了兩種結(jié)構(gòu)組合的瀝青路面，針對(duì)其對(duì)車轍深度影響進(jìn)行有限元分析.

1　模型建立

1.1路面結(jié)構(gòu)的擬定及說(shuō)明

考慮到瀝青路面的結(jié)構(gòu)特征，同時(shí)依據(jù)結(jié)構(gòu)組合設(shè)計(jì)原則，本試驗(yàn)設(shè)計(jì)了兩種代表性路面結(jié)構(gòu).為了控制施工成本，面層結(jié)構(gòu)采用兩層形式，以減小其厚度.基層類型選取半剛性基層，并將橡膠瀝青應(yīng)力吸收層或密級(jí)配瀝青穩(wěn)定碎石混合料鋪設(shè)于半剛性基層上，以降低半剛性基層發(fā)生反射而導(dǎo)致基層結(jié)構(gòu)產(chǎn)生裂縫.為確保結(jié)構(gòu)組合對(duì)瀝青路面車轍影響分析更為充分，結(jié)構(gòu)一、二的面層類似，但結(jié)構(gòu)二中基層形式選用倒裝.兩結(jié)構(gòu)組分如表1所示.

表1　兩種結(jié)構(gòu)的組分

通過(guò)對(duì)以上兩種路面材料進(jìn)行調(diào)研，得出設(shè)計(jì)路面結(jié)構(gòu)的力學(xué)參數(shù)如表2所示.此外，根據(jù)目前所用規(guī)范，借助HPDS對(duì)路面結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)驗(yàn)算，得出結(jié)果均滿足設(shè)計(jì)要求.

表2　路面材料的計(jì)算參數(shù)

注：模量A為豎向位移、應(yīng)變模量；模量B為切應(yīng)力、彎拉應(yīng)力、應(yīng)變模量

1.2路面結(jié)構(gòu)有限元模型

基于彈性層狀體系理論，對(duì)路面結(jié)構(gòu)所用材料的線性、非線性特征進(jìn)行考慮，采用ANSYS軟件建立路面結(jié)構(gòu)有限元模型.其中需要考慮線性特征的結(jié)構(gòu)為瀝青層，而非線性特征的結(jié)構(gòu)為級(jí)配碎石結(jié)構(gòu).路面結(jié)構(gòu)的模型尺寸擬定為邊長(zhǎng)等于5m的正方體，其中采用8節(jié)點(diǎn)solid45單元模擬結(jié)構(gòu)中各類材料，共計(jì)880000個(gè).將模型中垂直面上水平方向和底部位移進(jìn)行限制，其余均為自由邊界.具體幾何模型如圖1所示.

圖1　路面結(jié)構(gòu)幾何模型示意圖

在數(shù)值模擬中，將道路橫斷面、路面垂直向下、行車的方向分別設(shè)為X、Y、Z的方向.由于忽略路面受到輪胎的水平方向作用力(即雙圓均布荷載)，應(yīng)變空間位置和最不利應(yīng)力兩者均處于XY平面內(nèi)，故本次試驗(yàn)只需分析XY平面中路面結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、應(yīng)變與位移.路面結(jié)構(gòu)模型網(wǎng)格劃分如圖2所示.

圖2　路面結(jié)構(gòu)三維模型

2　結(jié)果分析

2.1不同類型基層對(duì)車轍深度的影響規(guī)律

對(duì)于半剛性瀝青路面而言，其車轍病害主要產(chǎn)生于瀝青層；而柔性基層路面車轍病害主要集中表現(xiàn)在級(jí)配碎石層和瀝青層.為了研究不同形式基層對(duì)瀝青路面永久變形的影響規(guī)律，選用面層類型相同，且能代表基層對(duì)車轍深度影響的兩種路面結(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)比分析.通過(guò)數(shù)值模擬及分析，分別得出結(jié)構(gòu)一和結(jié)構(gòu)二兩種類型路面豎向產(chǎn)生變形的結(jié)果，如圖3所示.

圖3　不同基層路面結(jié)構(gòu)的表面豎向變形

根據(jù)圖3可知，兩種結(jié)構(gòu)形式的路表面均發(fā)生了不同程度的豎向變形.將兩種結(jié)構(gòu)的變形進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)二變形分布區(qū)域更為廣泛.由于彈性變形卸載后的變形趨勢(shì)與加載末期相同(即變形均立即恢復(fù))，故結(jié)構(gòu)一的路面隆起部分與絕對(duì)車轍較于結(jié)構(gòu)二明顯要小.具體變形構(gòu)成如表3所示.

表3　不同結(jié)構(gòu)路面變形的主要構(gòu)成

相對(duì)車轍是指路面結(jié)構(gòu)發(fā)生隆起與絕對(duì)車轍互相作用后產(chǎn)生的結(jié)果.從表3中可以看出兩種結(jié)構(gòu)在車載作用下的隆起高度和絕對(duì)車轍深度存在較大差異.通過(guò)將絕對(duì)車轍和隆起兩者進(jìn)行比較，可知在相對(duì)車轍中前者所占比例均大于50%，由此表明在相同瀝青層厚度條件下的不同類型基層路面，其結(jié)構(gòu)內(nèi)部受到荷載作用產(chǎn)生的壓縮變形是構(gòu)成路面車轍的主要因素.

針對(duì)路面變形展開詳細(xì)分析，可知瀝青穩(wěn)定基層和下面層是構(gòu)成結(jié)構(gòu)一路面產(chǎn)生永久變形的主要原因，其中瀝青穩(wěn)定基層表現(xiàn)更為明顯；而結(jié)構(gòu)二是在結(jié)構(gòu)一的基礎(chǔ)上，還有很大一部分歸于級(jí)配碎石加大瀝青路面永久變形量.

2.2不同瀝青層厚度對(duì)車轍深度的影響規(guī)律

為了研究不同瀝青層厚度對(duì)車轍深度的影響規(guī)律，選用結(jié)構(gòu)一作為研究對(duì)象，同時(shí)采用有限元法將不同厚度瀝青層對(duì)車轍深度的影響進(jìn)行數(shù)值分析，得出結(jié)果如表4所示.

表4　不同瀝青厚度與車轍深度的變化規(guī)律

圖4不同瀝青層厚度與車轍深度的變化關(guān)系

從表4和圖4中可以看出，瀝青層厚度與車轍深度的變化規(guī)律大致呈二次多項(xiàng)式關(guān)系，表明路面車轍深度隨著瀝青層厚度的增大，其增加量呈先增大后減小的發(fā)展趨勢(shì).在荷載作用下，瀝青混合料受到壓密、推移及流動(dòng)發(fā)生變形，造成路面出現(xiàn)車轍現(xiàn)象.根據(jù)力學(xué)分析可知，路面結(jié)構(gòu)中材料內(nèi)部的剪應(yīng)力受到荷載作用后呈先增強(qiáng)后減弱的發(fā)展趨勢(shì).瀝青混合料內(nèi)部應(yīng)力隨著結(jié)構(gòu)中瀝青層厚度的增大發(fā)生重新分布，應(yīng)力最大值隨之也逐漸減小，且分布區(qū)域變深；但當(dāng)瀝青層厚度達(dá)到一定程度后結(jié)構(gòu)內(nèi)部應(yīng)力不會(huì)發(fā)生明顯變化.

3　結(jié)論

(1)兩種類型路面結(jié)構(gòu)均受到荷載作用均產(chǎn)生一定程度的豎向變形，結(jié)構(gòu)一的變形主要分布于瀝青穩(wěn)定基層和下面層，其中瀝青穩(wěn)定基層分布更為明顯；結(jié)構(gòu)二的變形分布大致和結(jié)構(gòu)一類似，但在此基礎(chǔ)上級(jí)配碎石也占有很大比例.

(2)瀝青層厚度與車轍深度的變化規(guī)律大致呈二次多項(xiàng)式形式，路面車轍深度隨著瀝青層厚度的增大，其增加量呈先增大后減小的發(fā)展趨勢(shì).其因?yàn)闉r青混合料內(nèi)部應(yīng)力隨著結(jié)構(gòu)中瀝青層厚度的增大發(fā)生重新分布，應(yīng)力最大值隨之逐漸減小，且分布區(qū)域逐漸變深；但當(dāng)瀝青層厚度達(dá)到一定值時(shí)結(jié)構(gòu)內(nèi)部應(yīng)力情況變化不大.

[1] 裴磊.骨架密實(shí)型半剛性基層材料設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)控制參數(shù)的統(tǒng)一研究[D].濟(jì)南：山東建筑大學(xué)碩士學(xué)位論文,2010.

[2] 郭寅川,申愛琴,張金榮.瀝青路面下封層力學(xué)響應(yīng)及抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)[J].中國(guó)公路學(xué)報(bào),2010,(4):20-26.

[3] 宋毅,王端宜.橡膠瀝青在惠河高速公路罩面工程中的應(yīng)用[J].湖南交通科技,2010,(1):29-32.

[4] 孫學(xué)偉.AR-AC13橡膠瀝青混合料設(shè)計(jì)與施工[J].中外公路,2008,(5):235-238.

[5] 周和勝,王振坤,張可強(qiáng).AR-AC20橡膠瀝青混合料在六武高速公路中的應(yīng)用研究[J].交通標(biāo)準(zhǔn)化,2010,(15):237-240.

[6] 劉斌清.基于控制反射裂縫的瀝青路面復(fù)合基層合理結(jié)構(gòu)研究[D].西安:長(zhǎng)安大學(xué)碩士學(xué)位論文,2010.

[7] West R C, Zhang J, Moore J. Evaluation of Bond Strength Between Pavement Layers[R]. Alabama: National Center for Asphalt Technology, 2005.

[8] 鄺仕廣.淺談橡膠改性瀝青在道路工程中的研究與應(yīng)用[J].黑龍江交通科技,2011,(9):158-159.

(責(zé)任編校：晴川)

Analysis on the Influence of Structure Combination of Asphalt Pavement on Rut Depth

ZHANG Lujun

(Department of Highway Engineering, Shanxi Traffic Vocational and Technical College,Jinzhong Shanxi 030031, China)

To investigate the effect of asphalt pavement structure rutting depth, the author proposed two types of pavement structure, using finite element software ANSYS to simulate different basic forms and the thickness of the asphalt layer of pavement rutting depth changes, and through the numerical analysis, the conclusions are as follows:(1) structural deformation is mainly distributed in the asphalt stabilized base and the asphalt layer below, and the stable distribution is more obvious; structure two deformation distribution in the structure of a base of the higher level of gravel also occupies a large proportion;(2) variation of the thickness of the asphalt layer and rutting depth is roughly two times polynomial, pavement rut depth increases with the thickness of the asphalt layer, the increasing trend was first increase and then decrease.

asphalt pavement; rutting; structural combination; permanent deformation; finite element analysis

2016-04-09

張璐軍(1983— )，男，山西繁峙人，山西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院公路工程系講師，碩士.研究方向：公路工程.

U416.217

A

1008-4681(2016)05-0032-03