馬文科 蔡則旺

(中國建筑第七工程局有限公司，河南 鄭州 450000)

1 基層類型對瀝青路面車轍影響的有限元分析

ABAQUS有限元軟件是一種功能強(qiáng)大的通用數(shù)值仿真分析工具，能夠針對道路工程典型問題進(jìn)行有效模擬分析，如瀝青路面車轍問題、瀝青路面裂縫問題、路基路面沉降問題等[1]。本研究則主要對瀝青路面車轍問題進(jìn)行了ABAQUS有限元模型分析。

1.1 瀝青路面材料選擇

目前，瀝青混合料類型多種，且不同材料具有不同力學(xué)性能，故瀝青混合料選擇對瀝青路面結(jié)構(gòu)性能影響較大?？v觀我國瀝青路面建設(shè)情況，AC-16瀝青混合料、AC-20瀝青混合料、AC-25瀝青混合料應(yīng)用較為廣泛[2]。故本次有限元模型分析中，設(shè)計選擇者三種材料鋪設(shè)瀝青面層。瀝青混合料以及其他集料力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 瀝青混合料與其他集料力學(xué)參數(shù)

1.2 瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計

設(shè)置四種不同基層瀝青路面。(1)半剛性基層瀝青路面：基層為水泥穩(wěn)定碎石20cm，水泥穩(wěn)定砂礫25cm，上面層4cmAC-16瀝青混合料，中面層6cmAC-20瀝青混合料，下面層8cmAC-25瀝青混合料，用字母A表示。(2)骨架密實型級配碎石基層瀝青路面：基層為級配碎石20cm，級配碎石37cm，上面層、中面層、下面層同半剛性基層瀝青路面，用字母B表示。(3)連續(xù)級配型級配碎石基層瀝青路面：基層為級配碎石30cm，級配碎石24cm，面層材料同半剛性基層瀝青路面，用字母C表示。(4)復(fù)合型基層瀝青路面：基層為級配碎石20cm，水泥穩(wěn)定碎石20cm，水泥穩(wěn)定砂礫15cm，瀝青面層同半剛性基層瀝青路面，用字母D表示。

1.3 車轍有限元模型分析

根據(jù)有限元模型統(tǒng)計分析相同車荷載作用下，不同基層類型車轍情況。設(shè)定車輪壓力0.7MPa，輪組高度與寬度分別為3.5m、3.75m。車輛荷載作用時間與車輪荷載作用次數(shù)(N)、車軸輪數(shù)(nw)、車軸重量(P)、車胎接地壓力(p)與接地寬度(B)等因素相關(guān)，故車輛荷載累計時間(t)可按照公式“t=0.36NP÷nwpBv”計算，其中v表示車輛行駛速度[3]。在有限元模型分析中，考慮到外界環(huán)境溫度對瀝青路面車轍存在的影響，故對某地夏季近四年溫度進(jìn)行了調(diào)查，根據(jù)調(diào)查數(shù)據(jù)確定瀝青路面車轍溫度變量。一天內(nèi)該地區(qū)最高溫度在14時，平均溫度高達(dá)34℃，最低溫度在4時，平均溫度21.2℃，全天平均溫度約為27.7℃。

1.4 結(jié)果及討論

其他條件一定情況下，車荷載作用次數(shù)不同情況下探究不同基層類型對瀝青路面車轍存在的影響。結(jié)果顯示：(1)車輛加載次數(shù)越多A、B、C、D四種基層瀝青路面面層剪力均呈現(xiàn)出不斷下降態(tài)勢，說明車荷載對瀝青路面面層剪力存在較大影響，車荷載作用越大瀝青里面面層剪力變化越明顯。(2)車輛加載次數(shù)越多四種基層瀝青路面車轍病害越嚴(yán)重，標(biāo)準(zhǔn)當(dāng)量產(chǎn)抽次達(dá)到200萬時，骨架密實型級配碎石基層瀝青路面、連續(xù)級配型級配碎石基層瀝青路面車轍>17mm，半剛性基層瀝青路面、復(fù)合型基層瀝青路面達(dá)到15mm～17mm左右。四種路面相對而言，復(fù)合型基層瀝青路面車轍病害最輕，路面車輛行駛穩(wěn)定性、安全性最高。(3)車輛加載次數(shù)越多四種基層瀝青路面面層車轍增大，初期A、B、C、D四種基層瀝青路面面層車轍變化相當(dāng)，中后期半剛性基層瀝青路面變化越發(fā)明顯，當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)當(dāng)量產(chǎn)抽次達(dá)到200萬時，面層車轍接近18mm，骨架密實型級配碎石基層瀝青路面與復(fù)合型基層瀝青路面面層車轍相當(dāng)，約為15mm左右。從瀝青路面使用長久性、瀝青路面建設(shè)經(jīng)濟(jì)性考慮，建議首選復(fù)合型瀝青路面。

2 基層類型對瀝青路面車轍影響的多重比較分析

在瀝青路面車轍影響因素分析中，有學(xué)者采用單因素方差分析法驗證基層類型、瀝青面層材料等是瀝青路面車轍影響因素。在此基礎(chǔ)上，且進(jìn)一步了解不同基層類型對瀝青路面車轍的影響程度，本研究設(shè)計采用多重比較檢驗法進(jìn)行探究。

2.1 試驗路況簡介

以某高速公路K23+000～K29+450段瀝青路面為例，探究柔性基層瀝青路面、半剛性基層瀝青路面、剛性基層瀝青路面三種基層類型對車轍的影響程度。綜合考慮氣溫因素、車輛荷載因素等對瀝青路面車轍存在的影響，設(shè)計在同一條高速公路上選取三種基層類別瀝青路面樣本，高速公路長度范圍控制在7km以內(nèi)。柔性基層(A)、半剛性基層(B)、剛性基層瀝青路面(C)面層結(jié)構(gòu)相同，均為AC-16瀝青混合料4cm+AC-20瀝青混合料5cm+AC-20瀝青混合料6cm。

柔性基層瀝青路面1號、2號、3號基層結(jié)構(gòu)相同，均為AC-20瀝青混合料15cm+級配碎石35cm，長度分別為130m、120m、130m；柔性基層瀝青路面4號基層結(jié)構(gòu)為水穩(wěn)碎石16cm+三灰碎石14cm+水穩(wěn)砂礫20cm，長度約為300m；柔性基層瀝青路面5號基層結(jié)構(gòu)為水穩(wěn)碎石17cm+三灰碎石14cm+水穩(wěn)砂礫20cm，長度約為600m。

半剛性基層瀝青路面1號基層結(jié)構(gòu)為水穩(wěn)碎石17cm+三灰碎石14cm+水穩(wěn)砂礫16cm，長度約為300m；2號基層結(jié)構(gòu)為水穩(wěn)碎石14cm+三灰碎石16cm+水穩(wěn)砂礫20cm，長度約為6450m；3號基層結(jié)構(gòu)為高摻貧混凝土30cm+水穩(wěn)砂礫20cm，長度約為300m。

剛性基層瀝青路面1號基層結(jié)構(gòu)為高摻貧混凝土30cm+水穩(wěn)砂礫20cm，長度約為300m；2號基層結(jié)構(gòu)為粉煤灰混凝土26cm+水穩(wěn)砂礫15cm+水穩(wěn)碎石15cm，長度240m。

2.2 多重比較檢驗分析法

在數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析中方差分析雖然能夠說明總體均值之間存在差異，提示不同基層類型對瀝青路面車轍存在影響，但無法說明各均值之間的差異闡明不同基層類型對瀝青路面車轍的具體影響情況。而多重比較檢驗分析法則可以彌補(bǔ)這種不足，能夠通過多重比較從眾多參數(shù)中將差異最為顯著的一個找出來。目前，多重比較檢驗分析中可應(yīng)用的方法較多，本次研究設(shè)計選用最小顯著性差異法進(jìn)行探究。該方法能夠根據(jù)所有觀測變量對控制變量中各水平觀測均值之間存在的差異進(jìn)行分析。

2.3 結(jié)果及討論

經(jīng)多重比較檢驗分析得出表2所示結(jié)果。根據(jù)表中數(shù)據(jù)可知柔性基層瀝青路面與半剛性基層、剛性基層瀝青路面兩兩檢驗均存在顯著差異(P<0.05)；半剛性基層瀝青路面與柔性基層、剛性基層瀝青路面兩兩檢驗，半剛性基層瀝青路面與其他兩種基層瀝青路面存在顯著差異(P<0.05)；剛性基層瀝青路面與柔性基層、半剛性基層瀝青路面兩兩檢驗，剛性基層瀝青路面與柔性基層瀝青路面存在顯著差異(P<0.05)，與半剛性基層瀝青路面無顯著差異(P>0.05)。

表2 多重比較檢驗結(jié)果

基于調(diào)查數(shù)據(jù)得知柔性基層(包括1號～5號)、半剛性基層(包括1號～3號)、剛性基層(包括1～2號)實際車轍深度平均值左側(cè)分別為6.0mm、5.7mm、4.4mm、3.4mm、3.4mm、3.6mm、2.9mm、3.5mm、3.4mm、4.3mm，右側(cè)分別為3.5mm、2.7mm、2.4mm、1.7mm、1.9mm、1.9mm、1.3mm、1.6mm、2.1mm、2.0mm。根據(jù)這些數(shù)據(jù)探究不同基層類別對瀝青路面車轍深度存在的影響。發(fā)現(xiàn)瀝青面層材料、結(jié)構(gòu)一致情況下，柔性基層瀝青路面車轍深度更大，左輪跡帶平均值達(dá)到5.37mm，右輪跡帶平均值達(dá)到2.87mm，其次是剛性基層瀝青路面，左輪跡帶平均值達(dá)到3.73mm，右輪跡帶平均值達(dá)到1.90mm，最后是半剛性基層瀝青路面，左輪跡帶平均值達(dá)到3.33mm，右輪跡帶平均值達(dá)到1.70mm。比對不同基層類型左右輪跡帶車轍深度，發(fā)現(xiàn)剛性基層(1.96)=半剛性基層(1.96)>柔性基層(1.87)。上述結(jié)果說明柔性基層瀝青路面車轍病害最為嚴(yán)重，左輪跡帶處車轍普遍較右輪跡處車轍深，這與高速公路上重型車靠內(nèi)側(cè)行駛相關(guān)[4]。

3 結(jié) 語

基層類型是影響瀝青路面車轍產(chǎn)生的重要因素之一。但其他條件相同情況下，無論是有限元模型分析還是多種比重檢驗分析，均顯示柔性基層對瀝青路面車轍的影響最大，其次是半剛性基層路面。故在瀝青路面基層類型選擇時，應(yīng)盡可能選擇剛性基層或復(fù)合型基層，以減少瀝青路面車轍病害發(fā)生率，提高瀝青路面使用壽命，保證車輛行駛安全、舒適、穩(wěn)定。