溫度及荷載對(duì)瀝青路面車轍的影響分析

吳同山

（新疆塔城公路管理局塔城分局，新疆 塔城 834700）

0 引言

在瀝青路面產(chǎn)生的各種病害中，車轍病害占有很大比例。車轍是指路面因重復(fù)行車或超重荷載產(chǎn)生的永久性壓痕。這種壓痕是瀝青路面最普遍的一種損壞形式，也一直是道路工程人員研究的主要課題。車轍會(huì)導(dǎo)致路面積水，致使駕駛?cè)藛T無(wú)法判斷路面障礙的深度和寬度，從而對(duì)行車舒適性產(chǎn)生較大影響，也不利于人們安全出行。此外，車轍是瀝青路面周期性評(píng)價(jià)以及維護(hù)、保養(yǎng)中的重要指標(biāo)。瀝青路面車轍深度和寬度的檢測(cè)能為道路工程人員提供重要信息，可為路面的養(yǎng)護(hù)、維修和翻修的科學(xué)決策提供技術(shù)支持。

國(guó)內(nèi)學(xué)者在瀝青路面車轍病害方面已經(jīng)開展了許多研究。蘇凱、孫立軍于2006年系統(tǒng)總結(jié)了目前國(guó)內(nèi)外典型的車轍等效溫度計(jì)算方法，提出了一種車轍等效溫度計(jì)算的新思路，同時(shí)結(jié)合路面溫度場(chǎng)建立預(yù)估模型進(jìn)行驗(yàn)證分析，最終提出確定車轍等效溫度的合理化建議[1]。敖星于2012年利用加速加載試驗(yàn)機(jī)，通過(guò)正交試驗(yàn)方法對(duì)比分析了不同荷載、溫度與速度組合對(duì)瀝青混合料抗車轍性能的影響程度，結(jié)論是溫度和速度對(duì)瀝青混合料的抗車轍性能的影響小于荷載的影響，導(dǎo)致車轍產(chǎn)生的最不利因素組合為低速、高溫和重載[2]。

本文首先采用有限元計(jì)算方法計(jì)算出不同環(huán)境條件下的路面結(jié)構(gòu)溫度場(chǎng)；然后在此基礎(chǔ)上結(jié)合行車荷載對(duì)路面車轍進(jìn)行計(jì)算，探討和分析不同溫度條件和不同行車荷載作用下的車轍發(fā)展趨勢(shì)和規(guī)律。

1 溫度場(chǎng)及行車荷載計(jì)算理論

在路面結(jié)構(gòu)確定的情況下，溫度場(chǎng)的主要影響因素包括太陽(yáng)輻射、路面有效輻射和熱對(duì)流三方面。

1.1 太陽(yáng)輻射

太陽(yáng)輻射q（t）的日變化過(guò)程采用下列函數(shù)表示：

式中，q0為中午最大輻射，q0=131mQ；m=12/c；c為實(shí)際有效日照數(shù)；Q為太陽(yáng)輻射量；ω為角頻率， ω=2π/24； t表示時(shí)間。

1.2 路面有效輻射

瀝青路面有效輻射的大小與諸多因素相關(guān)，如地面溫度、氣溫、云星、空氣的濕度及透明度等。地面有效輻射的邊界條件如下式所示：

式中，qF為地面有效輻射；ε為路面發(fā)射率；σ表示黑體輻射系數(shù)；Ta表示大氣溫度；T1|z=0表示絕對(duì)零度值，為-273℃。

1.3 熱對(duì)流

大氣溫度在太陽(yáng)輻射的影響下呈現(xiàn)出周期性的變化特征，可采用兩個(gè)正弦函數(shù)的線性組合來(lái)模擬氣溫的日變化過(guò)程，其公式為：

式中，Ta表示日平均氣溫；Ta=（Tmaxa+Tmina）/2；Ta表示大氣溫度；Tm表示日氣溫變化幅度，Tm=（）/2；t0為初相位，最大太陽(yáng)輻射和最高氣溫出現(xiàn)的時(shí)間差加7；ω為角頻率，ω=2ω/24。

根據(jù)溫度場(chǎng)計(jì)算理論，進(jìn)行瀝青路面結(jié)構(gòu)力學(xué)計(jì)算。本文選取7個(gè)荷載集度進(jìn)行計(jì)算，以對(duì)比不同荷載對(duì)車轍的影響。

2 溫度及荷載對(duì)車轍的有限元分析

2.1 路面結(jié)構(gòu)及材料參數(shù)

為便于研究，本選取湖南省某公路瀝青路面C段為研究對(duì)象，瀝青路面C的結(jié)構(gòu)及各層參數(shù)見表2-1。

表2 -1 瀝青路面C的結(jié)構(gòu)及各層參數(shù)

2.2 有限元模型計(jì)算

根據(jù)表2-1所示的路面結(jié)構(gòu)及各層參數(shù)，可以對(duì)瀝青路面C進(jìn)行三維有限元分析。采用標(biāo)準(zhǔn)雙圓荷載，分析范圍在X、Y軸方向分別為2.5m。邊界條件假設(shè)為各層間之間呈完全連續(xù)狀態(tài)，前后兩側(cè)沒有Y方向位移，左右兩側(cè)面沒有X方向位移，底面沒有Z方向位移。

將柔性基層和面層看成粘彈性材料，材料的本構(gòu)模型采用Burgers模型。該模型是由Maxwell和Kelvin兩個(gè)模型串聯(lián)而成的四元件模型，對(duì)于瀝青材料的粘彈力學(xué)性質(zhì)能夠有較真實(shí)地反映。Maxwell和Kelvin模型的應(yīng)力相等，在應(yīng)力σ作用下，均為σ，其應(yīng)變分別為ε1和ε2，總應(yīng)變?yōu)閮烧咧?。根?jù)上文可得其本構(gòu)方程：

模型的蠕變?nèi)崃糠匠虨椋?/p>

利用Burgers模型對(duì)松弛性質(zhì)的分析，可得松弛模量方程為：

采用Burgers模型可以定性地解釋混合料永久變形發(fā)展情況，對(duì)瀝青混合料的實(shí)際變形特征會(huì)有較好地反映。墊層和半剛性基層則被看成完全彈性體系，材料本構(gòu)模型采用廣義虎克定律，有：

式中，E為與彈性有關(guān)的常數(shù)；ε為應(yīng)變；σ為應(yīng)力。通過(guò)靜態(tài)蠕變?cè)囼?yàn)得到的蠕變曲線關(guān)系圖以及大量數(shù)據(jù)來(lái)考慮溫度在有限元中的計(jì)算。根據(jù)Burgers模型加載卸載過(guò)程中的蠕變關(guān)系方程，加載過(guò)程為：

利用最小二乘法原理進(jìn)行編程分析計(jì)算，輸入蠕變?cè)囼?yàn)數(shù)據(jù)（應(yīng)變?chǔ)偶皶r(shí)間t），并根據(jù)已有資料取參考初值即可得到不同溫度下材料的Burgers模型參數(shù) （E1， η1， E2， η2）。

卸載過(guò)程為：

2.3 荷載的作用及分析

一天中的行車荷載并非均勻分布，不同時(shí)段的溫度場(chǎng)也不相同，因此只有將某一時(shí)刻的路面溫度場(chǎng)與當(dāng)時(shí)的行車荷載相結(jié)合，才能比較準(zhǔn)確地計(jì)算出車轍的發(fā)展趨勢(shì)和效果（見表2－2）。

表2 －2 不同時(shí)段荷載的累積作用時(shí)間

2.4 模型計(jì)算結(jié)果分析

為體現(xiàn)溫度變化對(duì)于車轍的影響，分別對(duì)在溫度為20℃、30℃、40℃、50℃和60℃時(shí)的車轍試驗(yàn)進(jìn)行研究，試驗(yàn)結(jié)果見表2-3。

表2 －3 各種溫度及荷載條件下車轍計(jì)算結(jié)果

由表2-3可以得出以下結(jié)論：

a）保持荷載作用次數(shù)不變，隨著溫度的升高，車轍變形逐漸增大，但兩者之間并不是單純的線性關(guān)系，而是呈現(xiàn)出突變的非線性關(guān)系；保持溫度不變，隨著荷載作用次數(shù)增加，車轍變形增大，車轍的發(fā)展隨著行車荷載作用的增大而呈線性增大趨勢(shì)；

b）當(dāng)溫度超過(guò)50℃之后，車轍的發(fā)展速度要比20～50℃時(shí)更加明顯，說(shuō)明瀝青路面在受到荷載作用次數(shù)增加和溫度升高的雙重作用之后，車轍變形越發(fā)明顯，這是因?yàn)闇囟鹊纳呤沟貌牧峡棺冃文芰ο陆担瑫r(shí)當(dāng)溫度逐漸升高時(shí)瀝青混合料的粘性系數(shù)和彈性模量都會(huì)減小，從而導(dǎo)致車轍深度明顯增大。

綜上所述，車轍的總體變化趨勢(shì)是隨著行車荷載的增大而增大，因此，超載將大大縮短瀝青路面的使用壽命，所以必須進(jìn)行嚴(yán)格控制，以避免車轍病害的加速發(fā)展。此外，車轍在高溫條件下隨行車荷載的增長(zhǎng)幅度要小于低溫條件下的增長(zhǎng)幅度，這是由于高溫條件下車轍深度絕對(duì)值更大，因而超載作用在高溫條件下的危害更大。

3 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)于湖南省某公路瀝青路面車轍在環(huán)境溫度及行車荷載影響下形變大小的分析，可以有效指導(dǎo)瀝青路面施工中材料的運(yùn)用。研究表明，應(yīng)正確疏導(dǎo)瀝青路面的車流量，嚴(yán)格限制超載情況發(fā)生；在高溫季節(jié)應(yīng)加強(qiáng)對(duì)瀝青路面的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，以有效減少車轍等路面病害的發(fā)生幾率，從而延長(zhǎng)路面的使用期限，保障路面行車的安全性和舒適性，為人們?nèi)粘３鲂刑峁┍憷?/p>

[1]蘇凱，孫立軍.車轍等效溫度確定方法探討[J].大連理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，（s1）：162-167.

[2]李力科.高速公路瀝青路面早期車轍現(xiàn)象的成因[J].民營(yíng)科技， 2012， （2）： 204.

[3]關(guān)宏信，張起森，羅增杰.考慮溫度梯度瀝青路面面層全厚式車轍試驗(yàn)[J].土木工程學(xué)報(bào)，2011，（6）： 143-147.

[4]鄭南翔，牛思勝，許新權(quán).重載瀝青路面車轍預(yù)估的溫度-軸載-軸次模型[J].中國(guó)公路學(xué)報(bào)，2009，（3）：7-13.