溫度和荷載對瀝青鋪裝層車轍形成的影響

王海玲

（通遼市交通工程局，通遼028000）

瀝青鋪裝層是由瀝青混合料鋪筑而成的層狀結(jié)構(gòu)，是一種具有明顯感溫性和流變特性的典型粘彈塑性材料［1］。在瀝青鋪裝層的所有損害類型當(dāng)中，與開裂、泛油、水損害等其他路面病害相比，車轍的危害性更大。車轍也是我國公路瀝青路面現(xiàn)階段遇到的問題中最突出，危害最大的損壞類型之一。車轍極大地影響了道路的使用壽命和行車安全性［2，3］，主要表現(xiàn)在：車轍會降低路面的平整度，并使輪胎與路面接觸部位的瀝青層變薄，使路面結(jié)構(gòu)的整體強(qiáng)度降低，并誘發(fā)其它路面病害，影響行車穩(wěn)定性，容易引發(fā)交通事故［4］。車轍主要是由荷載在高溫環(huán)境下持續(xù)作用形成的［5］，因此有必要通過不同溫度和不同荷載作用下瀝青鋪裝層的應(yīng)力分布情況研究車轍形成過程，并分析瀝青路面各面層材料的受力情況，揭示各面層的具體受力形態(tài)。

1 實(shí) 驗(yàn)

材料參數(shù)見表1。根據(jù)工程實(shí)際選取五層結(jié)構(gòu)作為路面結(jié)構(gòu)，采用ABAQUS使用3m×3m的2D模型對路面結(jié)構(gòu)層進(jìn)行力學(xué)分析。有限元分析過程中假設(shè)瀝青面層材料為彈性材料，實(shí)驗(yàn)溫度分別為20℃、40℃和60℃，實(shí)驗(yàn)荷載選用等效矩形荷載如圖1所示，實(shí)驗(yàn)荷載分別為0.7MPa、0.9MPa和1.1MPa。

表1 路面結(jié)構(gòu)層彈性參數(shù)取值

2 結(jié)果與討論

如圖2所示，采用各向同性彈性材料假設(shè)時(shí)，瀝青上面層荷載區(qū)域會出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，荷載部分區(qū)域會出現(xiàn)應(yīng)力峰值，即此區(qū)域?yàn)閼?yīng)力集中最為嚴(yán)重的區(qū)域（凹形，壓應(yīng)力集中），而荷載外部基本上都會是拉應(yīng)力作用區(qū)域。在各向同性彈性材料假設(shè)模擬過程中，水穩(wěn)基層和土基接觸區(qū)域拉應(yīng)力明顯，會造成凸形車轍。車轍產(chǎn)生的區(qū)域?yàn)槊鎸?～12cm深度范圍內(nèi)［1］。按照實(shí)驗(yàn)假設(shè)，車轍主要出現(xiàn)在路面結(jié)構(gòu)層的上面層，中面層也會有一小部分。路面面層結(jié)構(gòu)內(nèi)部最大剪應(yīng)力沿道路深度方向均由壓應(yīng)力變?yōu)榧魬?yīng)力直至消失，即都表現(xiàn)為先增大后減小，長安大學(xué)的研究成果也證實(shí)了這一點(diǎn)［1］。

基于以上實(shí)驗(yàn)事實(shí)，分析20℃、40℃和60℃時(shí)上面層瀝青混合料的應(yīng)力分布。研究表明：20℃時(shí)的上面層應(yīng)力明顯小于40℃和60℃，40℃和60℃應(yīng)力分布相差不大且荷載作用區(qū)域?yàn)閼?yīng)力峰值區(qū)域，兩荷載作用中間區(qū)域應(yīng)力稍小，與荷載作用區(qū)應(yīng)力形成凹陷形狀（如圖3（a）括弧區(qū)域）。橫向應(yīng)力分布呈W字母形狀，這也很好的驗(yàn)證了道路車轍大多數(shù)呈W字母狀。由圖3（a）可知，路表溫度越高，上面層同一深度處最大應(yīng)力越大，且上面層最大應(yīng)力峰值也越大。不同荷載作用時(shí)上面層瀝青混合料受力趨勢基本相同，但荷載越大，上面層瀝青混合料應(yīng)力越大。荷載對車轍的影響最為嚴(yán)重，荷載增大，上面層應(yīng)力明顯增大，而且增大趨勢更加大如圖3（b），這也說明超載會造成嚴(yán)重的車轍問題。

由圖4可知，瀝青上、中、下面層和水穩(wěn)基層在60℃標(biāo)準(zhǔn)荷載作用下應(yīng)力分布情況。圖4（a）表明瀝青混凝土上面層荷載作用區(qū)域應(yīng)力最大，應(yīng)力分布最為復(fù)雜，不同作用點(diǎn)的應(yīng)力變化幅度也較大；中面層和下面層應(yīng)力分布差異不明顯，曲線呈重疊狀態(tài)，這說明荷載作用傳遞力學(xué)變化到中面層已經(jīng)停止，才會使中面層和下面層應(yīng)力分布幾乎沒有變化；水穩(wěn)基層應(yīng)力分布變化不大，與中、下面層應(yīng)力分布趨勢相似，只是荷載作用區(qū)域和路面邊界區(qū)域應(yīng)力有所減小而已；荷載作用下路面結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力出現(xiàn)在上面層，沿道路深度方向最大應(yīng)力逐漸減小，面層變化較大，基層變化幅度較小，變化幅度沿著路面深度方向逐漸減小。圖4（b）表明上面層、中面層和下面層主要受壓應(yīng)力控制，水穩(wěn)基層則主要受拉應(yīng)力控制，且上面層、中面層和下面層荷載作用區(qū)域的最大主拉應(yīng)力為零，由荷載作用區(qū)域向兩側(cè)拉應(yīng)力逐漸增大；水穩(wěn)基層則恰恰相反，荷載作用區(qū)域主要受拉應(yīng)力，荷載兩側(cè)區(qū)域則主要受壓應(yīng)力。

3 結(jié) 論

采用ABAQUS有限元軟件對路面結(jié)構(gòu)層進(jìn)行力學(xué)分析，得出如下結(jié)論：路表溫度越高，上面層同一深度處應(yīng)力越大，且上面層最大應(yīng)力峰值也越大。不同荷載作用時(shí)上面層瀝青混合料受力趨勢基本相同，但荷載越大，上面層瀝青混合料應(yīng)力越大。上面層、中面層和下面層主要受壓應(yīng)力控制，水穩(wěn)基層則主要受拉應(yīng)力控制。

［1］ 郭 超.瀝青路面車轍域及抗車轍技術(shù)研究［D］.長安大學(xué)，2013.

［2］ 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］.中國公路學(xué)報(bào)，2009，22（3）：7－13.

［3］ Ji Xiaoping，Zheng Nanxiang，Hou Yueqin，et al.Application of Asphalt Mixture Shear Strength to Evaluate Pavement Rutting with Accelerated Loading Facility（ALF）［J］.Construction and Building Materials，2013，41：1－8.

［4］ 謝來斌.基于溫度場和動(dòng)態(tài)模量的瀝青混合料車轍預(yù)估模型研究［D］.西安建筑科技大學(xué)，2013.

［5］ Li Qiang，Ni Fujian，Gao Lei，et al.Evaluating the Rutting Resistance of Asphalt Mixtures Using an Advanced Repeated Load Permanent Deformation Test under Field Conditions［J］.Construction and Building Materials，2014，61：241－251.

［6］ 廖公云.ABAQUS軟件在道路工程中的應(yīng)用［M］.南京：東南大學(xué)出版社，2007.