動水壓力對瀝青混凝土路面的破壞研究

李 瓊

(重慶市豐都縣公路局，重慶 408200)

0 引言

隨著交通事業(yè)的不斷發(fā)展，交通量急劇增長，車輛超載現(xiàn)象也越來越嚴重，與此同時，路面病害的產(chǎn)生也驚人發(fā)展，致使瀝青路面的使用性能與壽命遠遠低于應有的設計水平。在各種類型的瀝青路面早期破壞現(xiàn)象中，水損壞現(xiàn)象是最主要、危害最大的損壞類型[1]，受到國內外學者和工程工作人員的高度重視并開展了大量研究。高海波對脈動水壓力作用下瀝青路面水損壞的機理及導致水損壞現(xiàn)象的一些誘因進行了初步分析[2]；季天劍將輪胎、路表水膜和路面作為一個系統(tǒng)，研究了輪胎的動力滑水問題,指出了水膜厚度對滑水的影響[3]；周長紅利用變溫粘彈性理論和Biot動力固結理論，分析了在循環(huán)車載作用下瀝青路面的孔隙水壓力反應[4]；Hoven利用太沙基固結理論建立了動載下的孔隙水壓力的計算模型[5]；J．R．Cho通過數(shù)值模擬實驗得到了滑水速度和動水壓力成正比例關系[6]。但是，目前關于動水壓力對瀝青混合材料破壞的理論研究仍不夠成熟。本文通過理論方法對路面的水膜微元體受力分析，得到了動水壓力的理論值，并與動水壓力實測的數(shù)據(jù)回歸分析比較，揭示潮濕多雨地區(qū)高等級道路易發(fā)生水損壞的原因；研究動水壓力作用誘發(fā)瀝青混凝土路面水損壞機理。

1 動水壓力的作用

造成水損壞的水大多來源于自然降水[7]，雨水主要通過路拱橫坡來排除，在降雨過程中，路表會形成一層薄薄的水膜,車輛在路面行駛過程中，輪胎與路面之間的水膜被高速運轉的輪胎反復作用，由此便產(chǎn)生了動水壓力[8]。水膜所產(chǎn)生的動水壓力同時作用于輪胎與路面之間，由于車輛的高速行駛，對于輪胎與路面接觸的某一點而言，這種動水壓力是瞬間的，而對于車輛行駛的整條輪跡而言，動水壓力如同行車荷載一樣是自始至終存在的。

瀝青路面受行車荷載作用所產(chǎn)生的動水壓力如圖1所示，當車輪駛向路面空隙時，對路面水產(chǎn)生正壓作用，將路面水擠進路面空隙中；當車輪駛離路面空隙時，對路面水產(chǎn)生負壓作用，將水從路面空隙中吸出。在行車荷載的反復作用下，會形成路面結構應力耦合的作用場，從而引起路面內部的水損害等一系列破壞，其危害是相當嚴重的。

圖1 動水壓力作用示意圖

2 動水壓力的理論推導與實測

將輪胎、水膜、路面之間的相對運動關系放到坐標系中，將坐標固定于輪胎軸，則路面和水膜體以高速v向輪胎前進，這時水膜就變成了楔子狀，進入輪胎面和路面間隙內。如圖2所示。

圖2 路面-水膜及輪胎關系

考慮微積分思想，將輪胎無限微分，輪胎與路面接觸處，輪胎與路面的傾角非常小且趨于零，輪胎的胎面為平面。

從水膜體中取一個形為六面體的微元體，微元體邊長分別為δx、δy和δz，在運動過程中它們保持不變。此微元體形心M位于坐標(x，y，z)，M點上動水壓強為p，流速為(vx，vy，vz)，設水膜體為均質的，密度為ρ。受力分析如圖3所示。

不考慮水體的粘滯力，因此微元體不存在切向力，其只受到垂直于作用面的動水壓力。質量力在三個坐標軸方向上的分量分別為fx、fy和fz?？紤]作用于微元體上的壓力及質量力分力作用，根據(jù)歐拉法得到方程

(1)

(2)

(3)

質量力有勢，則存在勢函數(shù)U(x,y,y)，將式(1)、(2)、(3)化簡得到

(4)

路面和輪胎面的后端(即路面與輪胎接觸點)攔住了從前方進入的水，水從輪胎面的兩側流出，這時水的流線如圖4所示。

圖3 水膜微元體受力分析

圖4 輪胎下的水膜流線

在水流的停滯點處將產(chǎn)生動水壓力。動水壓力根據(jù)式(4)計算得到

(5)

式中：P——動水壓力(Pa)；

ρ——水的密度(1000kg/m3)；

v——行車速度(m/s)。

變換(4)式中的單位可得：

p=0.66v2

(6)

式中：p——動水壓力(水頭高度m)；

v——車輛的行駛速度(m/s)。

為了較好地比對動水壓力理論值與實測值，同濟大學通過自主研發(fā)的試驗設備對路面動水壓力與車速的關系進行了實地測量，得到了實測路面動水壓力與車速的關系曲線，如圖5所示，并進行了數(shù)值回歸，動水壓力與車速的關系式為：

(7)

式中：P——動水壓力(水頭高度m)；

v——行車速度(km/h)。

圖5 動水壓力的實測回歸曲線

由圖5可以看出，在中、低級道路上，由于行車速度的限制，行車荷載所造成的路面動水壓力也不大，常規(guī)瀝青混凝土路面能夠承受其加載的作用力。但對于行車速度都在110km/h以上的高等級道路，所造成的動水壓力則遠高于普通道路，甚至能達到普通道路3倍之多。隨著行車速度的提高，強大動水壓力使得水分逐漸滲入瀝青混凝土路面結構內部，并直接作用在瀝青與集料的界面上，極易造成瀝青與集料的剝離，最終導致混合料的松散與路面結構的破壞。由此看來，如在南方一些潮濕多雨地區(qū)，路面長期受到如此大的動水壓力作用，雨水通過空隙或裂縫進入路面結構內部、造成路面損壞是在所難免的。

實測的動水壓力與理論推導相比，在幾何圖形上都顯示出動水壓力值隨行車速度的提高呈幾何增長的趨勢；回歸分析與理論推導方程表達式也是相似的，即動水壓力與行車速度的平方成正比。但是實測動水壓力數(shù)值卻遠低于理論推導值，這是由于實測路面、輪胎胎面與水膜厚度等情況較理想值不同所造成的。

3 動水壓力對瀝青混凝土路面破壞機理

瀝青路面具有噪聲低、無接縫、平整、耐磨、行車舒適等許多優(yōu)點，因此在我國公路建設中得到了廣泛的應用。但是隨著我國公路等級的不斷提高，交通量急劇增長，尤其高速公路上重載、超載的現(xiàn)象頻現(xiàn)，甚至載荷超過了額定荷載的2～3倍，加劇了瀝青路面的水損壞。在高速重載交通作用下，路面水形成局部高壓、高速水流以及車輪離開時形成的真空負壓作用，不斷侵蝕裹覆在集料表面的瀝青膜，水分逐漸滲入瀝青與礦料的界面或瀝青內部致使結構內部的細小集料顆粒隨空隙水擠出路面，對路面結構造成了嚴重破壞。

在符合規(guī)范要求的瀝青路面中，其粘結力一般表現(xiàn)為路面經(jīng)過外荷載碾壓后的整體性。在動水壓力作用下，粉料的逸出將造成瀝青膠漿粘度降低，從而對集料的粘結力減弱，加速瀝青從集料表面剝離。在多雨地區(qū)，尤其在交通量較大的瀝青路面上，路面長期受到動水壓力的沖蝕與沖刷作用，更容易導致瀝青路面結構的損壞，因此水損害是瀝青路面損壞的一個重要肇因。

4 結論

(1)基于歐拉法，對水膜微元體受力分析，得到了動水壓力的理論計算方法。

(2)動水壓力實測的數(shù)據(jù)回歸分析與理論推導解析解規(guī)律相同，動水壓力值隨行車速度的提高呈幾何增長的趨勢，動水壓力正比于行車速度的平方。

(3)通過對實測結果分析，指出了潮濕多雨地區(qū)高等級道路易發(fā)生水損壞的原因。

(4) 揭示了動水壓力作用致使瀝青混凝土路面結構粘結力減弱，從而誘發(fā)水損壞。

參考文獻：

[1] 歐金秋.瀝青路面水損壞的動水壓力驅動機理研究 [D].濟南：山東大學，2012.

[2] 高海波.高速公路瀝青路面早期水損害機理分析及預防措施[J].工程建設與設計,2012(7):169-171.

[3] 季天劍，高玉峰，陳榮生.轎車輪胎動力滑水分析[J].交通運輸工程學報,2010,10(5):57-60

[4] 周長紅,陳靜云,王哲人,等.瀝青路面動水壓力計算及其影響因素分析[J].中南大學學報：自然科學版, 2008,39(5):1100-1104.

[5] Hoven J M．Measurement and analysis of pore water pressure in thawing pavement structures subjected to dynamic loading[D].Minneapolis: The University of Minnesota, 1997．

[6] Cho J R, Lee H W, Sohn J S. Numerical investigation of hydroplaning characteristics of three dimension patterned tire[J].European Journal of Mechanics A/solids, 2006, 25(6): 914-926．

[7] 鐘建,周青蓮.公路瀝青路面水損壞原因及防治對策[J].公路交通技術,2005(4):49-51.

[8] 孫立軍．瀝青路面結構行為理論[M]．北京:人民交通出版社，2005:204，215．