水平荷載作用下瀝青路面變形研究

趙秀云 封妍 朱輝 劉媛媛

(山東協(xié)和學(xué)院，山東 濟(jì)南 250107)

水平荷載作用下瀝青路面變形研究

趙秀云 封妍 朱輝 劉媛媛

(山東協(xié)和學(xué)院，山東 濟(jì)南 250107)

車(chē)轍是瀝青混凝土路面常見(jiàn)的一種病害形式。產(chǎn)生車(chē)轍的原因包括內(nèi)因（瀝青混合料、路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)）和外因（施工因素、交通條件、氣候條件）兩大類(lèi)。本文主要從水平制動(dòng)力、溫度、行車(chē)速度三個(gè)方面對(duì)車(chē)轍的影響展開(kāi)分析，對(duì)比了這三種影響因素對(duì)瀝青混凝土路面車(chē)轍的影響。研究表明：水平制動(dòng)力越大，車(chē)轍深度越小；溫度越高，車(chē)轍深度越大；行車(chē)速度越快，車(chē)轍深度越小。

瀝青混凝土路面；車(chē)轍；水平制動(dòng)力；溫度；行車(chē)速度

在車(chē)輛正常行駛狀態(tài)下，車(chē)與路之間的摩擦作用較小，水平荷載對(duì)路面的作用可以忽略不計(jì)[1]。但是，在道路交叉口、停車(chē)站及收費(fèi)站等地段，在車(chē)輛頻繁制動(dòng)、啟動(dòng)作用下瀝青路面將會(huì)受到較大的水平荷載，容易產(chǎn)生波浪型車(chē)轍、擁包和疲勞損害等永久變形形式[2]。其中，車(chē)轍的產(chǎn)生是內(nèi)因和外因綜合作用的結(jié)果，內(nèi)因包括瀝青混合料和路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，外因包括施工、交通、氣候條件[3]。在此次研究中，采用ABAQUS大型有限元軟件，就水平荷載反復(fù)作用引起的瀝青路面車(chē)轍響應(yīng)進(jìn)行了相關(guān)數(shù)值計(jì)算研究，根據(jù)計(jì)算結(jié)果分析了在水平荷載作用下的瀝青路面車(chē)轍對(duì)溫度、水平制動(dòng)力和行車(chē)荷載的敏感性。

1 水平荷載的簡(jiǎn)化和模型的建立

1.1 水平荷載的簡(jiǎn)化

普渡大學(xué)的JianFeng Hua采用多個(gè)加載步和“以靜代動(dòng)”的加載方式對(duì)同一路面結(jié)構(gòu)的車(chē)轍深度進(jìn)行的模擬研究，結(jié)果表明采用兩種加載方法得到的車(chē)轍深度是一樣的，從而證明了“以靜代動(dòng)”的加載方式的可行性。本文首先確定豎直荷載形式，標(biāo)準(zhǔn)軸載BZZ—100采用的布置形式是單軸雙輪組形式，每個(gè)單輪的荷載為25kN，接地壓強(qiáng)表示為單位面積上的作用力，為0.7Mpa，單輪荷載接地面積為在模擬計(jì)算中將荷載形式及輪隙間距確定為如圖1所示的形式[4-6]：

圖1 車(chē)輪荷載接地面積布置形式

1.2 模型的建立

實(shí)際的路面結(jié)構(gòu)在垂直方向和水平方向都是趨向于無(wú)限的，但在有限元進(jìn)行求解的時(shí)候，不能在無(wú)限區(qū)域內(nèi)劃分單元?？紤]到計(jì)算結(jié)果的精確性和計(jì)算時(shí)間的長(zhǎng)短，本文在計(jì)算中選取的路面結(jié)構(gòu)模型的長(zhǎng)、寬、高分別為6m、6m、6.78m。路面結(jié)構(gòu)三維有限元模型如圖2所示：

圖2 路面結(jié)構(gòu)三維有限元模型

2 計(jì)算結(jié)果分析

2.1 不同制動(dòng)力水平對(duì)瀝青路面車(chē)轍的影響

本文計(jì)算采用的水平制動(dòng)力為0.1MPa、0.3MPa和0.5MPa三個(gè)水平，研究得到車(chē)速為50km/h時(shí)，不同溫度條件下、不同制動(dòng)力水平對(duì)車(chē)轍深度的影響結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同制動(dòng)力水平下的車(chē)轍隨加載時(shí)間的變化（a）及橫向分布（b）

從圖3中可以看到，在行車(chē)速度為50km/h，溫度為40℃時(shí)，隨著水平制動(dòng)力的增加，由行車(chē)荷載作用引起的路面車(chē)轍深度是逐漸減小的，在水平制動(dòng)力為0.1MPa時(shí)，其車(chē)轍深度為11.09mm，在水平制動(dòng)力增長(zhǎng)到0.3MPa時(shí)，車(chē)轍深度則為10.85mm，制動(dòng)力為0.5MPa時(shí)，車(chē)轍深度進(jìn)一步減小為10.54mm，可見(jiàn)在水平制動(dòng)力的對(duì)車(chē)轍深度也有所影響，車(chē)轍會(huì)隨水平制動(dòng)力的增加而減??；從道路的橫斷面上來(lái)看，溫度為40℃和50℃時(shí)，由于水平制動(dòng)力的作用，在車(chē)轍的兩側(cè)并沒(méi)有產(chǎn)生隆起，這主要是因?yàn)樵跍囟认鄬?duì)較低的時(shí)候，路面材料的流變性能較高，在水平制動(dòng)力的作用下把其推向了車(chē)輪作用的前方。

2.2 有水平荷載作用下，溫度對(duì)瀝青路面車(chē)轍的影響

研究得到水平制動(dòng)力為0.3Mpa時(shí)，不同車(chē)速、不同溫度條件下對(duì)瀝青路面車(chē)轍的影響，計(jì)算結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同溫度下的車(chē)轍隨加載時(shí)間的變化（a）及橫向分布（b）

溫度對(duì)瀝青混合料的性能有重大影響。瀝青混合料的溫度高，則其流變性顯著，在荷載及制動(dòng)力的作用下，更容易產(chǎn)生車(chē)轍。從圖 4中可以看出，瀝青混合料在溫度為60℃的車(chē)轍變形在經(jīng)過(guò)50萬(wàn)次的標(biāo)準(zhǔn)軸載碾壓后要比50℃的值大一倍左右，而50℃與40℃的差值卻沒(méi)有達(dá)到一倍，這說(shuō)明隨著溫度增加，瀝青混合料的流變性能越來(lái)越顯著，不只是簡(jiǎn)單的倍數(shù)增加。（b）圖為路面材料永久變形的橫斷面圖，可以看到在60℃時(shí)的車(chē)轍變形影響范圍較大。

2.3 行車(chē)速度對(duì)瀝青路面車(chē)轍的影響

研究得到水平制動(dòng)力為0.1Mpa時(shí)，不同溫度、不同行車(chē)速度條件下對(duì)瀝青路面車(chē)轍的影響，計(jì)算結(jié)果如圖5所示。

圖5 不同行車(chē)速度下的車(chē)轍隨加載時(shí)間的變化（a）及橫向分布（b）

由圖 5可見(jiàn)，在溫度和制動(dòng)力相同情況下，行車(chē)速度越大，路表的車(chē)轍深度則越小，在經(jīng)過(guò)50萬(wàn)次荷載作用下，行車(chē)速度30km/h時(shí)的路表車(chē)轍深度與行車(chē)速度50km/h所導(dǎo)致的車(chē)轍深度的差值要比車(chē)速50km/h與70km/h所引起的路表車(chē)轍差值大，這主要因?yàn)樾熊?chē)速度小，則作用時(shí)間長(zhǎng)，在時(shí)間硬化蠕變模型中認(rèn)為，材料的應(yīng)變?yōu)闀r(shí)間的函數(shù)，作用時(shí)間越長(zhǎng)則應(yīng)變?cè)酱?。從荷載作用的橫斷面看，在相同溫度條件下，材料的變形范圍在橫斷面上是相同的，與水平制動(dòng)力無(wú)關(guān)。

3 結(jié)論

經(jīng)過(guò)對(duì)水平制動(dòng)力、溫度和行車(chē)速度這三個(gè)外界因素分析，有如下結(jié)論：在車(chē)轍深度方面，水平制動(dòng)力越大，則引起的車(chē)轍深度越??；溫度越高，則車(chē)轍深度越大；行車(chē)速度越大，則車(chē)轍越小。從總得方面看，溫度是對(duì)瀝青路面材料影響最大的因素，外界溫度直接影響了路面材料的性能，溫度越高，路面材料的模量越大，流變性能越顯著；其次是行車(chē)速度對(duì)瀝青路面永久變形的影響，這主要是因?yàn)?，行?chē)荷載其實(shí)是代表了荷載作用時(shí)間，速度越大則作用時(shí)間越短，瀝青路面材料的永久變形為荷載作用時(shí)間的函數(shù)，作用時(shí)間越長(zhǎng)，則永久變形越大；水平制動(dòng)力對(duì)車(chē)轍的影響最小，因?yàn)槁访娼Y(jié)構(gòu)在垂直方向上的變形主要受正應(yīng)力的影響，制動(dòng)力為水平方向上的力，與其垂直，對(duì)其影響較小。

[1] 中華人民共和國(guó)交通部.JTG D50-2006公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：人民交通出版社，2006.

[2] 沈金安.瀝青及瀝青混合料路用性能[M].北京：人民交通出版社，2001.

[3] 馬華堂,孫建豪,張新旺等.公路工程病害分析與防治[M].鄭州：黃河水利出版社.2008.

[4] 楊群,郭忠印,陳立平.考慮水平荷載的公路隧道復(fù)合式路面表面拉應(yīng)力分析[J].公路交通科技，2006，23 (1)：16-19

[5] 何兆益等.基于Johnson-Cook黏彈性模型的瀝青路面車(chē)轍計(jì)算[J].重慶交通大學(xué)學(xué)報(bào).2010.Vol.29，No.1

[6] 廖公云. 黃曉明. ABAQUS有限元軟件在道路工程中的應(yīng)用[M]. 南京：東南大學(xué)出版社. 2010.

U45

B

1007-6344（2015）08-0313-02

郭靖，女，陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，土木工程學(xué)院，助教，碩士，工程造價(jià)教研室。

注：本文為校級(jí)科研項(xiàng)目：基于非線性特性的瀝青路面車(chē)轍預(yù)估研究，項(xiàng)目編號(hào)：XHXY201307。

作者簡(jiǎn)介：趙秀云（1986.3—），女，山東聊城人，碩士，山東協(xié)和學(xué)院講師，研究方向?yàn)椋旱缆放c鐵道工程。