瀝青路面結構組合對車轍深度影響分析

張璐軍

(山西交通職業(yè)技術學院公路工程系，山西 晉中 030031)

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瀝青路面結構組合對車轍深度影響分析

張璐軍

(山西交通職業(yè)技術學院公路工程系，山西 晉中 030031)

為探討瀝青路面結構組合對車轍深度的影響，擬定兩種類型路面結構.采用有限元軟件ANSYS模擬了不同基層形式和瀝青層厚度的路面車轍深度變化規(guī)律，并通過數(shù)值分析，得出結論：(1)結構一的變形主要分布于瀝青穩(wěn)定基層和下面層，其中瀝青穩(wěn)定基層分布更為明顯；結構二的變形分布在結構一基礎上級配碎石也占有很大比例；(2)瀝青層厚度與車轍深度的變化規(guī)律大致呈二次多項式形式，路面車轍深度隨著瀝青層厚度的增大，其增加量呈先增大后減小的發(fā)展趨勢.

瀝青路面；車轍；結構組合；永久變形；有限元分析

由于半剛性基層瀝青路面具有剛度大、強度高、變形小等優(yōu)點，故廣泛應用于國內高速公路的建設[1].車轍結構主要由結構型車轍和失穩(wěn)型車轍組成，其中結構型車轍占比相對較小，失穩(wěn)型車轍占比較大[2].失穩(wěn)型車轍是瀝青混合料受到荷載作用后發(fā)生側向流動變形的結果，即在車載長期反復作用下，瀝青混合料的極限抗剪強度已經(jīng)無法滿足路面內部產(chǎn)生的剪應力，導致部分混合料向兩側流動而引起變形[3].此類型車轍表現(xiàn)為僅車載作用區(qū)域出現(xiàn)下凹變形，而車輪兩側區(qū)域受到荷載作用呈上凸變形[4].據(jù)調查，路面結構組合的合理性是決定失穩(wěn)型車轍發(fā)生的重要因素，本次試驗主要針對失穩(wěn)型車轍進行有限元分析.

對于車轍方面的研究，曾有許多學者以“強基薄面”為設計理論，認為瀝青表面層無需過厚，而基層選用高強度類型，可有效減少路面車轍現(xiàn)象[5].經(jīng)實踐發(fā)現(xiàn)，瀝青表面層厚度超過18cm后，能夠很大程度減少路面產(chǎn)生車轍[6].因此，采用合理的路面結構組合能有效降低路面發(fā)生車轍概率[7].高速公路中普遍存在車轍病害，不僅降低了路面的行駛舒適度，還會帶來嚴重的交通隱患[8].本文采用ANSYS有限元軟件，擬定了兩種結構組合的瀝青路面，針對其對車轍深度影響進行有限元分析.

1　模型建立

1.1路面結構的擬定及說明

考慮到瀝青路面的結構特征，同時依據(jù)結構組合設計原則，本試驗設計了兩種代表性路面結構.為了控制施工成本，面層結構采用兩層形式，以減小其厚度.基層類型選取半剛性基層，并將橡膠瀝青應力吸收層或密級配瀝青穩(wěn)定碎石混合料鋪設于半剛性基層上，以降低半剛性基層發(fā)生反射而導致基層結構產(chǎn)生裂縫.為確保結構組合對瀝青路面車轍影響分析更為充分，結構一、二的面層類似，但結構二中基層形式選用倒裝.兩結構組分如表1所示.

表1　兩種結構的組分

通過對以上兩種路面材料進行調研，得出設計路面結構的力學參數(shù)如表2所示.此外，根據(jù)目前所用規(guī)范，借助HPDS對路面結構進行詳細驗算，得出結果均滿足設計要求.

表2　路面材料的計算參數(shù)

注：模量A為豎向位移、應變模量；模量B為切應力、彎拉應力、應變模量

1.2路面結構有限元模型

基于彈性層狀體系理論，對路面結構所用材料的線性、非線性特征進行考慮，采用ANSYS軟件建立路面結構有限元模型.其中需要考慮線性特征的結構為瀝青層，而非線性特征的結構為級配碎石結構.路面結構的模型尺寸擬定為邊長等于5m的正方體，其中采用8節(jié)點solid45單元模擬結構中各類材料，共計880000個.將模型中垂直面上水平方向和底部位移進行限制，其余均為自由邊界.具體幾何模型如圖1所示.

圖1　路面結構幾何模型示意圖

在數(shù)值模擬中，將道路橫斷面、路面垂直向下、行車的方向分別設為X、Y、Z的方向.由于忽略路面受到輪胎的水平方向作用力(即雙圓均布荷載)，應變空間位置和最不利應力兩者均處于XY平面內，故本次試驗只需分析XY平面中路面結構的應力、應變與位移.路面結構模型網(wǎng)格劃分如圖2所示.

圖2　路面結構三維模型

2　結果分析

2.1不同類型基層對車轍深度的影響規(guī)律

對于半剛性瀝青路面而言，其車轍病害主要產(chǎn)生于瀝青層；而柔性基層路面車轍病害主要集中表現(xiàn)在級配碎石層和瀝青層.為了研究不同形式基層對瀝青路面永久變形的影響規(guī)律，選用面層類型相同，且能代表基層對車轍深度影響的兩種路面結構進行對比分析.通過數(shù)值模擬及分析，分別得出結構一和結構二兩種類型路面豎向產(chǎn)生變形的結果，如圖3所示.

圖3　不同基層路面結構的表面豎向變形

根據(jù)圖3可知，兩種結構形式的路表面均發(fā)生了不同程度的豎向變形.將兩種結構的變形進行比較，發(fā)現(xiàn)結構二變形分布區(qū)域更為廣泛.由于彈性變形卸載后的變形趨勢與加載末期相同(即變形均立即恢復)，故結構一的路面隆起部分與絕對車轍較于結構二明顯要小.具體變形構成如表3所示.

表3　不同結構路面變形的主要構成

相對車轍是指路面結構發(fā)生隆起與絕對車轍互相作用后產(chǎn)生的結果.從表3中可以看出兩種結構在車載作用下的隆起高度和絕對車轍深度存在較大差異.通過將絕對車轍和隆起兩者進行比較，可知在相對車轍中前者所占比例均大于50%，由此表明在相同瀝青層厚度條件下的不同類型基層路面，其結構內部受到荷載作用產(chǎn)生的壓縮變形是構成路面車轍的主要因素.

針對路面變形展開詳細分析，可知瀝青穩(wěn)定基層和下面層是構成結構一路面產(chǎn)生永久變形的主要原因，其中瀝青穩(wěn)定基層表現(xiàn)更為明顯；而結構二是在結構一的基礎上，還有很大一部分歸于級配碎石加大瀝青路面永久變形量.

2.2不同瀝青層厚度對車轍深度的影響規(guī)律

為了研究不同瀝青層厚度對車轍深度的影響規(guī)律，選用結構一作為研究對象，同時采用有限元法將不同厚度瀝青層對車轍深度的影響進行數(shù)值分析，得出結果如表4所示.

表4　不同瀝青厚度與車轍深度的變化規(guī)律

圖4不同瀝青層厚度與車轍深度的變化關系

從表4和圖4中可以看出，瀝青層厚度與車轍深度的變化規(guī)律大致呈二次多項式關系，表明路面車轍深度隨著瀝青層厚度的增大，其增加量呈先增大后減小的發(fā)展趨勢.在荷載作用下，瀝青混合料受到壓密、推移及流動發(fā)生變形，造成路面出現(xiàn)車轍現(xiàn)象.根據(jù)力學分析可知，路面結構中材料內部的剪應力受到荷載作用后呈先增強后減弱的發(fā)展趨勢.瀝青混合料內部應力隨著結構中瀝青層厚度的增大發(fā)生重新分布，應力最大值隨之也逐漸減小，且分布區(qū)域變深；但當瀝青層厚度達到一定程度后結構內部應力不會發(fā)生明顯變化.

3　結論

(1)兩種類型路面結構均受到荷載作用均產(chǎn)生一定程度的豎向變形，結構一的變形主要分布于瀝青穩(wěn)定基層和下面層，其中瀝青穩(wěn)定基層分布更為明顯；結構二的變形分布大致和結構一類似，但在此基礎上級配碎石也占有很大比例.

(2)瀝青層厚度與車轍深度的變化規(guī)律大致呈二次多項式形式，路面車轍深度隨著瀝青層厚度的增大，其增加量呈先增大后減小的發(fā)展趨勢.其因為瀝青混合料內部應力隨著結構中瀝青層厚度的增大發(fā)生重新分布，應力最大值隨之逐漸減小，且分布區(qū)域逐漸變深；但當瀝青層厚度達到一定值時結構內部應力情況變化不大.

[1] 裴磊.骨架密實型半剛性基層材料設計和結構設計控制參數(shù)的統(tǒng)一研究[D].濟南：山東建筑大學碩士學位論文,2010.

[2] 郭寅川,申愛琴,張金榮.瀝青路面下封層力學響應及抗剪強度試驗[J].中國公路學報,2010,(4):20-26.

[3] 宋毅,王端宜.橡膠瀝青在惠河高速公路罩面工程中的應用[J].湖南交通科技,2010,(1):29-32.

[4] 孫學偉.AR-AC13橡膠瀝青混合料設計與施工[J].中外公路,2008,(5):235-238.

[5] 周和勝,王振坤,張可強.AR-AC20橡膠瀝青混合料在六武高速公路中的應用研究[J].交通標準化,2010,(15):237-240.

[6] 劉斌清.基于控制反射裂縫的瀝青路面復合基層合理結構研究[D].西安:長安大學碩士學位論文,2010.

[7] West R C, Zhang J, Moore J. Evaluation of Bond Strength Between Pavement Layers[R]. Alabama: National Center for Asphalt Technology, 2005.

[8] 鄺仕廣.淺談橡膠改性瀝青在道路工程中的研究與應用[J].黑龍江交通科技,2011,(9):158-159.

(責任編校：晴川)

Analysis on the Influence of Structure Combination of Asphalt Pavement on Rut Depth

ZHANG Lujun

(Department of Highway Engineering, Shanxi Traffic Vocational and Technical College,Jinzhong Shanxi 030031, China)

To investigate the effect of asphalt pavement structure rutting depth, the author proposed two types of pavement structure, using finite element software ANSYS to simulate different basic forms and the thickness of the asphalt layer of pavement rutting depth changes, and through the numerical analysis, the conclusions are as follows:(1) structural deformation is mainly distributed in the asphalt stabilized base and the asphalt layer below, and the stable distribution is more obvious; structure two deformation distribution in the structure of a base of the higher level of gravel also occupies a large proportion;(2) variation of the thickness of the asphalt layer and rutting depth is roughly two times polynomial, pavement rut depth increases with the thickness of the asphalt layer, the increasing trend was first increase and then decrease.

asphalt pavement; rutting; structural combination; permanent deformation; finite element analysis

2016-04-09

張璐軍(1983— )，男，山西繁峙人，山西交通職業(yè)技術學院公路工程系講師，碩士.研究方向：公路工程.

U416.217

A

1008-4681(2016)05-0032-03