不同基層對(duì)瀝青路面車轍影響的對(duì)比分析

楊 林 胡云澤*

(東北林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040)

?

不同基層對(duì)瀝青路面車轍影響的對(duì)比分析

楊 林 胡云澤*

(東北林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040)

結(jié)合實(shí)際觀測(cè)的氣溫和測(cè)定的路用材料的力學(xué)參數(shù)，使用ABAQUS有限元模型，研究了柔性基層、半剛性基層和復(fù)合基層對(duì)瀝青路面車轍的影響，結(jié)果表明，復(fù)合基層兼有半剛性基層和柔性基層的優(yōu)點(diǎn)，是較好的選擇。

瀝青路面，柔性基層，半剛性基層，復(fù)合基層，車轍

0 引言

在車輛荷載的不斷作用下，瀝青路面會(huì)出現(xiàn)很大的車轍[1-3]。瀝青路面的路面車轍(在車輛荷載作用下，瀝青路面下凹的變形量)和相對(duì)車轍(瀝青路面下凹的變形量與被車輛輪胎上擠的上凸量之和)嚴(yán)重影響著行車安全。在車輛荷載的作用下，瀝青面層車轍(在車輛荷載作用處，瀝青面層厚度減小量)越大，則瀝青路面的耐久性越差。而不同種類的基層對(duì)于瀝青路面車轍的形成和受力有著不同的影響[4,5]。所以，對(duì)不同基層瀝青路面車轍的研究具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 瀝青路面結(jié)構(gòu)層的力學(xué)參數(shù)

由于在實(shí)際瀝青路面中，AC-16，AC-20和AC-25所使用的比較多，所建的模型使用這三種瀝青混合料作為瀝青面層。實(shí)際測(cè)得各種路用材料的力學(xué)參數(shù)如表1,表2所示。

表1 AC-16,AC-20和AC-25的材料參數(shù)

2 瀝青路面的設(shè)計(jì)和有限元計(jì)算

2.1 瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)高速公路瀝青路面結(jié)構(gòu)，所設(shè)計(jì)的累計(jì)當(dāng)量軸次為2 098萬次。為便于比較，當(dāng)瀝青面層相同時(shí)，使用HPDS設(shè)計(jì)軟件分別設(shè)計(jì)基層為水泥穩(wěn)定碎石、骨架密實(shí)型級(jí)配碎石、連續(xù)級(jí)配型級(jí)配碎石和復(fù)合型基層的瀝青路面結(jié)構(gòu)。所得到的結(jié)果如表3所示。

表2 各類基層的力學(xué)參數(shù)

表3 4種不同基層的瀝青路面結(jié)構(gòu)

2.2 瀝青面層相同時(shí)車轍的有限元計(jì)算

利用ABAQUS有限元軟件計(jì)算在相同車輛荷載作用下一個(gè)車道上產(chǎn)生的路面車轍、面層車轍和相對(duì)車轍。因?yàn)楦鬏喗M之間的影響很小，所以，只研究一個(gè)輪組的情況即可。所建模型的寬度為3.75 m，高度為3.5 m。輪胎壓力為0.7 MPa。所建立的有限元模型如圖1所示，荷載作用后，放大的車轍云圖如圖2所示。

依據(jù)研究成果[6,7]，車輛荷載作用一次的時(shí)間按照式(1)[7]計(jì)算。

(1)

其中，t為車輛荷載累計(jì)所用時(shí)間，s；N為車輪荷載作用次數(shù)，次；P為車輛軸重，kN；nw為軸的輪數(shù)，個(gè)；p為輪胎接地壓力，MPa；B為輪胎接地寬度，cm；v為行車速度，km/h。

哈爾濱地區(qū)夏季很短，這是車轍產(chǎn)生的主要時(shí)間。調(diào)查了哈爾濱地區(qū)最近5年來夏季一天24 h的溫度作為研究車轍的溫度變化量，如表4所示。

表4 哈爾濱夏季一天不同時(shí)刻的氣溫

依據(jù)以上測(cè)得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，分別在不同作用次數(shù)下，使用ABAQUS有限元軟件對(duì)表3中瀝青路面結(jié)構(gòu)的路面車轍、面層車轍和相對(duì)車轍進(jìn)行計(jì)算，瀝青路面中面層的剪應(yīng)力計(jì)算結(jié)果如圖3所示，車轍計(jì)算結(jié)果如圖4～圖6所示。

從圖3中可以看出，隨著加載次數(shù)的增加，瀝青路面面層剪應(yīng)力逐漸減小。從圖4～圖6中可以看出，隨著加載次數(shù)的增加，路面車轍、面層車轍和相對(duì)車轍是逐漸增大的，但是其變化率逐漸減小，這與面層剪應(yīng)力的逐漸減小是吻合的。

對(duì)于路面車轍來說，兩種級(jí)配碎石基層瀝青路面車轍基本相同，其次為半剛性基層瀝青路面，最小為復(fù)合型基層瀝青路面。從路面車轍考慮，復(fù)合型基層瀝青路面的路用性能最好。

對(duì)于瀝青面層車轍來說，兩種級(jí)配碎石基層的瀝青面層車轍和復(fù)合型基層瀝青面層車轍非常接近，只有半剛性基層瀝青路面的面層車轍比較大，它與骨架密實(shí)型級(jí)配碎石基層、連續(xù)級(jí)配型級(jí)配碎石基層和復(fù)合基層瀝青路面的面層車轍分別相差11.94%,13.13%和8.67%。從耐久性方面考慮，應(yīng)當(dāng)選擇兩種級(jí)配碎石基層瀝青路面或是復(fù)合型基層瀝青路面，在此基礎(chǔ)上考慮經(jīng)濟(jì)因素，選擇復(fù)合型基層瀝青路面是比較合理的。

對(duì)于相對(duì)車轍方面來說，半剛性基層瀝青路面的相對(duì)車轍最大，它與骨架密實(shí)型級(jí)配碎石基層、連續(xù)級(jí)配型級(jí)配碎石基層和復(fù)合基層瀝青路面的相對(duì)車轍分別相差7.79%,7.91%和6.86%。骨架密實(shí)型級(jí)配碎石基層、連續(xù)級(jí)配型級(jí)配碎石基層和復(fù)合基層瀝青路面的相對(duì)車轍非常相近。如果考慮經(jīng)濟(jì)因素，選擇復(fù)合型基層瀝青路面是比較合理的。

3 結(jié)語(yǔ)

當(dāng)瀝青面層相同時(shí)，在路面車轍方面，在相同車輛荷載作用下，復(fù)合基層瀝青路面車轍最小，其次是半剛性基層瀝青路面車轍，最后是骨架密實(shí)型級(jí)配碎石基層瀝青路面車轍和連續(xù)級(jí)配型級(jí)配碎石基層瀝青路面車轍。在瀝青面層車轍方面，半剛性基層瀝青路面最大，其余三種非常相近。在相對(duì)車轍方面，半剛性基層瀝青路面最大，其余三種也非常相近。所以，綜合這三個(gè)方面并考慮經(jīng)濟(jì)因素，應(yīng)當(dāng)優(yōu)先選取復(fù)合型基層瀝青路面。復(fù)合型基層瀝青路面兼有半剛性基層瀝青路面和柔性基層瀝青路面的優(yōu)點(diǎn)，在瀝青路面設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)當(dāng)首先考慮使用復(fù)合型基層瀝青路面。

[1] 黃曉明,范要武,趙永利,等.高速公路瀝青路面高溫車轍的調(diào)查與實(shí)驗(yàn)分析[J].公路交通科技,2007,24(5):16-20.

[2] 王 輝,李雪連,張起森.高溫重載作用下瀝青路面車轍研究[J].土木工程學(xué)報(bào),2009,42(5):139-144.

[3] 周 嵐,倪富健,趙巖荊.環(huán)境溫度及荷載對(duì)瀝青路面車轍發(fā)展的影響性分析[J].公路交通科技,2011,28(3):42-47.

[4] 李麗民,張國(guó)祥.抗車轍柔性基層耐久性瀝青路面車轍疲勞影響規(guī)律[J].長(zhǎng)安大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2015,35(3):59-66.

[5] 張艷紅,申愛琴,郭寅川,等.不同類型基層瀝青路面設(shè)計(jì)指標(biāo)的控制[J].長(zhǎng)安大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2011,31(1):6-11.

[6] 化高偉,童申家,程旭升.基于ABAQUS的兩種柔性基層瀝青路面車轍對(duì)比分析[J].中外公路,2015,35(4):62-66.

[7] 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,2014.

Abstrac: Combination with the actual temperature and road material mechanics parameters, used the model with finite element software ABAQUS to study the effect of flexible base, semi-rigid base and compound base on asphalt pavement rut. The results show that compound base has the advantages of semi-rigid base and flexible base. It’s the better choice.

Comparative analysis on asphalt pavement rut of different base

Yang Lin Hu Yunze*

(SchoolofCivilEngineering,NortheastForestryUniversity,Harbin150040,China)

asphalt pavement, flexible base, semi-rigid base, compound base, rut

1009-6825(2017)07-0126-02

2016-12-24

楊 林(1970- )，男，博士，副教授

胡云澤(1992- )，男，在讀碩士

U416.217

A