考慮路表負(fù)水壓的瀝青路面動水作用分析

李宇 高世柱 李秀君

摘 要：為研究路表負(fù)水壓力對瀝青路面動水分布的影響，基于Biot固結(jié)理論，采用ANSYS建立路面的三維有限元模型，通過施加移動荷載獲得各結(jié)構(gòu)層內(nèi)部動水壓力分布。數(shù)值模擬結(jié)果表明，移動荷載在路面內(nèi)產(chǎn)生正負(fù)交替的動水壓力，隨著軸載與車速的增加，正負(fù)動水壓力峰值均顯著提升;路面動態(tài)彎沉在卸載后并不能瞬時(shí)完全恢復(fù);路表負(fù)水壓力的施加會使水流產(chǎn)生自下而上的定向流動，與輪前正水壓力形成正負(fù)交替的沖刷作用。

關(guān)鍵詞：瀝青路面;水損害;數(shù)值模擬;動水壓力

中圖分類號：U416? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號：1006—7973（2021）06-0151-04

1 引言

在降水較為集中的夏季，南方地區(qū)的瀝青路面常處于飽和浸水狀態(tài)，受車輛荷載作用產(chǎn)生的動水壓力對瀝青混合料產(chǎn)生沖刷作用，使瀝青與集料之間的粘結(jié)強(qiáng)度下降，最終引發(fā)路面松散、坑槽、唧漿等水損害。姜旺恒[1]研究了高溫條件下定向沖刷對瀝青料的影響，結(jié)果表明經(jīng)高溫水沖刷后瀝青膠漿的粘度降低，混合料更容易產(chǎn)生剪切破壞。王英[2]設(shè)計(jì)了一種新型動水沖刷裝置，借助CT掃描試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)動水沖刷作用會導(dǎo)致混合料內(nèi)部孔隙增多，并加劇了混合料力學(xué)性能的衰退。相關(guān)現(xiàn)場實(shí)測表明，車輛荷載在路面內(nèi)部產(chǎn)生正負(fù)交替的動水壓力，在輪胎前后分別產(chǎn)生“擠壓”與“泵吸”作用，加速了水損害的進(jìn)程[3～5]。

影響路面動水壓力的因素主要有車速、車載、路面材料、路面結(jié)構(gòu)等，隨著超載車輛的增多，路面材料變形增加，孔隙水受擠壓作用更加劇烈，而當(dāng)車速較快時(shí)，界面處水壓來不及消散，使得車速與路表動水壓存在相關(guān)性[6]。目前部分研究中通過施加半正弦荷載的方式模擬車輛荷載對路面的脈沖作用，這與實(shí)際中的移動荷載并不完全一致，并且未考慮輪胎前后擠壓與抽提產(chǎn)生的水壓。因此本文將采用ANSYS軟件中的CPT流固耦合單元，考慮輪胎前后的動水壓力，建立更符合實(shí)際的流固耦合計(jì)算模型，并通過施加移動荷載，探討軸載、車速等因素對動水壓力分布的影響。

2 計(jì)算模型與參數(shù)

2.1計(jì)算模型與邊界條件

目前對路面進(jìn)行流固耦合分析時(shí)，多基于Biot固結(jié)理論[7～8]，該理論將瀝青混合料視為多孔介質(zhì)，當(dāng)混合料發(fā)生體積變形時(shí)，對孔隙中的水分產(chǎn)生擠壓作用，從而產(chǎn)生動水壓力。為簡化模型計(jì)算，假定路面各結(jié)構(gòu)層為均質(zhì)、各向同性的理想彈性體，孔隙水及所有路面材料均不可壓縮，且孔隙率分布均勻。

此處采用有限元軟件ANSYS中的CPT216流固耦合單元與SOLID186實(shí)體單元建立路面三維有限元模型，并選取典型的路面結(jié)構(gòu)，具體路面結(jié)構(gòu)分層見圖1。路面模型的長為8m，寬為6米，面層采用CPT216單元劃分，其他結(jié)構(gòu)層采用SOLID186實(shí)體單元。邊界條件為：瀝青層與基層間不透水，荷載施加處不透水，其余邊界均為透水邊界。

瀝青路面結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。

2.2 荷載施加

車輛行駛過程中，輪載以脈沖的方式作用于瀝青路面上表面。動態(tài)荷載的施加方式主要有兩種：一是在輪載作用面處施加半正弦形式的周期荷載，這種加載方式無法反映車載的移動效應(yīng)，另一種是在模型表面施加移動荷載，這與實(shí)際中車輛對路面的作用更為接近，此處采用第二種加載方式。為方便有限元模型中移動荷載的施加，將雙圓均布荷載（BZZ-100）轉(zhuǎn)化為等效矩形荷載，單個(gè)矩形荷載長為24cm，寬為15cm，縱向網(wǎng)格尺寸為4cm。當(dāng)車速為60km/h時(shí)，矩形荷載在每前進(jìn)4cm時(shí)，停留時(shí)間t=0.0024s，由于移動荷載每一步的停留時(shí)間與移動距離很小，因此模擬移動車輛時(shí)結(jié)果的收斂性較好。

當(dāng)車速較快時(shí)，輪胎與地面的接觸時(shí)間短，車輪擠壓路面產(chǎn)生的瞬時(shí)水壓力不能及時(shí)消散，使得車速與正水壓力存在相關(guān)性[5]。當(dāng)車輪駛離時(shí)，輪胎后方會產(chǎn)生負(fù)動水壓力，該數(shù)值與車速及輪胎花紋存在關(guān)聯(lián)，并且負(fù)水壓力峰值要小于正水壓力峰值[4]，此處取負(fù)水壓力值為1/2正水壓力峰值。

荷載組合方式為動水壓力+車速+軸載，具體見表1。

2.3 材料參數(shù)與路面結(jié)構(gòu)

路面結(jié)構(gòu)的面層為瀝青混合料，基層與底基層采用水泥穩(wěn)定碎石，具體材料參數(shù)如表2。

3 結(jié)果分析

3.1 動水壓力時(shí)程變化分析

圖1為移動荷載作用下A點(diǎn)下方不同結(jié)構(gòu)層動水壓力的時(shí)程變化曲線。從圖3-a中可以看出，由于路表部分結(jié)構(gòu)變形大，并且額外施加的正動水壓力也作用在路表，使得正動水壓力的峰值出現(xiàn)在路表處，并且隨著深度增加其峰值逐漸降低。當(dāng)輪載移動時(shí)，輪后部分受荷載作用較小，卻產(chǎn)生了負(fù)水壓力峰值，這表明輪后路面變形的恢復(fù)是產(chǎn)生負(fù)水壓力的主要原因。當(dāng)基于Biot固結(jié)理論時(shí)，水分發(fā)生流動的同時(shí)路面產(chǎn)生固結(jié)變形，使得卸載后路面變形并不能瞬時(shí)完全恢復(fù)，最終負(fù)水壓力峰值要小于正水壓力峰值。

對比圖3-a與圖3-b，車速從60km/h提升至120km/時(shí)，各層正水壓力峰值均增加了約一倍，并且負(fù)水壓力峰值也呈現(xiàn)出相同規(guī)律，這是由于車速提升時(shí)，輪胎對路面的作用時(shí)間縮短，使得水分不能及時(shí)排除，水分承受更多的輪載作用，從而產(chǎn)生更大的動水壓力。對比圖3-b與圖3-c，當(dāng)軸載從0.7MPa變?yōu)?.1MPa時(shí)，路表正負(fù)水壓峰值增加約38%，并且動水壓力作用時(shí)間也出現(xiàn)了增長，這是因?yàn)槌d車輛的輪胎接地處會產(chǎn)生更大的橫向與豎向變形，使得動水壓力的作用范圍進(jìn)一步擴(kuò)張，這會導(dǎo)致重載交通下路面的水損害更易發(fā)生，并且病害面積更廣。

前三種荷載組合下負(fù)水壓力峰值均出現(xiàn)在上面層底部。當(dāng)在路表施加負(fù)水壓力作用時(shí)（圖3-d），路表負(fù)水壓力峰值增加，并且隨著深度增加不斷遞減，呈現(xiàn)出與正動水壓力相似的規(guī)律。

路面動水壓力變化總體上呈現(xiàn)出正負(fù)交替的特點(diǎn)，當(dāng)瀝青路面頻繁受到動水作用時(shí)，必然會引發(fā)松散、脫落等病害，對車輛的軸重與車速有效規(guī)范，可以減緩瀝青路面水損害的發(fā)生。

3.2 路面動態(tài)彎沉

路面彎沉值通常在車輛處于靜止?fàn)顟B(tài)下采用貝克曼梁彎沉儀測得，為反映移動荷載對路面豎向變形的作用，此處以動態(tài)彎沉值對比分析干濕狀態(tài)下的路面變形。干燥狀態(tài)下路面整體采用線彈性模型，在除水頭邊界后，其余條件與飽水狀態(tài)下相同。

圖4為路面沿行車方向測量點(diǎn)A豎向變形的變化曲線。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，由于干燥狀態(tài)下路面采用的為線彈性模型，沿行進(jìn)方向路面豎向變形呈對稱分布，車胎后方路面變形會在卸載后瞬時(shí)完全恢復(fù)。分析荷載組合A，B，C可以看出，隨著車速與軸載的提升，測量點(diǎn)A處動態(tài)彎沉值增加，而當(dāng)移動荷載駛離后，該點(diǎn)的豎向變形并未完全恢復(fù)，呈現(xiàn)出排水固結(jié)的狀態(tài)，與Biot固結(jié)理論較為一致。荷載組合D中盡管施加了負(fù)水頭壓力，但對路面動態(tài)彎沉值影響較小，因此飽和狀態(tài)下瀝青路面動態(tài)彎沉值與車速以及軸載具有更明顯的相關(guān)性。

3.3 動水壓力分布

由于車輪與路面接觸處產(chǎn)生的動水壓力受車速與輪胎花紋的影響，為比較不同負(fù)水壓力大小對路面動水分布的影響，選取0、1/2正水壓力峰值、正水壓力峰值三種大小的負(fù)水壓力施加在輪胎后方，分別對應(yīng)下方①、②、③三種云圖。

動水壓力分布從側(cè)面反映了水流的運(yùn)動方向，當(dāng)沒有施加額外負(fù)水壓力時(shí)，負(fù)水壓在接近路表處迅速衰減，水流方向?yàn)樗闹芟蚵繁硐录s3cm處中心點(diǎn)匯聚。隨著負(fù)水壓力的施加與提升，負(fù)水壓力峰值從內(nèi)部逐漸與路表連通，負(fù)水壓的流動方向由下至上，可以反映出輪胎后方對路表水膜的抽提作用。此時(shí)胎前正水壓力與胎后負(fù)水壓力分布形狀基本一致，這表明動水壓力對于路面存在著上下往復(fù)的定向沖刷作用，在胎前將水分?jǐn)D壓進(jìn)路面結(jié)構(gòu)中，在胎后將水分抽提至路表。由于沖刷與抽提在作用方式上存在明顯差異，在室內(nèi)試驗(yàn)中若僅考慮正向的沖刷作用存在明顯不足，因此設(shè)計(jì)一種正負(fù)交替的動水沖刷裝置是可行的，能夠很好地反映路面受動水沖刷情況。

4結(jié)論

（1）路面各層動水壓力變化呈正負(fù)交替特點(diǎn)，軸載與車速的提升均會增加正負(fù)水壓力，并且軸載的增加會擴(kuò)大水壓力作用范圍，使路面水損害面積更廣。

（2）基于Biot固結(jié)理論時(shí)，輪后變形在卸載后并不能瞬時(shí)完全恢復(fù)，車速的提升會增加路面的動態(tài)彎沉，軸載的提升則會使卸載后的變形值更大，而負(fù)水壓力的施加對動態(tài)彎沉影響較小。

（3）路表負(fù)水壓力的施加會使負(fù)水壓力的分布發(fā)生改變，使其呈現(xiàn)出自下而上的定向流動，考慮到輪前位置處水分受擠壓作用，因此室內(nèi)試驗(yàn)需采用能反映正負(fù)交替水壓的動水沖刷裝置。

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