車(chē)轍深度對(duì)瀝青路面結(jié)構(gòu)性能影響性分析

劉 剛，陳磊磊，錢(qián)振東，陳道燮

(東南大學(xué) 智能運(yùn)輸系統(tǒng)研究中心，南京 211189)

在渠化交通的背景下，車(chē)轍病害成為瀝青路面的主要破壞形式之一。車(chē)轍是在交通荷載的反復(fù)作用下，塑形變形逐漸累積，瀝青路面出現(xiàn)凹陷而形成，如圖1所示。與裂縫、水損壞相比，車(chē)轍的危害性最大，不僅直接威脅交通安全，而且危害路面結(jié)構(gòu)的安全性[1-2]。此外，車(chē)轍損壞的維修也最為困難，因?yàn)檐?chē)轍不僅發(fā)生在表面，也經(jīng)常危及中下面層[3]。因此，車(chē)轍問(wèn)題一直是瀝青路面領(lǐng)域一個(gè)難以解決的工程難題。

圖1 瀝青路面凹陷的車(chē)轍

文獻(xiàn)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，目前對(duì)于車(chē)轍方面的研究主要集中在抗車(chē)轍材料的研發(fā)[4-5]、抗車(chē)轍路面結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)[6-7]和車(chē)轍預(yù)估模型[8-9]等，而對(duì)于車(chē)轍對(duì)路面結(jié)構(gòu)性能影響的研究還停留在定性分析，缺乏對(duì)車(chē)轍對(duì)路面結(jié)構(gòu)性能影響機(jī)理的定量揭示。進(jìn)一步調(diào)研發(fā)現(xiàn)，車(chē)轍對(duì)路面結(jié)構(gòu)性能的影響主要在于車(chē)-路耦合作用不同車(chē)轍深度下車(chē)輛對(duì)路面的作用[10-11]。一方面，車(chē)轍的產(chǎn)生使平整的路面出現(xiàn)了“凹槽”，車(chē)輛在在車(chē)轍區(qū)域及附近高速行駛時(shí)，車(chē)輛荷載對(duì)瀝青路面作用會(huì)被放大形成沖擊荷載，引起路面結(jié)構(gòu)性能的衰減；另一方面，車(chē)轍的加深，減薄了路面結(jié)構(gòu)層的厚度，降低了路面的整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，從而加劇了路面結(jié)構(gòu)性能的衰減[12-13]。

因此本文將分析不同車(chē)轍深度下車(chē)輛沖擊荷載、面層厚度減薄和路面結(jié)構(gòu)性能的定量表征方式，通過(guò)力學(xué)模型和數(shù)值模擬等手段分別分析不同車(chē)轍深度下沖擊荷載和面層厚度減薄對(duì)路面結(jié)構(gòu)性能衰減的影響，揭示不同車(chē)轍深度對(duì)路面結(jié)構(gòu)性能的影響機(jī)理，為車(chē)轍病害的防治提供理論基礎(chǔ)。

1 沖擊荷載對(duì)路面結(jié)構(gòu)性能的影響分析

車(chē)輛行駛在有車(chē)轍的路面，當(dāng)車(chē)輛行駛在車(chē)轍附近時(shí)，極有可能會(huì)“掉入”車(chē)轍的凹槽里，在車(chē)輛高速行駛短暫的時(shí)間內(nèi)，放大了車(chē)輪荷載對(duì)路面的作用，從而加速了路面性能的衰減。本文首先采用沖擊荷載理論模型得到?jīng)_擊動(dòng)荷因數(shù)Kd[14]，進(jìn)而基于多層彈性層狀體系理論和雙圓垂直均布荷載模型，利用有限元數(shù)值模擬分析不同車(chē)轍深度下沖擊荷載對(duì)瀝青路面結(jié)構(gòu)的力學(xué)作用。

1.1 沖擊荷載模型的建立

車(chē)輛進(jìn)入車(chē)轍凹槽的時(shí)間一般都很短暫，路面初始的不平度相對(duì)于車(chē)轍深度可忽略不計(jì)。考慮更不利情況，當(dāng)車(chē)輛快速通過(guò)車(chē)轍時(shí)必然出現(xiàn)跳車(chē)現(xiàn)象，此時(shí)車(chē)輪對(duì)地面的沖擊力將比正常行駛狀況下的荷載大得多。因此可考慮在固定位置作用一個(gè)沖擊力來(lái)模擬車(chē)輛跳車(chē)時(shí)車(chē)輪對(duì)地面的作用力，現(xiàn)把車(chē)輛簡(jiǎn)化為一個(gè)質(zhì)量塊m。以該模型從高度為h處下落來(lái)模擬跳車(chē)時(shí)車(chē)輛對(duì)瀝青路面的荷載作用，自由落體的高度h為車(chē)轍深度，如圖2所示。

圖2 簡(jiǎn)化的沖擊荷載模型

(1)沖擊物的機(jī)械能

T+V=0+Q(h+Δd)

(1)

式中：T為沖擊物的動(dòng)能；V為沖擊物的勢(shì)能；Q為沖擊物的質(zhì)量；h為下落的高度；Δd為被沖擊物的最大變形量。

(2)被沖擊物的應(yīng)變能

(2)

式中：Ud為被沖擊物的應(yīng)變能；Fd為沖擊載荷。

(3)能量守恒

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

所以車(chē)輪對(duì)路面的沖擊荷載系數(shù)

(10)

Fd=KdQ

(11)

式中：E為被沖擊物的彈性模量；L為被沖擊物的長(zhǎng)度；A為被沖擊物的截面積；Δst為重物Q作為靜荷載作用在桿上時(shí)桿端的靜位移；Kd為沖擊荷載系數(shù)。

1.2 沖擊荷載對(duì)路面作用的數(shù)值模擬

本文結(jié)合某高速公路路面結(jié)構(gòu)和材料的特點(diǎn)以及JTG D50—2017《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》[15]中瀝青路面設(shè)計(jì)的控制指標(biāo)，針對(duì)不同車(chē)轍深度下路面結(jié)構(gòu)對(duì)沖擊荷載的力學(xué)響應(yīng)進(jìn)行敏感性分析。考慮到應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注路面整體強(qiáng)度、瀝青抗車(chē)轍能力和防止基層開(kāi)裂，通過(guò)有限元數(shù)值模擬分析車(chē)輛在不同車(chē)轍深度下沖擊荷載對(duì)路表彎沉、瀝青混合料層變形量、無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定層層底拉應(yīng)力的影響。

通過(guò)對(duì)該高速公路路面結(jié)構(gòu)和材料進(jìn)行調(diào)研發(fā)現(xiàn)，該路面結(jié)構(gòu)采用我國(guó)常用的半剛性基層路面結(jié)構(gòu)形式，如圖3所示，得到瀝青混合料面層、基層、底基層和土基材料的材料參數(shù)，如表1所示。確定以上所需參數(shù)后，基于路面結(jié)構(gòu)彈性層狀理論體系，采用有限元軟件建立路面結(jié)構(gòu)的二維模型，剖分的路面結(jié)構(gòu)層的模型如圖4所示，網(wǎng)格劃分采用8結(jié)點(diǎn)二次平面應(yīng)變減縮積分單元(CPE8R)，不同路面層之間分別計(jì)算不同車(chē)轍深度引起的沖擊荷載作用下，路面結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)。

圖3 路面結(jié)構(gòu)形式

表1 路面材料設(shè)計(jì)參數(shù)

圖4 路面結(jié)構(gòu)數(shù)值模擬模型

在車(chē)轍深度為0時(shí)，路面荷載為100 kN的標(biāo)準(zhǔn)軸載，可簡(jiǎn)化為雙圓均布荷載，單獨(dú)一個(gè)輪胎承受的荷載為25 kN。圓荷載半徑為r(10.65 cm)，圓心距為3r(31.95 cm)。轉(zhuǎn)換為平面問(wèn)題后，施加的荷載為2r(21.3 cm)距離上的線(xiàn)荷載，接觸長(zhǎng)度不變，計(jì)算得到其值為117 371 N/m。進(jìn)而基于沖擊荷載模型分別計(jì)算不同車(chē)轍深度下的沖擊荷載系數(shù)，得到不同車(chē)轍深度引起的沖擊荷載，結(jié)果如表2所示。

表2 不同車(chē)轍深度下輪隙中心處的路面結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)

1.3 沖擊荷載對(duì)路面作用規(guī)律的分析

最終通過(guò)數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果提取得到不同車(chē)轍深度下輪隙中心處路面結(jié)構(gòu)對(duì)沖擊荷載的力學(xué)響應(yīng)，見(jiàn)表2。

由表2可知，當(dāng)跳起高度從0～5 mm，輪隙中心處路表彎沉、瀝青層永久變形量和無(wú)機(jī)結(jié)合料底基層層底拉應(yīng)力分別增加了266%，265%和266%；從5～10 mm，路表彎沉增加了97%，瀝青層永久變形量和無(wú)機(jī)結(jié)合料底基層層底拉應(yīng)力均增加了27%；10～15 mm，三者分別增加了76%，16%和16%?？梢?jiàn)車(chē)轍深度較小時(shí)，主要是在0～10 mm內(nèi)，車(chē)轍深度變化對(duì)路面結(jié)構(gòu)沖擊荷載響應(yīng)的影響較大，沖擊荷載效應(yīng)對(duì)車(chē)轍深度變化的敏感性強(qiáng)，其中車(chē)轍深度在0～5 mm內(nèi)的影響最大；車(chē)轍深度發(fā)展到10 mm之后，車(chē)轍深度變化對(duì)路面結(jié)構(gòu)沖擊荷載響應(yīng)的影響逐漸變小，沖擊荷載效應(yīng)對(duì)車(chē)轍深度變化的敏感性減弱。因此，應(yīng)控制早期車(chē)轍的發(fā)展，當(dāng)車(chē)轍剛出現(xiàn)還未產(chǎn)生大的危害階段，應(yīng)及時(shí)采取罩面等預(yù)防性養(yǎng)護(hù)措施。

此外，為了探究路面不同區(qū)域?qū)_擊荷載的力學(xué)響應(yīng)，對(duì)路面結(jié)構(gòu)在不同車(chē)轍深度沖擊荷載作用下瀝青層永久變形量和無(wú)機(jī)結(jié)合料底基層層底拉應(yīng)力的橫向分布也進(jìn)行了提取，分別如圖5和圖6所示，其中橫坐標(biāo)x代表以雙輪軸載間隙中心為原點(diǎn)的橫向坐標(biāo)值。

從圖5和圖6可以看出，隨著車(chē)轍深度的增加，沖擊效應(yīng)逐漸增強(qiáng)，其中車(chē)轍深度在0～5 mm內(nèi)，沖擊荷載效應(yīng)最為明顯。此外，荷載作用局部范圍內(nèi)的變形量和層底拉應(yīng)力比離荷載作用區(qū)域較遠(yuǎn)的值大很多，且隨著離荷載作用面距離的增大而急劇減小。以跳起高度5 mm為例，接觸面范圍內(nèi)最大變形量為1.66 mm，最大拉應(yīng)力為1.28 MPa，而離接觸面一定距離(如x=1.18 m處)的最大變形量為1.09 mm，最大拉應(yīng)力僅為0.31 MPa。JTG D50—2017《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》中無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定類(lèi)材料的彎拉強(qiáng)度為1.5～2.0 MPa，而跳起高度為15 mm時(shí)，無(wú)機(jī)結(jié)合料底基層層底拉應(yīng)力已經(jīng)達(dá)到1.88 MPa，為避免無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定層彎拉破壞，應(yīng)及時(shí)對(duì)車(chē)轍深度的發(fā)展加以控制。

圖5 不同車(chē)轍深度下的瀝青層永久變形量

圖6 不同車(chē)轍深度下的無(wú)機(jī)結(jié)合料底基層層底拉應(yīng)力

2 面層減薄對(duì)路面結(jié)構(gòu)性能的影響分析

對(duì)于我國(guó)常用的半剛性路面結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，其車(chē)轍主要發(fā)生在瀝青混凝土面層。車(chē)轍的加深也就意味著面層的減薄，進(jìn)而導(dǎo)致路面結(jié)構(gòu)性能的衰減。本部分通過(guò)應(yīng)用與JTG D50—2017《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》同步推出公路路面設(shè)計(jì)程序系統(tǒng)，計(jì)算不同車(chē)轍深度下，即減薄后的路面厚度下，瀝青混凝土面層的永久變形量和無(wú)機(jī)結(jié)合料層的疲勞開(kāi)裂壽命，從而得到不同車(chē)轍深度下路面結(jié)構(gòu)性能的衰減規(guī)律。

基于1.2節(jié)中該高速公路路面材料和結(jié)構(gòu)參數(shù)，以及JTG D50—2017《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》中路面設(shè)計(jì)指標(biāo)的計(jì)算模型，獲取瀝青層永久變形量、基層無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定層疲勞開(kāi)裂壽命和底基層無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定層疲勞開(kāi)裂壽命。

為研究方便，首先將車(chē)轍深度分別為0，5 mm，10 mm，15 mm，20 mm，25 mm，(即面層減薄的厚度)按上、中、下面層的厚度按比例分配到各層上，從而得到不同車(chē)轍深度下各面層的厚度值，瀝青混凝土面層以下各層厚度不變。然后通過(guò)編程計(jì)算得到發(fā)生不同深度的車(chē)轍后，瀝青層永久變形量、基層無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定層疲勞開(kāi)裂壽命和底基層無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定層疲勞開(kāi)裂壽命，如表3所示。對(duì)計(jì)算結(jié)果處理分別得到瀝青混合料層永久變形量、基層無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定層疲勞開(kāi)裂壽命和底基層無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定層疲勞開(kāi)裂壽命隨車(chē)轍深度的變化曲線(xiàn)分別如圖7～圖9所示。

圖9 無(wú)機(jī)結(jié)合料底基層疲勞開(kāi)裂壽命隨車(chē)轍深度的變化曲線(xiàn)

表3 不同車(chē)轍深度下的路面性能狀況

圖7 不同車(chē)轍深度下的瀝青層永久變形量

由圖7可以看出，當(dāng)車(chē)轍深度由0增長(zhǎng)到25 mm，瀝青層永久變形的基本在15.0～15.5 mm。因此車(chē)轍深度增大帶來(lái)的瀝青面層減薄，對(duì)瀝青層永久變形的影響不大。

由圖8可以看出，當(dāng)車(chē)轍深度由0增長(zhǎng)到25 mm時(shí)，隨著瀝青層厚度的減薄，基層無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定層疲勞開(kāi)裂壽命有逐漸增大的趨勢(shì)。因此車(chē)轍深度的增加對(duì)基層無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定層的性能有一定益處。

圖8 無(wú)機(jī)結(jié)合料基層疲勞開(kāi)裂壽命隨車(chē)轍深度的變化曲線(xiàn)

由圖9可以看出，當(dāng)車(chē)轍深度由0增長(zhǎng)到10 mm時(shí)，隨著瀝青層厚度的減薄，底基層無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定層疲勞開(kāi)裂壽命逐漸下降，到車(chē)轍發(fā)展到10 mm之后，底基層無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定層疲勞開(kāi)裂壽命下降幅度較小。因此車(chē)轍深度的增加對(duì)底基層無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定層結(jié)構(gòu)的性能不利，應(yīng)及時(shí)控制早期車(chē)轍的發(fā)展。

3 結(jié) 論

本文分析了不同車(chē)轍深度下車(chē)輛沖擊效應(yīng)、面層厚度減薄和路面結(jié)構(gòu)性能的定量表征方式，通過(guò)力學(xué)模型和數(shù)值模擬等手段分別分析了不同車(chē)轍深度下沖擊效應(yīng)和面層厚度減薄對(duì)路面結(jié)構(gòu)性能衰減的影響，明確不同車(chē)轍深度下車(chē)輛對(duì)路面結(jié)構(gòu)性能的影響規(guī)律。得到的結(jié)論如下：當(dāng)車(chē)轍深度較小時(shí)，主要是在0～10 mm內(nèi)，車(chē)轍深度變化對(duì)路面結(jié)構(gòu)沖擊荷載響應(yīng)的影響較大，沖擊荷載效應(yīng)對(duì)車(chē)轍深度變化的敏感性強(qiáng)，底基層無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定層疲勞開(kāi)裂壽命下降較快；其中車(chē)轍深度在0～5 mm內(nèi)，沖擊荷載效應(yīng)最為明顯，無(wú)機(jī)結(jié)合料基層層容易出現(xiàn)彎拉破壞，且荷載作用局部范圍內(nèi)的變形量和層底拉應(yīng)力比離荷載作用區(qū)域較遠(yuǎn)的值大很多，隨著離荷載作用面距離的增大而急劇減小。因此應(yīng)控制瀝青路面早期車(chē)轍的發(fā)展，及時(shí)采取罩面等預(yù)防性養(yǎng)護(hù)措施。從避免無(wú)機(jī)結(jié)合料基層層出現(xiàn)彎拉破壞，早期車(chē)轍養(yǎng)護(hù)深度宜控制在5 mm范圍內(nèi)；從底基層無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定層結(jié)構(gòu)的疲勞壽命維持的角度，早期車(chē)轍養(yǎng)護(hù)深度宜控制在10 mm范圍內(nèi)。