瀝青路面振動(dòng)碾壓施工的數(shù)值仿真與工藝參數(shù)分析

周剛，但漢成，山宏宇，楊冬，鄭仕躍

(1.中海建筑有限公司，廣東 深圳 518057；2.中南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410075)

路面施工質(zhì)量影響路面使用性能，而壓實(shí)作為路面施工過程中的最后一道主要工序，極大程度地影響路面的耐久性[1?2]。壓實(shí)良好的路面具有較好的平順性，密實(shí)的面層結(jié)構(gòu)可以防止水分經(jīng)過路面滲入路基，從而保證路基路面結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定[3]。路面壓實(shí)不足，則會(huì)引起路面車轍、剝落和水損害，而路面過壓則會(huì)引起集料破碎，導(dǎo)致路面混合料級(jí)配結(jié)構(gòu)遭到破壞，強(qiáng)度、剛度等性能下降[4?6]。因此，對(duì)路面碾壓過程進(jìn)行合理控制，保證路面瀝青混合料在施工過程中得到有效和充分壓實(shí)，從而提高路面的使用質(zhì)量。實(shí)際路面壓實(shí)施工過程中，壓路機(jī)作為移動(dòng)振動(dòng)荷載完成碾壓作業(yè)。目前大多數(shù)關(guān)于路面壓實(shí)施工工藝的研究均基于施工經(jīng)驗(yàn)開展，存在科學(xué)依據(jù)不足的問題，使得壓實(shí)工藝的制定沒有針對(duì)性，可能會(huì)增加碾壓能耗或者壓實(shí)達(dá)不到最佳效率。因此，需要更進(jìn)一步研究路面振動(dòng)壓實(shí)過程中路面的動(dòng)力響應(yīng)與施工工藝參數(shù)。目前研究路面在動(dòng)荷載作用下的動(dòng)力響應(yīng)問題通常有理論解析法和數(shù)值模擬法[7?14]。理論解析法通常關(guān)注于瀝青路面在移動(dòng)荷載作用下的動(dòng)力響應(yīng)問題，把瀝青路面看作彈性材料，而振動(dòng)壓實(shí)過程中瀝青混合料為高溫黏彈塑性，因而理論解析法很難準(zhǔn)確計(jì)算路面結(jié)構(gòu)在振動(dòng)碾壓荷載作用下的動(dòng)力響應(yīng)。此外，道路工程中常用到的數(shù)值模擬方法主要有離散元法和有限元法。離散元法將混合料離散成不同形狀大小的顆粒，通過顆粒之間相互作用屬性來(lái)研究材料的力學(xué)特性，但是由于路面振動(dòng)壓實(shí)模型較大，對(duì)應(yīng)的離散元模型通常包含大量顆粒，導(dǎo)致計(jì)算效率較低[15]。有限元作為經(jīng)典有效的數(shù)值模擬方法，具有更大的計(jì)算效率以及更合理的材料本構(gòu)模型，從而成為研究瀝青路面振動(dòng)壓實(shí)過程中路面結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)的主要方法。本文采用ABAQUS有限元軟件建立瀝青路面下面層振動(dòng)壓實(shí)過程的有限元模型。然后，通過有限元模擬計(jì)算得到振動(dòng)壓路機(jī)作用下路面應(yīng)力及加速度時(shí)程數(shù)據(jù)，并與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性。最后，分析振動(dòng)壓實(shí)過程中路面結(jié)構(gòu)在壓路機(jī)荷載作用下的動(dòng)力響應(yīng)規(guī)律，并綜合對(duì)比不同工況條件下路面瀝青混合料的力學(xué)特征和壓實(shí)效果，提出瀝青路面振動(dòng)壓實(shí)參數(shù)組合。

1 路面振動(dòng)壓實(shí)有限元模型

1.1 路面材料參數(shù)

振動(dòng)碾壓試驗(yàn)依托于某高速公路瀝青混合料下面層施工進(jìn)行。該高速公路設(shè)計(jì)路面結(jié)構(gòu)及材料如圖1所示，下面層采用AC-25瀝青混凝土，空隙率為4%，其級(jí)配如圖2所示。

圖1 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)路面結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Schematic diagram of pavement structure

圖2 下面層AC-25級(jí)配曲線Fig.2 Gradation curves for AC-25 asphalt mixture

下面層瀝青混合料采用彈塑性本構(gòu)模型，其抗剪強(qiáng)度遵循摩爾?庫(kù)倫準(zhǔn)則[16]，

式中：A，B，C，D，a，b，c和d為計(jì)算參數(shù)；T為瀝青混合料溫度，℃。

瀝青混合料的模量表征材料抵抗壓縮變形的能力，本文利用瀝青混合料多功能綜合試驗(yàn)機(jī)(UTM)進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)，獲得AC-25瀝青混合料在不同溫度條件下彈性模量值，如表1所示。

表1 AC-25單軸壓縮試驗(yàn)結(jié)果Table 1 Test results of uniaxial compression experiment

通過對(duì)各個(gè)溫度下的瀝青混合料的彈性模量進(jìn)行擬合，得到不同溫度下AC-25的彈性模量預(yù)測(cè)公式如式(3)所示：

式中：T為瀝青混合料的溫度，℃。

通過式(1)～(3)可以得到在高溫壓實(shí)條件下瀝青混合料的彈塑性參數(shù)(壓實(shí)實(shí)測(cè)溫度為140℃)，為數(shù)值計(jì)算奠定基礎(chǔ)(表2)。

表2 AC-25瀝青混合料材料參數(shù)Table 2 Material parameters of asphalt mixture AC-25

基層及土基材料采用線彈性本構(gòu)模型，各材料參數(shù)如表3所示。

表3 路面基層及土基材料參數(shù)Table 3 Material parameters of base course and subgrade

路面結(jié)構(gòu)振動(dòng)碾壓數(shù)值計(jì)算采用ABAQUS有限元軟件進(jìn)行建模，路面長(zhǎng)度10 m，寬度6 m，深度3 m，并在結(jié)構(gòu)各個(gè)邊界面施加相應(yīng)的約束條件(路面縱向前后兩面采用XSYMM條件、左右兩面采用ZSYMM條件、路面底部采用ENCASTRE條件)。建模完成后，對(duì)路面結(jié)構(gòu)采用結(jié)構(gòu)技術(shù)(structure)進(jìn)行網(wǎng)格劃分，單元類型采用C3D8R(八結(jié)點(diǎn)六面體線性縮減積分單元)，共計(jì)50 400個(gè)單元。路面振動(dòng)壓實(shí)有限元模型如圖3所示。

圖3 瀝青路面振動(dòng)壓實(shí)三維有限元模型Fig.3 Three dimensional finite element model for vibration compaction of asphalt pavement

1.2 振動(dòng)碾壓荷載的實(shí)現(xiàn)

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)過程中采用戴納派克(Dynapac CC6200)雙光輪振動(dòng)壓路機(jī)，其工作參數(shù)列于表4。

表4 Dynapac CC6200振動(dòng)壓路機(jī)工作參數(shù)Table 4 Working parameters of vibratory roller

振動(dòng)壓路機(jī)工作過程中，采取后輪滾動(dòng)前輪振動(dòng)的方式，振動(dòng)輪作用于路面結(jié)構(gòu)的荷載形式為簡(jiǎn)諧振動(dòng)，采用正弦函數(shù)：

式中：F0為壓路機(jī)產(chǎn)生的激振力；F0=Meω2；Me為偏心塊偏心力矩；ω為正弦函數(shù)的圓頻率，ω=2πf。

在有限元計(jì)算時(shí)將振動(dòng)輪軸重(G)與簡(jiǎn)諧振動(dòng)的激振力(P)一并施加于路面結(jié)構(gòu)層，即：

振動(dòng)壓路機(jī)在工作過程中，振動(dòng)輪旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的激振力F0通常大于輪重，甚至是輪重的2～3倍。在路面振動(dòng)壓實(shí)過程中，壓路機(jī)對(duì)路面瀝青混合料只能夠施加壓力作用，因此，壓路機(jī)振動(dòng)過程中激振力形式可以進(jìn)一步表示為：

壓路機(jī)荷載采用壓力荷載形式，其接觸應(yīng)力大小根據(jù)支喜蘭等[17]給出壓路機(jī)荷載的分布計(jì)算公式如下：

式中：D為振動(dòng)輪直徑，取1.2 m；L為振動(dòng)輪寬度，取2.1 m。

將式(5)，式(6)代入式(7)，可得：

分析壓路機(jī)荷載振動(dòng)作用下路基路面結(jié)構(gòu)受力情況時(shí)，壓路機(jī)振動(dòng)輪與路面接觸面可看成矩形，荷載面積為0.2 m×2.1 m。

依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際路面振動(dòng)碾壓過程中所選擇的壓路機(jī)振動(dòng)頻率，在進(jìn)行有限元計(jì)算時(shí)，取67 Hz作為主要計(jì)算工況進(jìn)行加載，相應(yīng)激振力為106 kN，現(xiàn)場(chǎng)壓路機(jī)工作速度為4 km/h。由于模型為非線性計(jì)算，為提高計(jì)算效率，荷載移動(dòng)距離設(shè)置為8 m(即荷載移動(dòng)帶長(zhǎng)度為8 m)，利用Fortran語(yǔ)言將式(8)所表示的荷載形式編寫為DLOAD用戶子程序?qū)崿F(xiàn)振動(dòng)碾壓過程。圖4為壓路機(jī)荷載作用于路面有限元模型示意圖。

圖4 有限元模型中振動(dòng)碾壓荷載示意圖Fig.4 Schematic diagram of vibration rolling load in finite element model

2 路面振動(dòng)壓實(shí)有限元計(jì)算結(jié)果分析

2.1 有限元計(jì)算結(jié)果

通過有限元計(jì)算，得到在壓路機(jī)振動(dòng)荷載作用下的路面壓實(shí)軌跡中點(diǎn)處面層結(jié)構(gòu)接觸應(yīng)力和加速度如圖5所示。

圖5 振動(dòng)碾壓條件下路面振動(dòng)響應(yīng)隨時(shí)間變化Fig.5 Vibration response of road surface varies with time under vibration rolling condition

將有限元計(jì)算得到的路面結(jié)構(gòu)理論動(dòng)力響應(yīng)與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比如圖6所示，試驗(yàn)測(cè)試方案設(shè)計(jì)如圖7所示。試驗(yàn)過程中測(cè)點(diǎn)前后12 m設(shè)置為數(shù)據(jù)采集區(qū)域：當(dāng)振動(dòng)壓路機(jī)進(jìn)入采集區(qū)域時(shí)，開始記錄智能顆粒及振動(dòng)輪加速度響應(yīng)數(shù)據(jù)直至壓路機(jī)駛離采集區(qū)域后停止記錄。瀝青混合料攤鋪完成后，采用雙光輪振動(dòng)壓路機(jī)進(jìn)行振動(dòng)碾壓6遍，隨后采用輪胎壓路機(jī)進(jìn)行終壓?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中路面及振動(dòng)輪的振動(dòng)信號(hào)數(shù)據(jù)分別由智能顆粒WDQ1及HCF傳感器獲取。通過圖6可以看出，理論數(shù)據(jù)與計(jì)算數(shù)據(jù)吻合較好，其中路面實(shí)測(cè)加速度大于有限元計(jì)算加速度，這是由于現(xiàn)場(chǎng)壓實(shí)過程中，有多臺(tái)壓路機(jī)協(xié)同工作，且同時(shí)還有攤鋪機(jī)等施工器械，測(cè)點(diǎn)附近一直有較強(qiáng)烈的振動(dòng)荷載經(jīng)過，導(dǎo)致對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)路面加速度產(chǎn)生一定影響。

圖6 有限元計(jì)算加速度與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)加速度對(duì)比Fig.6 Comparison of the acceleration calculated by finite element with the field measurement

圖7 智能顆粒測(cè)試路面振動(dòng)加速度Fig.7 Pavement vibration acceleration tested by SmartRock

2.2 振動(dòng)壓實(shí)過程路面應(yīng)力響應(yīng)規(guī)律

瀝青路面振動(dòng)壓實(shí)過程中，振動(dòng)輪與路面直接的作用力大小將直接影響到路面瀝青混合料的壓實(shí)效果。圖8為瀝青路面振動(dòng)壓實(shí)過程中在壓路機(jī)碾壓至2.8 s時(shí)路面結(jié)構(gòu)所受到應(yīng)力云圖?？梢钥闯觯趬郝窓C(jī)作用下，路面所受到的應(yīng)力并非均勻分布。在垂直于路面碾壓方向上，振動(dòng)輪左右兩側(cè)與路面接觸應(yīng)力較小，中部較大；在路面碾壓方向上，接觸應(yīng)力同樣呈現(xiàn)出“中間大，兩邊小”的分布規(guī)律。

圖8 振動(dòng)壓實(shí)過程中振動(dòng)輪與路面接觸應(yīng)力Fig.8 Contact stress between vibration wheel and road surface during vibration compaction

將壓路機(jī)振動(dòng)荷載作用區(qū)域橫向與縱向各個(gè)節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力值輸出，并繪制應(yīng)力大小分布圖如圖9所示?？梢钥闯觯瑝郝窓C(jī)施加于路面的作用力大小呈現(xiàn)出較好的對(duì)稱性。在橫向上，振動(dòng)輪邊緣兩側(cè)作用力為0.03 MPa，從兩側(cè)向中間逐漸增加，在距離振動(dòng)輪中心0.4 m時(shí)應(yīng)力達(dá)到最大值0.69 MPa并最終穩(wěn)定在該應(yīng)力值左右；在碾壓方向上，在壓路機(jī)與路面接觸區(qū)域內(nèi)的應(yīng)力值均穩(wěn)定在0.69 MPa附近。此外，通過圖9(b)可以看出，振動(dòng)壓路機(jī)荷載除了對(duì)其直接作用于路面區(qū)域內(nèi)有壓實(shí)作用，而且其影響范圍可以擴(kuò)展至振動(dòng)輪中心處前后0.3 m。

圖9 壓路機(jī)作用下路面應(yīng)力分布圖Fig.9 Pavement stress distribution diagram under roller action

同樣，可以根據(jù)有限元計(jì)算結(jié)果研究路面振動(dòng)壓實(shí)過程中壓路機(jī)壓實(shí)作用力在路面結(jié)構(gòu)的影響深度范圍。圖10(a)同樣是在計(jì)算至2.8 s時(shí)將路面沿中部分割后的應(yīng)力分布云圖?？梢钥闯?，壓路機(jī)荷載中心處的應(yīng)力除了作用于面層結(jié)構(gòu)外，還向下延續(xù)至其他結(jié)構(gòu)層內(nèi)。將振動(dòng)荷載中心下各個(gè)距離處的應(yīng)力數(shù)值繪制分布圖如圖10(b)?？梢钥闯?，隨著路面深度的增加，路面內(nèi)部應(yīng)力先是以較快的速度減小，當(dāng)深度達(dá)到0.45 m左右時(shí)，壓應(yīng)力大小從0.69 MPa減小至0.15 MPa，隨后應(yīng)力值隨深度變化的速率減小，并在深度達(dá)到2.6 m左右時(shí)應(yīng)力值減小至0 MPa左右，即在壓路機(jī)工作頻率為67 Hz，激振力為106 kN時(shí)，壓實(shí)力的壓實(shí)作用最大深度可達(dá)路面結(jié)構(gòu)層2.6 m左右。

圖10 壓實(shí)應(yīng)力沿深度方向分布圖Fig.10 Distribution diagram of compaction stress along the direction of depth

3 路面碾壓參數(shù)及工藝分析

3.1 振動(dòng)頻率分析

振動(dòng)頻率是路面壓實(shí)過程中壓路機(jī)重要的工作參數(shù)，不同的工作頻率對(duì)應(yīng)振動(dòng)壓路機(jī)會(huì)產(chǎn)生不同的工作振幅和激振力，從而影響路面壓實(shí)效果。為了研究振動(dòng)壓路機(jī)在不同工作頻率碾壓下路面的動(dòng)力響應(yīng)及壓實(shí)效果，依據(jù)選用的戴納派克振動(dòng)壓路機(jī)參數(shù)，計(jì)算對(duì)比在相同工作速度下路面結(jié)構(gòu)分別在51 Hz和67 Hz工作頻率及對(duì)應(yīng)的激振力條件下的面層應(yīng)力時(shí)程曲線如圖11(a)，通過壓路機(jī)振動(dòng)輪壓實(shí)應(yīng)力沿路面結(jié)構(gòu)深度方向的分布規(guī)律可以看出，壓實(shí)應(yīng)力延伸度方向的變化斜率可以分為2個(gè)階段，即迅速減小階段和緩慢減小階段，因此可以定義第1階段與第2階段交點(diǎn)處的深度值作為壓實(shí)力的有效作用深度(圖11(b)、圖11(c))，由于壓實(shí)過程中瀝青混合料主要表現(xiàn)為塑性，可以將壓實(shí)過程中混合料的累積塑性應(yīng)變(即等效塑性應(yīng)變，PEEQ[18])作為混合料壓實(shí)效果的評(píng)價(jià)因素。圖11(d)列出了在不同頻率工況下，振動(dòng)輪中心點(diǎn)作用下路面結(jié)構(gòu)路面瀝青混合料面層應(yīng)力及平均等效塑性應(yīng)變。

圖11 不同頻率下路面動(dòng)力響應(yīng)Fig.11 Dynamic response of pavement at different frequencies

通過對(duì)比可以看出，在相同的工作速度下，低頻條件下路面所受到的最大壓應(yīng)力與等效塑性應(yīng)變均相比于高頻工作條件下路面所受壓應(yīng)力與壓實(shí)后的等效塑性應(yīng)變分別增加了26%和217%，低頻率下的壓實(shí)力的有效作用深度相比高頻率條件下增加了95%。這是由于低頻率對(duì)應(yīng)更高的激振力作用，高溫下瀝青混合料模量低，抗剪強(qiáng)度低，在較大的壓應(yīng)力作用下能夠更快速達(dá)到屈服并產(chǎn)生較大的塑性變形。另外，通過圖11(b)可以看出，當(dāng)材料力學(xué)性能相同時(shí)，壓實(shí)力沿深度方向傳遞速率相同，不同深度處的數(shù)值大小取決于壓路機(jī)所施加的壓實(shí)力大小。

在路面壓實(shí)施工過程中，采用較大的激振力可以明顯地提高路面瀝青混合料的壓實(shí)效果，但是在壓實(shí)后期過大的壓實(shí)力作用將導(dǎo)致混合料集料振碎等問題，導(dǎo)致路面受力特性改變，從而影響路面的使用質(zhì)量。因此，結(jié)合不同頻率下的路面瀝青混合料等效塑性應(yīng)變以及理論分析結(jié)果對(duì)比，在壓實(shí)初期，由于瀝青混合料較為松散且阻尼較大，可以采用“低頻高幅高激振力”的參數(shù)組合(51 Hz，0.8 mm，194 kN)，從而能夠使混合料快速形成具有一定密實(shí)度的骨架結(jié)構(gòu)；而在中后期的壓實(shí)中，混合料剛度較大阻尼減小，因此可以選擇“高頻低幅低激振力”的參數(shù)組合(67 Hz，0.3 mm，139 kN)，避免過大的壓實(shí)力導(dǎo)致混合料破碎以及下臥層被振松等現(xiàn)象，保證路面使用性能。

3.2 碾壓速度分析

振動(dòng)壓路機(jī)進(jìn)行振動(dòng)碾壓時(shí)行走的速度稱為壓路機(jī)的工作速度，路面瀝青混合料振動(dòng)壓實(shí)過程可以分為初壓和復(fù)壓2個(gè)階段，壓路機(jī)每個(gè)檔位的工作速度分別為2～3 km/h(1檔)、4～6 km/h(2檔)和8～9 km/h(3檔)?？紤]振動(dòng)壓路機(jī)在67 Hz的振動(dòng)頻率下，分別以2，4和8 km/h 3種碾壓速度工作時(shí)路面表面應(yīng)力時(shí)程曲線對(duì)比如圖12。

圖12 不同碾壓速度下路面應(yīng)力時(shí)程曲線Fig.12 Time-history curve of pavement stress under different rolling velocities

通過圖12可以看出，不同碾壓速度條件下壓路機(jī)對(duì)路面所施加的壓實(shí)應(yīng)力大小均在0.9 MPa左右，即碾壓速度不會(huì)影響壓路機(jī)的壓實(shí)力作用。值得注意的是，在較小的碾壓速度下路面中點(diǎn)處所受到最大壓實(shí)應(yīng)力作用時(shí)間大于低速碾壓條件下的時(shí)間。通過應(yīng)力時(shí)程曲線可以看出，當(dāng)壓路機(jī)即將行駛至路面中點(diǎn)處時(shí)，由于滾輪的揉搓作用，該位置出現(xiàn)一定程度的隆起，進(jìn)而產(chǎn)生一定大小的拉應(yīng)力，隨后測(cè)點(diǎn)處出現(xiàn)較為明顯的壓應(yīng)力作用。為進(jìn)一步研究，將壓路機(jī)通過測(cè)點(diǎn)前拉應(yīng)力消失壓應(yīng)力出現(xiàn)至駛過測(cè)點(diǎn)后壓應(yīng)力消失拉應(yīng)力出現(xiàn)這一時(shí)間段定義為壓實(shí)力的有效作用時(shí)間。對(duì)比不同碾壓速度下的壓實(shí)力有效作用時(shí)間與面層等效塑性應(yīng)變?nèi)鐖D13。

圖13 不同碾壓速度下壓實(shí)有效作用時(shí)間及等效塑性應(yīng)變Fig.13 Effective action time and equivalent plastic strain at different rolling velocities

對(duì)比結(jié)果表明，隨著壓路機(jī)工作速度的加快，路面瀝青混合料碾壓過后的等效塑性應(yīng)變有所減小。在相同壓路機(jī)振動(dòng)頻率下，在1檔工作速度時(shí)，路面的等效塑性應(yīng)變?yōu)?.12，相比8 km/h時(shí)增加200%；相應(yīng)地，1檔工作速度下壓實(shí)力的有效作用時(shí)間相比8 km/h時(shí)增加207%?？梢钥闯觯雺核俣葘?duì)路面壓實(shí)效果的影響直接體現(xiàn)在壓實(shí)力所作用于路面的有效壓實(shí)時(shí)間。此外，壓路機(jī)移動(dòng)速度越慢，通過路面結(jié)構(gòu)的時(shí)間越長(zhǎng)，壓路機(jī)振動(dòng)力作用次數(shù)越多，產(chǎn)生的能量越大，路面瀝青混合料所受到的碾壓作用更為充分，從而壓實(shí)效果更好。因此，在路面壓實(shí)過程中，需要根據(jù)不同的壓實(shí)階段選擇不同的壓實(shí)速度：在壓實(shí)初期，壓路機(jī)應(yīng)選擇較低擋位的工作速度，以便控制瀝青混合料的整體壓實(shí)效果。由于壓路機(jī)長(zhǎng)時(shí)間低速工作會(huì)造成機(jī)械使用和施工效率降低，因此，在初壓后的壓實(shí)過程中，考慮到壓實(shí)效果以及施工效率，可以采用二檔工作速度進(jìn)行碾壓。

3.3 路面振動(dòng)碾壓參數(shù)及工藝組合分析

3.3.1 壓路機(jī)重疊寬度分析

通過振動(dòng)壓實(shí)過程中路面應(yīng)力分布規(guī)律的分析可以看出，雖然振動(dòng)輪在橫向上與路面之間接觸寬度較大，但并非所有的接觸區(qū)域均能夠?qū)β访鏋r青混合料進(jìn)行有效的壓實(shí)作用。因此在路面碾壓施工時(shí)，會(huì)出現(xiàn)振動(dòng)輪下方中間處的混合料壓實(shí)效果好而邊緣處的混合料壓實(shí)效果較差。為了彌補(bǔ)這種瀝青混合料橫向壓實(shí)不均勻的現(xiàn)象，壓路機(jī)碾壓過程中碾壓輪跡需要有一定寬度的重疊，如圖14。通過對(duì)比2種頻率下的應(yīng)力橫向分布規(guī)律可以看出，2種頻率下振動(dòng)輪所產(chǎn)生的壓實(shí)應(yīng)力具有相同的橫向分布規(guī)律。通過對(duì)2種頻率下應(yīng)力重疊曲線可以看出：67 Hz時(shí)壓路機(jī)重疊寬度為0.6 m，而51 Hz時(shí)的重疊寬度則需要0.8 m，說(shuō)明低頻時(shí)過大的壓實(shí)力會(huì)加劇振動(dòng)輪兩端力的發(fā)散效應(yīng)而出現(xiàn)更為明顯的橫向碾壓離析現(xiàn)象。綜上所述，為了保障路面碾壓過程中面層受力均勻性，在壓路機(jī)往復(fù)碾壓過程中要控制每次碾壓時(shí)的輪跡與上一次碾壓時(shí)的輪跡重疊寬度應(yīng)該至少為輪寬的1/3左右，并適當(dāng)根據(jù)壓實(shí)參數(shù)進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，以保證碾壓均勻，提高壓實(shí)結(jié)束后的路面平整度。

圖14 壓路機(jī)輪跡重疊示意圖Fig.14 Schematic diagram of overlap of roller tracks

3.3.2 碾壓參數(shù)組合分析

綜合分析路面振動(dòng)碾壓過程中的應(yīng)力及等效塑性應(yīng)變?cè)诓煌r條件下的變化規(guī)律可以得出：“低頻高幅高激振力”的壓路機(jī)作業(yè)方式雖然可以明顯提高路面面層瀝青混合料的壓實(shí)效果，但是通常由于需要壓實(shí)的面層瀝青混合料的厚度在10 cm左右，遠(yuǎn)薄于路面整體結(jié)構(gòu)層厚，而且該工況下壓路機(jī)會(huì)對(duì)整體路面結(jié)構(gòu)造成較為強(qiáng)烈的沖擊作用，導(dǎo)致混合料集料被振碎和過壓等現(xiàn)象，從而影響路面使用性能。通過現(xiàn)場(chǎng)碾壓過程中路面壓實(shí)度變化規(guī)律可以知前3次壓實(shí)對(duì)于路面瀝青混合料的壓實(shí)度貢獻(xiàn)最大[19?20]。因此理論上，可以在瀝青混合料阻尼較大的初壓階段采用該工作參數(shù)，同時(shí)采用較低的碾壓速度，保證壓實(shí)力的作用時(shí)間，迅速提高路面的壓實(shí)度；而在復(fù)壓時(shí)可采用高頻低幅低激振力以及較快的碾壓速度，以保證面層混合料級(jí)配的完整性以及施工效率。由于路面面層瀝青混合料通常采用分層鋪筑進(jìn)行碾壓，且路面下面層和中面層所用到的較大的最大公稱粒徑的瀝青混合料，在壓實(shí)過程中能夠較快地達(dá)到目標(biāo)壓實(shí)度，同時(shí)較大的集料顆粒易受到壓實(shí)力的作用而破碎，因此在施工時(shí)可以采用高頻率振動(dòng)狀態(tài)和較慢的工作速度進(jìn)行碾壓，同時(shí)相應(yīng)地減少壓實(shí)次數(shù)，以平衡壓實(shí)效果與施工效率。

基于以上分析，可以總結(jié)不同類型瀝青混合料在壓實(shí)施工過程中的壓實(shí)工藝如表5所示。

表5 AC型瀝青混合料碾壓施工工藝組合Table 5 Combination of asphalt mixture rolling construction technology for AC pavement

4 結(jié)論

1)通過計(jì)算振動(dòng)壓實(shí)條件下路面結(jié)構(gòu)及應(yīng)力傳遞特征規(guī)律，發(fā)現(xiàn)在振動(dòng)輪作用下的路面實(shí)際應(yīng)力在橫向分布上呈現(xiàn)出“兩邊小中間大”的特點(diǎn)，而碾壓方向則可看作均勻分布。壓路機(jī)振動(dòng)荷載使路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生壓應(yīng)力隨著深度先以較快的速度衰減，隨后緩慢衰減，最大作用深度可達(dá)2 m以上。

2)振動(dòng)壓路機(jī)不同的工作頻率對(duì)應(yīng)不同的激振力大小，從而影響到壓路機(jī)振動(dòng)輪作用于路面結(jié)構(gòu)的壓實(shí)應(yīng)力。通過計(jì)算表明，壓路機(jī)在低頻率下路面瀝青混合料的等效塑性應(yīng)變相比高頻下的混合料的等效塑性應(yīng)變?cè)黾?17%，壓實(shí)應(yīng)力及應(yīng)力有效作用深度分別增加26%和95%。

3)壓路機(jī)的工作速度同樣影響壓實(shí)效果。通過對(duì)比不同工作速度下路面瀝青混合料的等效塑性應(yīng)變發(fā)現(xiàn)，雖然不同檔位速度下壓路機(jī)作用于路面結(jié)構(gòu)的壓實(shí)力大小沒有明顯區(qū)別，但是采用較低速度下碾壓可以使得路面瀝青混合料獲得更好的壓實(shí)效果。

4)路面碾壓過程中，需要制定詳細(xì)的碾壓階段，并根據(jù)不同階段選擇碾壓參數(shù)，上面層AC混合料在壓實(shí)的初期階段可采用“低頻高幅”以及1檔工作速度，保證路面面層能夠獲得足夠的壓實(shí)應(yīng)力；而在后續(xù)壓實(shí)過程中，可采用“高頻低幅”和2檔的碾壓速度，壓實(shí)過程中壓路機(jī)之間的布置要合理，保證相鄰碾壓軌跡具有一定的重疊范圍，避免壓實(shí)不均。