瀝青路面車轍病害形成機(jī)理及防控因素分析

鄧興偉

(重慶市墊江縣公路事業(yè)管理中心,重慶 408300)

0 引 言

隨著城鎮(zhèn)化的推進(jìn),公路工程作為促進(jìn)沿線經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要基礎(chǔ)設(shè)施,其建設(shè)規(guī)模日益擴(kuò)大。瀝青路面具有噪音低、施工方便、養(yǎng)護(hù)簡單等優(yōu)勢,在公路工程中取得了廣泛應(yīng)用。根據(jù)相關(guān)研究成果,90%以上的公路路面結(jié)構(gòu)都是瀝青混合料。瀝青混合料是有基質(zhì)瀝青、集料等按一定比例配置而成的粘彈性材料,在高溫環(huán)境和外界車輛荷載作用下,混合料容易出現(xiàn)車轍變形,影響行車安全性和舒適度,嚴(yán)重的可能造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。鑒于此,國內(nèi)外很多學(xué)者利用室內(nèi)試驗、數(shù)值模擬等手段研究了瀝青路面車轍變形機(jī)理,但是仍未形成統(tǒng)一的理論來指導(dǎo)瀝青路面的設(shè)計與施工。同時,技術(shù)人員在選擇瀝青路面車轍防治措施時,盲目套用其它項目圖紙,使得方案適用性差[1]。因此,進(jìn)一步研究瀝青路面車轍形成機(jī)理、影響因素及防治措施具有重要的工程價值。

1 瀝青路面車轍類型及形成機(jī)理

公路瀝青路面在車輛荷載反復(fù)作用下,輪跡帶會形成細(xì)微變形。經(jīng)過數(shù)月或數(shù)年的疊加,輪跡帶變形不斷擴(kuò)展,形成縱向凹痕。根據(jù)成因不同,可將瀝青路面車轍劃分為結(jié)構(gòu)性、磨耗性、失穩(wěn)性、壓密型車轍四類。

1.1 瀝青路面車轍類型

(1)結(jié)構(gòu)性車轍

結(jié)構(gòu)性車轍出現(xiàn)在瀝青路面面層以下。當(dāng)車輛荷載超過瀝青路面各結(jié)構(gòu)層強(qiáng)度時,會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)層產(chǎn)生永久變形,從而引起結(jié)構(gòu)性車轍。從呈現(xiàn)形式來看,結(jié)構(gòu)性車轍兩側(cè)沒有明顯的“隆起”現(xiàn)象,多以“下陷”的形式存在,且下陷寬度一般較大。

(2)磨耗性車轍

瀝青路面在設(shè)計時,不同結(jié)構(gòu)層的瀝青混合料配合比不同、抗變形能力也不同。路面頂層與車輛和外界荷載直接接觸,在此期間瀝青路面會受到車輪磨損(不可避免的),并經(jīng)過長時間的積累最終形成了磨耗性車轍。磨耗性車轍在我國公路中的出現(xiàn)較少,即便如此為了盡量減小瀝青路面在運(yùn)營期間的磨耗性損失,在確定瀝青混合料配合比時也要盡量提高材料的抗磨耗性。此外,雨雪天氣下,各種重載車輛為了防滑會捆綁防滑鏈,也會進(jìn)一步加大瀝青路面頂層材料的磨耗損失。

(3)失穩(wěn)性車轍

結(jié)構(gòu)性車轍和磨耗性車轍是以固態(tài)形式存在,而失穩(wěn)性車轍則屬于流動性車轍,主要取決于瀝青混合料自身的特性。根據(jù)相關(guān)研究成果,瀝青混合料在高溫環(huán)境下容易軟化,承載能力會隨之下降。當(dāng)瀝青路面在車輛荷載作用下產(chǎn)生的剪切力>瀝青混合料自身抗剪強(qiáng)度,車輪輪跡處就會產(chǎn)生變形,變形不斷累積就會形成失穩(wěn)性車轍。失穩(wěn)性車轍的兩側(cè)會同時隆起,形成“W”型橫截面[2]。

(4)壓密性車轍

瀝青路面在施工時,必須嚴(yán)格控制壓實度。但是,在實際項目中,施工單位為了追求施工進(jìn)度,采用快速壓實或不完全壓實的方法,使得瀝青混合料的密實程度不夠。在公路運(yùn)營期間,瀝青路面受到車輛荷載的作用空隙率慢慢降低。當(dāng)路面空隙率值小于極限空隙值,路面便就會產(chǎn)生壓密性車轍。大量工程實踐表明,壓密性車轍呈“下凹”,會嚴(yán)重影響行車舒適性。

1.2 瀝青路面車轍形成機(jī)理

無論哪一種瀝青路面車轍,其形成機(jī)理均可劃分為壓密、流動、剪切破壞三個過程,具體闡述如下[3]:(1)壓密過程。瀝青混合料瀝青、礦料、空氣等組成的多相物質(zhì),在通過機(jī)械設(shè)備碾壓,形成具有一定間隙的骨架結(jié)構(gòu)。通車后,路面會在車輛荷載作用下進(jìn)一步壓密;(2)流動過程。瀝青路面經(jīng)壓密后,呈半固態(tài),在高溫環(huán)境及車輛荷載作用下,容易出現(xiàn)流動變形;(3)剪切破壞狀態(tài)。瀝青路面的流動變形不斷累積,當(dāng)累積當(dāng)量軸次超過某一臨界值,路面會剪切破壞,從而喪失承載能力。

2 瀝青路面車轍影響因素分析

ABAQUS軟件擅長求解邊界條件復(fù)雜的問題及非線性分析,且無論是顯式求解還是隱式求解,計算結(jié)果都能更好的滿足實際情況。為了定量評價車輛荷載、溫度等因素對瀝青路面車轍的影響,擬利用有限元軟件ABAQUS建立計算模型。

2.1 計算模型建立

(1)假設(shè)條件

對于實際的工程項目,瀝青路面沿豎向和行車方向都是無限大的,利用ABAQUS軟件建立無限大的模型是不可能的。因此,建模時做出以下假設(shè):①瀝青路面各結(jié)構(gòu)層的材料是均勻、連續(xù)、各項同性的彈塑性材料;②作用在瀝青路面上的荷載包括垂直和水平荷載,其中垂直荷載只考慮車輛動荷載;③瀝青路面各結(jié)構(gòu)層之間是連續(xù)的。

(2)路面結(jié)構(gòu)

研究對象為某省道的瀝青路面,其路面結(jié)構(gòu)組合為4 cm細(xì)粒式瀝青混凝土AC-13+6 cm中粒式瀝青混凝土AC-20+8 cm粗粒式瀝青混凝土AC-25+36 cm水泥穩(wěn)定碎石+20 cm石灰土,不同結(jié)構(gòu)層的密度分別為2 500 kg/m3、2 500 kg/m3、2 500 kg/m3、2 200 kg/m3、1 800 kg/m3;彈性模量分別為1 400 MPa、1 200 MPa、1 000 MPa、1 600 MPa、800 MPa,泊松比分別為0.35、0.35、0.3、0.3、0.25。

(3)瀝青路面荷載

由《公路瀝青路面設(shè)計規(guī)范》(JTG D50-2017)可知,公路瀝青路面的標(biāo)準(zhǔn)軸載為100 kN,胎壓0.7 MPa,單軸-雙輪組合荷載。同時,瀝青路面車轍受溫度影響較大(溫度越高,瀝青路面越容易出現(xiàn)車轍),必須考慮其所處的溫度場。在相同外界環(huán)境下,瀝青路面各結(jié)構(gòu)層的熱容量、熱傳導(dǎo)率、太陽輻射吸收率等不同,路面內(nèi)部不同深度處的溫度也不同。這樣公路瀝青路面內(nèi)部就會形成隨深度變化的溫度場,可用公式(1)表示[4]

(1)

式中:T為溫度場, ℃;Z為路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部某點距路表的距離,m;γ為路面材料重度,kg/m3;S為路面材料熱容量;k為路面材料熱傳導(dǎo)率;t為太陽輻射時間,h。

(3)網(wǎng)格劃分

有限元模型的網(wǎng)格尺寸和網(wǎng)格數(shù)量會直接影響計算結(jié)果的精度和計算速度。一般情況下,網(wǎng)格尺寸越小,計算結(jié)構(gòu)約精確,但計算耗費(fèi)時間長。反之,計算結(jié)果準(zhǔn)確性難以保證。綜合考慮計算效率和計算精確性,模型網(wǎng)格選用正六面體單位,將路面結(jié)構(gòu)層范圍內(nèi)的網(wǎng)格進(jìn)行加密處理,網(wǎng)格尺寸取0.5 m,土基范圍內(nèi)的網(wǎng)格2 m,共劃分出986個網(wǎng)格,1 069個節(jié)點,如圖1所示。

圖1 瀝青路面有限元模型網(wǎng)格劃分

2.2 瀝青路面車轍變形計算結(jié)果

(1)車轍變形隨軸載的變化

公路瀝青路面在車輛循環(huán)荷載作用下車轍變形會不斷增加,為了探明變形規(guī)律,以車輛荷載左側(cè)輪心為監(jiān)測點,計算了不同軸載作用次數(shù)下車轍的變形規(guī)律,計算結(jié)果見表1[5]。

表1 車轍深度隨軸載次數(shù)的變化規(guī)律

由表1計算結(jié)果可知:瀝青路面車轍變形深度隨軸載作用次數(shù)的增大而增大,當(dāng)軸載作用次數(shù)從100增加至800 000,車轍變形深度分別增加了0.124 mm、0.41 mm、0.68 mm、0.93 mm、1.43 mm、1.22 mm。在軸載作用次數(shù)較少的條件下,路面車轍深度也很小,此時路面蠕變狀態(tài),路面變形可以恢復(fù)一部分。但隨著軸載作用次數(shù)的增加,路面變形不斷累積,且不可恢復(fù),導(dǎo)致路面因出現(xiàn)車轍而破壞。

(2)溫度對車轍的影響

溫度對公路瀝青路面的影響是不可忽略的,這是因為溫度升高會使瀝青混合料的勁度模量和抗變形能力降低,從而導(dǎo)致路面破壞。根據(jù)相關(guān)研究成果,瀝青路面內(nèi)部溫度最高的位置在路表下2 cm。因此,以瀝青路面路表以下2 cm的某點為研究對象,在軸載作用次數(shù)不變的條件下,計算了外界溫度為20 ℃、40 ℃、60 ℃時的瀝青路面變形。同時,利用origin軟件中的線性函數(shù)擬合了溫度與瀝青路面車轍深度的關(guān)系,如圖2所示。利用擬合函數(shù),可用于預(yù)測不同溫度下,瀝青路面的車轍變形,為瀝青路面設(shè)計提供依據(jù)。

圖2 不同溫度下瀝青路面車轍

圖2計算結(jié)果表明:在軸載作用次數(shù)相同的條件下,外界溫度為20 ℃、40 ℃、60 ℃時,瀝青路面車轍深度分別為3.85 mm、4.9 mm、5.89 mm。瀝青路面車轍隨溫度的增加不斷增加,且兩者之間基本呈線性正相關(guān)關(guān)系。這說明外界溫度每增加20 ℃,瀝青路面車轍深度平均增加1.0 mm。

(3)胎壓對車轍的影響

胎壓與車輛荷載相協(xié)調(diào),一般車輛荷載越大,胎壓越高。在其它因素不變的條件下,本文利用ABAQUS軟件計算了胎壓為0.7 MPa、0.8 MPa、0.9 MPa、1.0 MPa、1.1 MPa、1.2 MPa時,瀝青路面的最大車轍變形量,計算結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同胎壓下瀝青路面車轍

由圖3可知:隨著胎壓增大,瀝青路面車轍變形深度不斷增加,但增加速率并不固定。當(dāng)胎壓小于0.9 MPa,瀝青路面車轍變化趨勢不明顯;當(dāng)胎壓超過0.9 MPa,瀝青路面車轍呈驟增趨勢。當(dāng)胎壓從0.7 MPa增加至1.2 MPa,瀝青路面車轍分別增加了0.2 mm、0.3 mm、0.9 mm、1.0 mm、1.2 mm。因此,在公路正常運(yùn)營期間,要嚴(yán)格控制公路上的重載車輛和超載車輛占比,以減小車輛荷載對瀝青路面的破壞。

3 瀝青路面車轍防控措施

(1)灑水降溫

在夏季高溫天氣下,瀝青路面容易出現(xiàn)車轍變形。因此,在可根據(jù)瀝青路面在一天內(nèi)的溫度變化規(guī)律來灑水,降低溫度對瀝青路面車轍的影響。在一天24 h內(nèi),瀝青路面結(jié)構(gòu)一般是從早8點開始升溫,在下午2∶00～2∶30左右路面溫度達(dá)到最大值。同時,瀝青路面結(jié)構(gòu)層內(nèi)大于55 ℃的高溫集中在12∶00～16∶00。因此,建議公路管養(yǎng)人員在該時間內(nèi)組織機(jī)械設(shè)備對瀝青路面進(jìn)行灑水降溫[6]。

(2)設(shè)置爬坡車道

根據(jù)相關(guān)研究成果:在公路的長大上坡路段,路面車轍出現(xiàn)的可能性更大。這是因為車輛進(jìn)入上坡路段后,會產(chǎn)生更大的荷載,損傷路面結(jié)構(gòu),降低路面承載力。鑒于此,公路在設(shè)計時要盡量避免長大上坡路段,可設(shè)置專用的爬坡車道,以降低車輛爬坡對瀝青路面的損傷。

(3)提高瀝青路面養(yǎng)護(hù)水平

瀝青路面施工完成后進(jìn)行合理的養(yǎng)護(hù),能大幅提高路面結(jié)構(gòu)的抗車轍能力和整體穩(wěn)定性。提高瀝青路面養(yǎng)護(hù)水平的方法體現(xiàn)在以下兩方面:一要斷優(yōu)化養(yǎng)護(hù)工藝。在公路瀝青路面養(yǎng)護(hù)時要強(qiáng)調(diào)預(yù)防性養(yǎng)護(hù),不能等出現(xiàn)嚴(yán)重病害后再養(yǎng)護(hù)。同時,在瀝青路面養(yǎng)護(hù)時要積極引入先進(jìn)設(shè)備和技術(shù),對傳統(tǒng)養(yǎng)護(hù)工藝進(jìn)行優(yōu)化,從而建立更先進(jìn)的瀝青路面養(yǎng)護(hù)體系;二要強(qiáng)化標(biāo)準(zhǔn)化控制體系。長期形成的“重施工輕養(yǎng)護(hù)”理念,是瀝青路面建設(shè)和運(yùn)營期間最常見的問題,為車轍病害害的發(fā)生埋下了隱患,故要加強(qiáng)養(yǎng)護(hù)管理,重視瀝青路面養(yǎng)護(hù)工作。

4 結(jié) 論

主要分析了公路瀝青路面車轍的形成機(jī)理、影響因素及車轍防控措施,得到了以下幾個方面結(jié)論:(1)瀝青路面車轍包括結(jié)構(gòu)性、磨耗性、失穩(wěn)性、壓密型車轍四類,其形成機(jī)理均可劃分為壓密、流動、剪切破壞三個過程;(2)軸載作用次數(shù)越多,瀝青路面車轍變形越大。當(dāng)軸載作用次數(shù)達(dá)到某一臨界值,車轍變形不可恢復(fù);(3)瀝青路面車轍深度隨外界溫度和胎壓的增加而增大,在公路運(yùn)營時要控制超載和重載車輛;(4)為了有效防控瀝青路面車轍,可采取灑水降溫、設(shè)置爬坡車道、提高瀝青路面養(yǎng)護(hù)水平等措施,研究成果可為公路瀝青路面車轍控制提供理論指導(dǎo)。