沥青路面车辙影响因素研究

2018-06-14王树华

西部交通科技 2018年2期

王树华

(广西乐百高速公路有限公司，广西南宁 530012)

0 引言

沥青路面具有良好的平整度、行车舒适性、养护维修方便等特点，已成为我国高等级路面主要的修筑类型。但随着工业化进展和温室效应所造成的全球气候变暖，导致我国长期出现诸如夏季高温等极端恶劣气候；另一方面，由于超载、重载车辆的增加，使得沥青路面常常在运营初期就出现较为严重的损坏，而车辙损坏会导致路面产生不可逆转的结构性损坏，对路面质量影响显著。

有限元数值分析方法是一种正在不断发展的新型数值分析方法，可以对道路结构中的不同路面行为特征进行模拟计算。该方法可以对路面施加任意的轮载方式，其对车辙数值的计算更加准确、方便。本文通过利用有限元软件ABAQUS建立计算模型，结合交通状况调查数据，研究不同因素对沥青路面车辙的影响规律。

1 确定有限元分析参数

1.1 路面结构材料参数确定

有限元数值计算分析方法通常采用弹性模型与蠕变模型来表现材料特征。在建立路面车辙有限元分析模型前，首先需要确定有限元模型中的路面材料参数。

1.1.1 沥青混合料参数

通过对已有研究结果进行分析对比，确定沥青混合料的蠕变参数和弹性参数，分别如表1、表2所示。

表1 建立有限元模型所需沥青混合料蠕变参数表

表2 建立有限元模型所需沥青混合料弹性参数表

由表1、表2可知，沥青混合料材料特性与温度之间的相关性显著，因此在对车辙进行计算分析时需要考虑其影响。

1.1.2 基层与土基材料参数

本文所建立路面有限元模型中，将路基层和道路土基材料假设为线弹性材料，并采用弹性模型来表征分析其力学特征，根据已有研究成果并结合相关规范，确定所设置的材料参数，其具体数值如表3所示。

表3 基层与土基材料参数表

1.2 荷载作用方式和时间确定

1.2.1 荷载模型简化

根据国内外相关研究结果，并考虑工程实际，本文采用双矩形均布荷载对有限元荷载模型进行简化。如图1所示，接地宽度B=18.6 cm，轴载P=10 kN，接地压力p=0.7 MPa，轮数n=4，两轮中心距为31.4 cm，由公式计算得L=19.2 cm。

图1 荷载模型简化尺寸示意图(单位：cm)

1.2.2 荷载作用时间

本文采用累积加载时间作为一个荷载步，对有限元模型进行加载计算，确定的有限元荷载作用时间计算模型参数如表4所示。

表4 车辙计算模型参数表

2 荷载对路面车辙的影响

2.1 轴重的影响

轴重与高压轮胎是车辆荷载的主要表现形式。在交通状况调查时，本文同时调查收集其轴重与高压轮胎的使用数据，通过现场调查当前交通状况，确定其与路面车辙之间的关系。

2.1.1 交通量调查

2.1.1.1 轴重分析

本文采用定时定点定人的方法，收集确定通过收费站的双向混合交通量，选用轮重仪对通过收费站车辆的载重进行现场实测，结果如表5所示。

表5 交通量和轴重调查结果表

由表5可知：载货汽车的超载现象普遍存在，货运汽车的超载比例范围为50%～100%左右，最大甚至可达200%以上。轴载<100 kN的占38.7%，轴载100 kN～180 kN的车辆占50.65%；10.65%的车辆轴载≥180 kN，重载车辆在道路上所占的比例和超载率较高。

2.1.1.2 轮压分析

由于增加轮压是保证超载车辆正常运行的主要方法，因此本文通过现场实测调查，得到工程所在地车辆轮压数据，如表6所示。

表6 车辆轮胎气压比例表

由表6可知：在论文所收集的公路轮压数据中，超过80%的车辆轮胎充气压力超过了标准轮压要求，其中轮压<0.7 MPa的车辆与轮压>0.7 MPa的车辆，其比例分别为29.5%与70.5%。

2.1.2 车辙计算分析

为研究轴重对车辙的影响规律，本文通过使用ABAQUS软件建立模型，输入相关参数并加载后(其中对半刚性基层结构施加的累积时间为4 320 s，大小分别为0.7 MPa、0.74 MPa、0.83 MPa、0.91 MPa、0.99 MPa、1.1 MPa的垂直荷载)，研究结构层内部应力及永久变形与荷载之间内部关系与影响规律。

2.1.2.1 路面最大压应力与拉应力与车辆荷载之间的关系

由图2、图3可知，路面结构层最大压应力随车辆荷载的增加近似呈线性增长，路面结构层最大拉应力也随着荷载的增加近似呈线性增长，两种应力参数均表现出一种正相关增长关系。

图2 车辆荷载与路面最大压应力关系曲线图

图3 车辆荷载与最大拉应力关系曲线图

2.1.2.2 车辙随加载次数的变化规律

由图4可知，路面相对车辙深度会随着加载次数增加而增大，且车辙深度增大的速度逐渐减小，当模型加载的次数达到某个特定值时，路面相对车辙深度不再发生变化。

图4 车辙深度与加载次数关系曲线图

图5 最大剪应力与车辆荷载关系曲线图

2.1.2.3 剪应力随荷载的变化规律

为防止沥青路面在夏季高温的情况下发生破坏，路面需具备一定的高温稳定性。当前通常采用面层容许剪应力作为沥青路面高温性能的控制指标。由图5可知，路面内的最大剪应力会随着车辆荷载的逐渐增大而出现近似于线性增长的变化趋势。

2.2 车速的影响

为研究车速对沥青路面的影响，本文将车辆60 km/h、80 km/h、100 km/h、120 km/h时的行车速度建立有限元软件ABAQUS模型进行分析，具体如图6所示。

图6 车辙量与行车速度关系曲线图

由图6可知，在行车速度处于100 km/h时，路面车辙量出现一个转化点，当车速小于该值时，路面车辙量呈现负相关的近似线性关系，当车辆行驶速度大于该值时，路面车辙量下降速度明显增加。

3 温度对路面车辙的影响

3.1 小时变化车辙规律

本文采用一年中最为不利的气象条件(2012-07-28的温度场)，确定一天24 h内各小时温度场与路面车辙之间的关系。ABAQUS软件分析计算结果见图7、图8。

3.1.1 小时变化温度场与路面车辙之间的关系

图7 小时变化温度场与路面车辙量关系曲线图

图8 小时变化温度场与路表变形关系曲线图

3.1.2 小时变化温度场与路表变形的关系

3.2 月变化的车辙规律

3.2.1 月变化温度场下车辙变化规律

由图9可知，随着温度场月变化，路面车辙量呈现先增加后减少的趋势。在7月份前后，路面车辙量达到最大值，其数值约为17.57 mm；另一方面，在1～5月和10～12月，路面车辙量基本不发生变化。

图9 月变化温度场与车辙量关系曲线图

图10 月变化温度场与路表变形关系曲线图

3.2.2 月变化温度场下的路面变形规律

由图10可知，和小时变化温度场与路表变形规律相似，路表轮迹处出现凹陷变形，且在5～9月时，轮迹处的凹陷变形幅度明显较大，在相同月份中，轮隙与轮迹外侧出现隆起的幅度也明显较大，其中可以观察出轮迹外侧的隆起量较轮隙处小；另外，轮迹外侧的隆起宽度较轮隙处的隆起宽度更大。5～9月份是路面产生凹陷和隆起变形的常发月份，一年之中其他月份路面隆起量较小，尤其是冬季时的路表凹陷、隆起变形量可以忽略不计。