基于數(shù)值模擬的瀝青路面永久變形的影響因素

范志遠

(中鐵十二局集團第四工程有限公司，陜西西安 710021)

0 引言

瀝青路面在荷載的反復作用下，產生過量的永久變形積累，會使路表面出現(xiàn)影響行車安全和舒適性的不平整，即車轍，或導致面層底面因出現(xiàn)過大的拉應變而加速疲勞開裂。因而，限制瀝青路面的永久變形量是路面結構設計需要考慮的重大問題。車轍還影響社會經濟效益，因此，防治車轍病害是當今公路建設中的首要問題。近年來，有限元方法計算瀝青路面結構力學響應的技術逐步發(fā)展成熟。相對于足尺試驗路或加速加載試驗研究，有限元模擬所需資金和時間相對較低，在瀝青路面高溫車轍問題研究中得到了廣泛應用。

1 計算模型及計算參數(shù)

1.1 路面模型及參數(shù)

選取半剛性基層瀝青路面作為研究對象，詳細參數(shù)見表1，當研究某一參數(shù)的影響時，其他參數(shù)保持不變。

表1 路面結構參數(shù)和材料參數(shù)

1.2 輪胎模型

采用公路交通運輸中重型車輛常用輪胎10.00R20-16PR，單個輪胎的接地寬度B=210 mm，兩個輪胎的總接地寬度為540 mm，由于輪胎胎紋的存在，理想的荷載模型應該能夠模擬輪胎非均布荷載的狀況，但由于目前的試驗條件對于輪胎荷載非均布的狀態(tài)難以準確測量和描述，所以輪胎荷載可視為均布荷載。將輪胎接地形狀簡化為矩形(見圖1)，接地長度由下式確定:

式中:P——1/4軸載，取25 kN;

W——接地寬度;

p——胎壓，取 0.7 MPa。

圖1 簡化輪胎模型（單位：cm）

1.3 荷載作用時間

為了縮短有限元分析計算的時間，同時保證計算結果的準確性，目前多采用“以靜代動”的方法模擬多次循環(huán)的加載方式。假設車輪接地的縱向長度為L，行車速度為V(m/s)，則荷載在每一個加載步的作用時間為:

N個加載步的荷載累積作用時間T為:T=N×t1，其中，N為50萬軸次。

1.4 瀝青路面模型的建立

采用二維實體模型模擬瀝青路面結構，試算表明，隔離體寬度取為6 m即可忽略邊界條件的影響，因此，本文建立的瀝青路面結構二維有限元分析模型的路面寬度為6 m，建立的模型見圖2，網格劃分見圖3。

圖2 模型邊界和施加荷載

圖3 劃分網格模型圖

2 車轍影響因素的分析

2.1 模量對車轍的影響

本文采用面層組合為4 cm+6 cm+8 cm的半剛性基層瀝青路面，計算不同層模量下瀝青路面的永久變形及其分布，作用50萬軸次后的計算結果見表2～表5。

由表2可知，最大剪應力先隨面層模量的增加而增加，而后隨面層模量的增加而減小。橫向最大應變和縱向最大應變隨面層模量的增加而減小。當面層模量較小時，材料的抗剪強度較低，在行車荷載作用下，面層所承受的剪應變和剪應力較大，面層更容易發(fā)生剪切變形，因此在溫度較高時更易發(fā)生車轍。當面層模量較高時，材料的抗剪強度增大，此時面層的剪應力和剪應變都較小，因此低溫時不易發(fā)生車轍。永久變形量隨面層模量的增加而減小。這因為隨著面層材料抗壓模量的增加，材料抵抗變形的能力增大，抗車轍性能增加。豎向最大應變和橫向最大應變隨基層模量的增大而增大，這主要是因為隨著基層模量的增加，基層抗力增加，基層與下面層的協(xié)調變形能力減小，因此應力主要在面層范圍內傳遞。

表2 不同面層模量永久變形計算結果

2.2 面層厚度對永久變形的影響

從表3可以發(fā)現(xiàn)，在額定車輛荷載作用下，瀝青路面永久變形量隨著瀝青面層厚度的增加而逐漸增大，基層變形量隨面層厚度的增加而減小。當瀝青層的厚度超過40 cm時，基層的變形可以忽略不計，也就是說，隨著瀝青層厚度的增加，瀝青路面的車轍破環(huán)主要發(fā)生在面層范圍內。因此，對瀝青路面設計時可考慮適當增加面層厚度和模量，盡量減小基層的永久變形，減少維修養(yǎng)護費用。研究發(fā)現(xiàn)最大豎向應變發(fā)生在中面層，因此中面層是發(fā)生車轍的主要面層，應提高中面層的瀝青材料和厚度。

表3 不同面層厚度永久變形計算結果

2.3 基層厚度對永久變形影響

由表4的數(shù)據可以看出，最大剪應力和永久變形隨基層厚度的增大而逐漸減小，但基層厚度超過40 cm后減小的幅度降低，逐漸趨于穩(wěn)定。因此，對于半剛性基層瀝青路面基層的厚度不宜過大。

表4 不同基層厚度下永久變形數(shù)值結果

2.4 溫度對永久變形的影響

溫度影響的是材料的抗壓模量及蠕變系數(shù)，在此分析20℃，30℃，40℃，50℃，60℃下的影響。

由表5可以看出，路面的永久變形量隨著溫度的升高而逐漸增大，而且溫度越高，變形量越大。這主要是因為瀝青混合料是感溫性材料，隨溫度的升高，瀝青混凝土的粘聚力減少，材料的物理特性表現(xiàn)為變軟，強度和剛度則會變小。高溫下的瀝青混合料處于以粘性為主的半固體狀態(tài)，在荷載作用下，瀝青及瀝青膠漿首先流動，混合料中骨料形成的骨架逐漸成為荷載的主要承擔者，再加上瀝青的潤滑作用，顆粒更容易發(fā)生相對錯位和滑移，從而更易形成車轍。因此高溫下更容易發(fā)生車轍破壞，故在炎熱地區(qū)鋪設瀝青路面應考慮采用耐高溫的材料，來減小車轍破壞。

表5 不同溫度下永久變形數(shù)值結果

2.5 荷載對永久變形的影響(40℃)

行車荷載和輪胎內壓對車轍的形成有重要影響。增大輪載或增加胎壓，都會顯著增加車轍量。Eisenmann等的研究表明，隨著輪胎平均接觸壓力的增加，車轍深度的增長率呈線形增大。

表6 不同荷載下永久變形結果

由表6可知，荷載值越大對應的車轍深度越大。瀝青混凝土是一種顆粒性材料，顆粒的自身強度遠大于其連接強度，瀝青混凝土的永久變形是由相鄰顆粒間發(fā)生錯位與滑移所形成的，荷載增大導致瀝青混合料內部應力增大，混合料顆粒在荷載作用下更易沿礦料接觸面發(fā)生相對滑移。經分析，荷載對車轍的影響成指數(shù)關系，回歸方程為:

式中:P——軸載，kN;

y——計算車轍量，mm。

可見荷載的大小對車轍的影響很大。因此應嚴格限制車輛超載行駛。

3 結語

文中根據建立的瀝青路面有限元分析模型，分別從面層模量、面層厚度、溫度、軸載等對瀝青路面永久變形的影響進行了定量分析:

1)半剛性基層瀝青路面的永久變形主要集中在瀝青層，中、下面層在壓應力作用下的壓縮變形和剪應力作用下的剪切變形是半剛性基層瀝青路面出現(xiàn)永久變形的主要原因。

2)隨著面層模量增加，瀝青面層的永久變形逐漸減小。隨著瀝青層模量增加，半剛性基層瀝青路面的橫向最大和豎向最大應變均逐漸減小。同時基層的變形量也逐漸減小，考慮到最大剪應變主要出現(xiàn)在中面層，因此設計和施工時應適當提高中面層的模量。

3)隨著瀝青層厚度的增加，瀝青路面的車轍量逐漸增加，因此，路面并不是越厚越好。

4)隨著溫度和軸重的增加，半剛性瀝青路面的永久變形量逐漸增大，因此應嚴格控制高溫和超載。

5)根據減小瀝青層相對變形并提高基層保護作用的原則，并考慮增加瀝青層厚度對建設成本的影響，半剛性基層瀝青路面瀝青層的合理厚度為20 cm～26 cm。

6)處理瀝青路面車轍問題，不能僅從材料入手，應結合路面結構參數(shù)綜合考慮。

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