交通流荷載對(duì)瀝青路面車(chē)轍的影響分析

丁和平，何　杰，宋　亮（.宿州學(xué)院　經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院，安徽　宿州　34000；.東南大學(xué)　交通學(xué)院，江蘇　南京　0096）

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交通流荷載對(duì)瀝青路面車(chē)轍的影響分析

丁和平1，何杰2，宋亮1
（1.宿州學(xué)院經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院，安徽宿州234000；2.東南大學(xué)交通學(xué)院，江蘇南京210096）

摘要：車(chē)轍是瀝青路面特有的主要破壞現(xiàn)象之一.本文選擇鄭漯高速，觀察交通流量和車(chē)輛軸載，考慮垂直力和水平力，就交通流荷載對(duì)瀝青路面剪切和壓密變形的影響進(jìn)行分析，選取幾種不同輪胎接地壓強(qiáng)下瀝青面層內(nèi)部不同深度處的剪應(yīng)力和壓應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算，分析交通流荷載對(duì)瀝青路面車(chē)轍病害的影響規(guī)律，驗(yàn)證車(chē)轍形成機(jī)理.

關(guān)鍵詞：半剛性基層瀝青路面；車(chē)轍；有限元分析；交通流

本文選擇鄭漯高速，觀察它的交通流量和車(chē)轍，研究路段的結(jié)構(gòu)為半剛性基層瀝青路面，用ANSYS有限元分析軟件建立該路段的結(jié)構(gòu)模型，車(chē)輛對(duì)路面的力作用分為垂直力和水平力，觀察交通流荷載對(duì)瀝青路面剪切和壓密變形的影響并進(jìn)行分析，選取幾種不同輪胎接地壓強(qiáng)下瀝青面層內(nèi)部不同深度處的剪應(yīng)力和壓應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算，分析交通流荷載對(duì)瀝青路面車(chē)轍病害的影響規(guī)律，驗(yàn)證車(chē)轍形成機(jī)理，探討以車(chē)轍作為瀝青路面設(shè)計(jì)指標(biāo)之一的可行性.

1　車(chē)轍的成因

汽車(chē)荷載作用于瀝青路面，產(chǎn)生豎直方向的變形，時(shí)間一久，就會(huì)產(chǎn)生路基、基層和面層的永久變形，這就形成了車(chē)轍，但是目前我國(guó)等級(jí)較高公路的基層大多數(shù)采用的是半剛性，因?yàn)榘雱傂曰鶎拥膭倧?qiáng)度比較大，而且汽車(chē)荷載的應(yīng)力擴(kuò)散到路基的比較小，所以路基的受力及變形也很小，可以忽略.這樣路基和基層的永久變形占車(chē)轍總量的比例就很小.通過(guò)大量的實(shí)地調(diào)研和研究分析，車(chē)轍的90%是由于路面面層的變形引起的，所以，車(chē)轍產(chǎn)生的主要原因是瀝青面層的永久變形.

2　觀測(cè)路段交通流量與車(chē)轍調(diào)查

2.1觀測(cè)路段交通流量調(diào)查

鄭漯高速距離約143km，起始鄭州，行至漯河，是國(guó)家南北公路大動(dòng)脈京珠國(guó)道主干線(xiàn)的重要區(qū)段，也是京港澳主干線(xiàn)的重要組成部分，已成為國(guó)內(nèi)車(chē)流量最大的高速路段之一.

鄭漯高速公路交通量資料來(lái)自河南中原高速公路網(wǎng)，表1是該高速路的年平均日交通量.

表1　交通流量表

2.2車(chē)轍調(diào)查

鄭漯高速公路全線(xiàn)路面均發(fā)生車(chē)轍病害，采用激光車(chē)轍測(cè)試儀檢測(cè)行車(chē)道和超車(chē)道車(chē)轍深度，由于測(cè)得的數(shù)據(jù)繁雜，故每隔八個(gè)樁號(hào)取一個(gè)代表車(chē)轍深度，全線(xiàn)車(chē)轍分布如圖1～圖2所示.

根據(jù)各個(gè)國(guó)家公路要求的車(chē)轍深度，依據(jù)我國(guó)路面的狀況，路面車(chē)轍不會(huì)發(fā)生積水是在車(chē)轍的深度小于10毫米時(shí)，當(dāng)車(chē)轍的深度大于25毫米時(shí)，車(chē)輛就會(huì)顛簸不穩(wěn)，人們坐車(chē)就會(huì)感到不舒適.所以，車(chē)轍的深度不應(yīng)該超過(guò)10毫米到25之間.

由圖1和圖2可知，鄭漯高速整段都有著不同程度的車(chē)轍，而且行車(chē)道的車(chē)轍比超車(chē)道嚴(yán)重的多，車(chē)轍比較嚴(yán)重的路段集中在許昌至漯河路段，最大車(chē)轍深度達(dá)35mm.

圖2　下行行車(chē)道與超車(chē)道車(chē)轍分布圖

圖1　上行行車(chē)道與超車(chē)道車(chē)轍分布圖

3　半剛性基層瀝青路面三維有限元分析建模

3.1粘彈性路面結(jié)構(gòu)模型

據(jù)我國(guó)《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》[1]，將本研究路段的路面結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為四層，每一層都具有自己的特點(diǎn)，具體特點(diǎn)可用表2中的參數(shù)體現(xiàn).

表2　路面模型的參數(shù)

該路面模型長(zhǎng)為6m、寬為4m、高為1.58m，分析粘彈性路面模型時(shí)用Burgers模型和8節(jié)點(diǎn)solid185單元，因?yàn)橛?jì)算精度的問(wèn)題，路面模型的車(chē)輛行駛的地方的網(wǎng)格劃分比較密集，其他區(qū)域的網(wǎng)格比較粗化，總共有44800個(gè)單元，車(chē)輛運(yùn)行方向見(jiàn)下圖3[2].

圖3　路面模型

3.2邊界條件的確定

考慮到推導(dǎo)方程及求解的復(fù)雜性，為了便于有限元分析，需對(duì)該路面作若干的假設(shè)：

（1）假設(shè)路面是完全的粘彈性、材質(zhì)均勻的材料.那么該材料全部符合三維的本構(gòu)方程，即線(xiàn)粘彈性，參數(shù)可以是常數(shù).

（2）假設(shè)路面是全部連續(xù)、無(wú)負(fù)荷應(yīng)力為零的材料，即路面的初始的應(yīng)力是零.

（3）假設(shè)路面受力后會(huì)發(fā)生很小的變形，所以層狀粘彈性體系的力學(xué)中的代數(shù)、微分方程都可以簡(jiǎn)化成線(xiàn)性方程.

（4）假設(shè)該路面的無(wú)窮的遠(yuǎn)處位移、變形和應(yīng)力是零.

文章通過(guò)試算采用以下邊界條件：路面ANSYS有限元分析模型中平行于X軸的面的單向固定約束為X，和Y軸平行的面的單向固定約束是Y方向，路底的面用全部固定的約束.

3.3加載及求解

Beer M是南非學(xué)者，他研究了一些型號(hào)的輪胎作用在路面上的壓力，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在一定的載荷范圍內(nèi)，輪胎中部（大約為整個(gè)輪胎寬度的60%）的壓力幾乎是不變的，增加的壓力則在輪胎的兩側(cè)，如下圖圖4示，因此文章P0取0.717Mpa，P1分別0.673Mpa、0.705Mpa、0.723Mpa、0.738Mpa，根據(jù)研究結(jié)果回歸出來(lái)的接地壓力分布公式為：

P1=-0.53F2+57.46F-534.05

P0=0.86P+175（2）

式中：F為輪胎負(fù)載(KN)，適用范圍為20～ 50kN；P為輪胎胎壓(KPa)，適用范圍為420～720kPa.P0和P1分別為輪胎荷載接地印跡內(nèi)的中心區(qū)壓力和邊緣區(qū)壓力.

圖4　輪胎荷載接地印跡及壓力分布圖(x方向?yàn)樾熊?chē)方向)

模型采用階躍式負(fù)荷來(lái)模擬車(chē)輛的動(dòng)負(fù)荷，輪胎和地面接觸的地方取為矩形.每個(gè)輪胎的接地的矩形面積取24cm×16cm，在ANSYS中該模型正好覆蓋了16個(gè)單元，取兩個(gè)輪胎的負(fù)荷，車(chē)速為70km/h，車(chē)輪負(fù)荷在一組單元上行駛持續(xù)0.003s，向前移動(dòng)一個(gè)單元的時(shí)間為0.003s，這樣車(chē)輪在每個(gè)單元上的持續(xù)行駛時(shí)間為0.012s，ANSYS中自帶有Full法和瞬態(tài)求解器求解，分析點(diǎn)取路中央的垂直各層節(jié)點(diǎn)，因?yàn)樵撎幨锹访孀畲蟮氖芰ξ恢肹3].

4　關(guān)于交通荷載對(duì)路面面層的應(yīng)力的影響的計(jì)算結(jié)果

交通荷載對(duì)路面的影響主要是作用時(shí)間的延長(zhǎng)和應(yīng)力的增大.鄭漯高速的基層是半剛性的，瀝青路面的物料會(huì)發(fā)生流動(dòng)粘滯，對(duì)基層有一定的壓實(shí)作用，所以它的車(chē)轍主要是失穩(wěn)型的和壓密型的，現(xiàn)分析交通荷載對(duì)瀝青路面的剪切和壓密變形的影響.

根據(jù)計(jì)算結(jié)果得到幾種輪胎不同的接地壓力下，不同的計(jì)算點(diǎn)，不同深度處的最大壓應(yīng)力和剪應(yīng)力值與深度的關(guān)系，如圖5、圖6所示：

圖5　不同軸載下瀝青層內(nèi)不同深度的最大壓應(yīng)力

從圖5可得，隨著荷載的增加，瀝青面層的壓應(yīng)力增大，輪胎接地壓強(qiáng)為0.723MPa時(shí)，瀝青表面層壓應(yīng)力為349329Pa，輪胎接地壓強(qiáng)為0.738MPa時(shí)，瀝青表面層壓應(yīng)力達(dá)到了418129Pa，增大了20%.

從圖6可得，隨著荷載的增加，瀝青層內(nèi)的剪應(yīng)力逐漸變大，剪應(yīng)力的峰值在輪胎邊緣處的路表下15mm處，輪胎接地壓強(qiáng)為0.723MPa時(shí)，瀝青表面層剪應(yīng)力為124853Pa，輪胎接地壓強(qiáng)為0.738MPa時(shí)，瀝青表面層剪應(yīng)力達(dá)到了144409Pa，增大了15.7%.

圖6　不同軸載下瀝青層內(nèi)不同深度的最大剪應(yīng)力

5　結(jié)論

由此可見(jiàn)，水平力是瀝青路面破壞的主要因素.而在現(xiàn)實(shí)中車(chē)轍的形成影響因素是非常繁雜的，在路面研究中，怎樣有效的考慮水平力的影響還需進(jìn)一步探究，而且怎樣應(yīng)用到路面的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及路面材料的設(shè)計(jì)等，這樣才能預(yù)防車(chē)轍，預(yù)防路面破壞.

參考文獻(xiàn):

〔1〕中華人民共和國(guó)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn).公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范.JTG D50-2006[M].北京:人民交通出版社,2006.9-10.

〔2〕丁和平,何杰,趙池航,陳一鍇.非均布動(dòng)載荷下瀝青路面粘彈性有限元分析[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào),2011,33(2):68-69.

〔3〕丁和平,何杰,陳一鍇,劉霞.重型貨車(chē)聯(lián)軸間距對(duì)瀝青路面的影響[J].公路交通科技,2011,28(7): 43-44.

收稿日期：2015-11-25

中圖分類(lèi)號(hào)：U416.217

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1673-260X（2016）01-0076-03