基于正交實驗評價多因素對組合車轍試件的影響*

曾金煌 胡錦軒 劉全濤 聶 帥

(1.廣東省南粵交通揭惠高速公路管理中心 揭陽 515325；2.武漢理工大學(xué)硅酸鹽建筑材料國家重點實驗室 武漢 430070)

車轍是指路面在車輛荷載長期反復(fù)作用后，在車輛集中通過位置所產(chǎn)生的永久變形的累積[1-2]。車轍作為瀝青路面的主要破壞形式之一，一直以來備受關(guān)注，因為它不僅嚴(yán)重地影響了路面的平整度和服務(wù)質(zhì)量，對行車安全也有很大影響[3]。車轍的形成除了與材料自身性能有關(guān)，與荷載、環(huán)境條件也存在密切關(guān)聯(lián)[4-5]。

為模擬路面車轍的產(chǎn)生情況，實驗室通常采用一個小型車輪在試件上進(jìn)行往復(fù)行走試驗[6]。通過測定車輪作用次數(shù)與板塊試件變形的關(guān)系，得出變形速率RD或動穩(wěn)定度DS，作為評價試件抗永久變形性能的指標(biāo)[7]。車轍試驗所采用的變量為溫度、荷載以及水損害3個因素，但是對于這3個變量對變形速率RD的影響規(guī)律還有待研究。

正交實驗在研究多水平、多因素的設(shè)計方法中，因其具備高效、經(jīng)濟(jì)解決問題的特點一直備受青睞[8-9]。在車轍影響因素的研究中，引入正交實驗設(shè)計方法，可解決單因素實驗研究中，有效地區(qū)別各個因素之間的互相影響，能正確指導(dǎo)多因素對車轍的耦合作用分析。

目前關(guān)于試件厚度對車轍的影響結(jié)果尚存在爭議。有觀點認(rèn)為厚度越大，車轍越嚴(yán)重，對此也有學(xué)者存在不同看法，認(rèn)為厚度過薄可能變形更大[10-12]。本文為排除厚度對車轍的影響，按照實際路面采用全厚式組合車轍試件，上、中、下3層高度分別為4,6,8 cm，試件長度為1 m，寬度0.5 m，可真實模擬實際路面情況，對碾壓1 h和5 h后的車轍深度在不同溫度、荷載以及水損害下進(jìn)行了研究。

1 原材料和試驗方法

1.1 原材料

瀝青為70號基質(zhì)瀝青及SBS改性瀝青，集料分別為石灰?guī)r和玄武巖。試件上面層級配為AC-13，由SBS改性瀝青與玄武巖成型，中面層級配為AC-20，下面層繼配為石灰?guī)r成型，由70號基質(zhì)瀝青和玄武巖成型。

1.2 正交實驗設(shè)計

正交實驗表如表1所示。

表1 瀝青混合料車轍實驗正交表

其中，水損害采用了向試樣表面噴水的形式，以模擬降雨時的場景，噴淋速率分別為0，2，4 mm/h。實驗中每組試件施加荷載次數(shù)為2 500次和12 000次，施加時間分別為1 h和5 h。實驗所用儀器為自主研發(fā)的多功能路面材料全壽命分析儀，可實現(xiàn)可靠模擬溫度、降雨、荷載、紫外線等環(huán)境因素。評價指標(biāo)車轍深度RD為碾壓后的試件變形量，計算方法見式(1)。

RD=Dn

(1)

式中：RD為車轍深度，mm；Dn為碾壓n小時后試件變形量，mm。

2 結(jié)果與分析

2.1 多因素對1 h后車轍深度的影響

各因素對1 h車轍深度影響見圖1～圖3。

圖1 單因素對1 h車轍深度的影響

由圖1可見，隨著溫度增加，車轍深度呈明顯增加趨勢，并且在較低溫度區(qū)間(40～50 ℃)時增加更明顯，在較高溫度區(qū)間(50～60 ℃)時增加幅度變緩。隨著荷載增大，碾壓后車轍深度增加。說明荷載對車轍具有明顯促進(jìn)作用。在有水存在時，車轍深度有所增加，說明水損害對車轍有一定影響。

正交實驗方差分析見表2。

表2 碾壓1 h后車轍深度方差分析

由表2可見，根據(jù)文中所選取因素的水平，溫度、荷載和水對車轍深度的影響力為：溫度>荷載>水，即溫度對車轍深度有顯著影響，荷載對車轍深度有影響，水對車轍深度影響不顯著。

2.2 多因素對5 h車轍深度的影響

各因素對5 h車轍深度的影響見圖2。

圖2 各因素對5 h車轍深度的影響

由圖2可見，對于碾壓5 h后的車轍深度，溫度區(qū)間對其促進(jìn)作用大致相同，溫度每上升1 ℃，車轍深度大約增加0.08 mm。荷載對于碾壓5 h后的車轍深度的影響與其增量呈線性關(guān)系，荷載每上升0.1 MPa，車轍深度增加0.4 mm。溫度以及荷載對于車轍深度的影響，線性相關(guān)性較1 h更好，這可能是由于隨著碾壓時間延長，這2個因素對實驗的誤差作用變小。碾壓5 h后的車轍深度隨噴淋速率增加的規(guī)律與1 h相似，表明水的噴淋速率對車轍深度有確切的促進(jìn)作用。

碾壓5 h后的車轍深度方差分析見表3。

表3 碾壓5 h后車轍深度方差分析

由表3可見，對于碾壓5 h后的車轍深度，溫度及荷載對其均有顯著影響，而水對車轍深度的影響不顯著。3因素對碾壓5 h后車轍深度的影響程度為：荷載>溫度>水。相比1 h的結(jié)果，碾壓5 h后，溫度的影響有所下降，而荷載與水的作用有所增強(qiáng)。這可能是由于在長時間碾壓后，荷載在后期的永久變形作用中發(fā)揮作用更大，而隨著降水時間的延長，動水應(yīng)力的作用也開始顯露，導(dǎo)致水的影響加強(qiáng)。

3 結(jié)論

1) 對于碾壓1 h后的車轍深度，溫度對其有顯著影響，荷載對其有影響，水對其影響不顯著。

2) 對于碾壓5 h后的車轍深度，溫度及荷載對其有顯著影響，水對其影響不顯著。

3) 多因素對于不同碾壓時間的車轍深度的影響大致相同，正交實驗在車轍深度多因素影響研究中切實可行。

[1] 石立萬.影響全厚度車轍RD及DS關(guān)鍵因素的試驗研究[D].武漢：華中科技大學(xué),2007.

[2] 郝培文.瀝青與瀝青混合料[M].北京：人民交通出版社,2009.

[3] MOREA F, ZERBINO R, AGNUSDEI J. Wheel tracking rutting performance estimation based on bitumen low shear viscosity (LSV), loading and temperature conditions[J].Materials & Structures,2014, 47(4):683-692.

[4] 吳瑞麟,石立萬,余海洋.影響瀝青路面高溫穩(wěn)定性關(guān)鍵因素的車轍試驗研究[C].第九次全國城市道路與交通工程學(xué)術(shù)會議論文集，重慶：2007.

[5] PéREZ I, MEDINA L, GALLEGO J. Plastic deformation behaviour of pavement granular materials under low traffic loading[J].Granular Matter,2010,12(1):57-68.

[6] 楊博.基于有限元方法的瀝青路面車轍影響因素分析及其應(yīng)用研究[D].西安:長安大學(xué),2010.

[7] DING L Y. Study on predication model of rutting of asphalt pavement based on dynamic stability[J].Journal of Highway & Transportation Research & Development,2016，33(8)：12-17.

[8] 張金山,郭振坤,楊靜,等.型煤成型影響因素的正交實驗分析[J].煤炭技術(shù),2016,35(9):287-288.

[9] 胡林,方勝勇,陳強(qiáng).基于正交實驗的汽車-兩輪車碰撞事故再現(xiàn)的參數(shù)影響研究[J].汽車工程,2016,38(5):567-573.

[10] 謝玲兒,楊建華,李偉，等.瀝青混合料圓柱體試件車轍試驗條件分析[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(交通科學(xué)與工程版),2017,41(4):633-637.

[11] RUI-LIN W U, SHI L W, HAI-YANF Y U, et al. Total thickness rutting research on key influencing factors of asphalt pavement[J]. Journal of Wuhan University of Technology,2008，30(1)：58-61.

[12] ARNOLD G, WERKEMEISTER S. Pavement th-ickness design charts derived from a rut depth finite element model[J]. Equivalent Single Axle Loads,2010，427：1-84.