王樹華

(廣西樂百高速公路有限公司，廣西 南寧 530012)

0 引言

瀝青路面具有良好的平整度、行車舒適性、養(yǎng)護(hù)維修方便等特點(diǎn)，已成為我國高等級(jí)路面主要的修筑類型。但隨著工業(yè)化進(jìn)展和溫室效應(yīng)所造成的全球氣候變暖，導(dǎo)致我國長期出現(xiàn)諸如夏季高溫等極端惡劣氣候；另一方面，由于超載、重載車輛的增加，使得瀝青路面常常在運(yùn)營初期就出現(xiàn)較為嚴(yán)重的損壞，而車轍損壞會(huì)導(dǎo)致路面產(chǎn)生不可逆轉(zhuǎn)的結(jié)構(gòu)性損壞，對(duì)路面質(zhì)量影響顯著。

有限元數(shù)值分析方法是一種正在不斷發(fā)展的新型數(shù)值分析方法，可以對(duì)道路結(jié)構(gòu)中的不同路面行為特征進(jìn)行模擬計(jì)算。該方法可以對(duì)路面施加任意的輪載方式，其對(duì)車轍數(shù)值的計(jì)算更加準(zhǔn)確、方便。本文通過利用有限元軟件ABAQUS建立計(jì)算模型，結(jié)合交通狀況調(diào)查數(shù)據(jù)，研究不同因素對(duì)瀝青路面車轍的影響規(guī)律。

1 確定有限元分析參數(shù)

1.1 路面結(jié)構(gòu)材料參數(shù)確定

有限元數(shù)值計(jì)算分析方法通常采用彈性模型與蠕變模型來表現(xiàn)材料特征。在建立路面車轍有限元分析模型前，首先需要確定有限元模型中的路面材料參數(shù)。

1.1.1 瀝青混合料參數(shù)

通過對(duì)已有研究結(jié)果進(jìn)行分析對(duì)比，確定瀝青混合料的蠕變參數(shù)和彈性參數(shù)，分別如表1、表2所示。

表1 建立有限元模型所需瀝青混合料蠕變參數(shù)表

表2 建立有限元模型所需瀝青混合料彈性參數(shù)表

由表1、表2可知，瀝青混合料材料特性與溫度之間的相關(guān)性顯著，因此在對(duì)車轍進(jìn)行計(jì)算分析時(shí)需要考慮其影響。

1.1.2 基層與土基材料參數(shù)

本文所建立路面有限元模型中，將路基層和道路土基材料假設(shè)為線彈性材料，并采用彈性模型來表征分析其力學(xué)特征，根據(jù)已有研究成果并結(jié)合相關(guān)規(guī)范，確定所設(shè)置的材料參數(shù)，其具體數(shù)值如表3所示。

表3 基層與土基材料參數(shù)表

1.2 荷載作用方式和時(shí)間確定

1.2.1 荷載模型簡化

根據(jù)國內(nèi)外相關(guān)研究結(jié)果，并考慮工程實(shí)際，本文采用雙矩形均布荷載對(duì)有限元荷載模型進(jìn)行簡化。如圖1所示，接地寬度B=18.6 cm，軸載P=10 kN，接地壓力p=0.7 MPa，輪數(shù)n=4，兩輪中心距為31.4 cm，由公式計(jì)算得L=19.2 cm。

圖1 荷載模型簡化尺寸示意圖(單位：cm)

1.2.2 荷載作用時(shí)間

本文采用累積加載時(shí)間作為一個(gè)荷載步，對(duì)有限元模型進(jìn)行加載計(jì)算，確定的有限元荷載作用時(shí)間計(jì)算模型參數(shù)如表4所示。

表4 車轍計(jì)算模型參數(shù)表

2 荷載對(duì)路面車轍的影響

2.1 軸重的影響

軸重與高壓輪胎是車輛荷載的主要表現(xiàn)形式。在交通狀況調(diào)查時(shí)，本文同時(shí)調(diào)查收集其軸重與高壓輪胎的使用數(shù)據(jù)，通過現(xiàn)場調(diào)查當(dāng)前交通狀況，確定其與路面車轍之間的關(guān)系。

2.1.1 交通量調(diào)查

2.1.1.1 軸重分析

本文采用定時(shí)定點(diǎn)定人的方法，收集確定通過收費(fèi)站的雙向混合交通量，選用輪重儀對(duì)通過收費(fèi)站車輛的載重進(jìn)行現(xiàn)場實(shí)測，結(jié)果如表5所示。

表5 交通量和軸重調(diào)查結(jié)果表

由表5可知：載貨汽車的超載現(xiàn)象普遍存在，貨運(yùn)汽車的超載比例范圍為50%～100%左右，最大甚至可達(dá)200%以上。軸載<100 kN的占38.7%，軸載100 kN～180 kN的車輛占50.65%；10.65%的車輛軸載≥180 kN，重載車輛在道路上所占的比例和超載率較高。

2.1.1.2 輪壓分析

由于增加輪壓是保證超載車輛正常運(yùn)行的主要方法，因此本文通過現(xiàn)場實(shí)測調(diào)查，得到工程所在地車輛輪壓數(shù)據(jù)，如表6所示。

表6 車輛輪胎氣壓比例表

由表6可知：在論文所收集的公路輪壓數(shù)據(jù)中，超過80%的車輛輪胎充氣壓力超過了標(biāo)準(zhǔn)輪壓要求，其中輪壓<0.7 MPa的車輛與輪壓>0.7 MPa的車輛，其比例分別為29.5%與70.5%。

2.1.2 車轍計(jì)算分析

為研究軸重對(duì)車轍的影響規(guī)律，本文通過使用ABAQUS軟件建立模型，輸入相關(guān)參數(shù)并加載后(其中對(duì)半剛性基層結(jié)構(gòu)施加的累積時(shí)間為4 320 s，大小分別為0.7 MPa、0.74 MPa、0.83 MPa、0.91 MPa、0.99 MPa、1.1 MPa的垂直荷載)，研究結(jié)構(gòu)層內(nèi)部應(yīng)力及永久變形與荷載之間內(nèi)部關(guān)系與影響規(guī)律。

2.1.2.1 路面最大壓應(yīng)力與拉應(yīng)力與車輛荷載之間的關(guān)系

由圖2、圖3可知，路面結(jié)構(gòu)層最大壓應(yīng)力隨車輛荷載的增加近似呈線性增長，路面結(jié)構(gòu)層最大拉應(yīng)力也隨著荷載的增加近似呈線性增長，兩種應(yīng)力參數(shù)均表現(xiàn)出一種正相關(guān)增長關(guān)系。

圖2 車輛荷載與路面最大壓應(yīng)力關(guān)系曲線圖

圖3 車輛荷載與最大拉應(yīng)力關(guān)系曲線圖

2.1.2.2 車轍隨加載次數(shù)的變化規(guī)律

由圖4可知，路面相對(duì)車轍深度會(huì)隨著加載次數(shù)增加而增大，且車轍深度增大的速度逐漸減小，當(dāng)模型加載的次數(shù)達(dá)到某個(gè)特定值時(shí)，路面相對(duì)車轍深度不再發(fā)生變化。

圖4 車轍深度與加載次數(shù)關(guān)系曲線圖

圖5 最大剪應(yīng)力與車輛荷載關(guān)系曲線圖

2.1.2.3 剪應(yīng)力隨荷載的變化規(guī)律

為防止瀝青路面在夏季高溫的情況下發(fā)生破壞，路面需具備一定的高溫穩(wěn)定性。當(dāng)前通常采用面層容許剪應(yīng)力作為瀝青路面高溫性能的控制指標(biāo)。由圖5可知，路面內(nèi)的最大剪應(yīng)力會(huì)隨著車輛荷載的逐漸增大而出現(xiàn)近似于線性增長的變化趨勢(shì)。

2.2 車速的影響

為研究車速對(duì)瀝青路面的影響，本文將車輛60 km/h、80 km/h、100 km/h、120 km/h時(shí)的行車速度建立有限元軟件ABAQUS模型進(jìn)行分析，具體如圖6所示。

圖6 車轍量與行車速度關(guān)系曲線圖

由圖6可知，在行車速度處于100 km/h時(shí)，路面車轍量出現(xiàn)一個(gè)轉(zhuǎn)化點(diǎn)，當(dāng)車速小于該值時(shí)，路面車轍量呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)的近似線性關(guān)系，當(dāng)車輛行駛速度大于該值時(shí)，路面車轍量下降速度明顯增加。

3 溫度對(duì)路面車轍的影響

3.1 小時(shí)變化車轍規(guī)律

本文采用一年中最為不利的氣象條件(2012-07-28的溫度場)，確定一天24 h內(nèi)各小時(shí)溫度場與路面車轍之間的關(guān)系。ABAQUS軟件分析計(jì)算結(jié)果見圖7、圖8。

3.1.1 小時(shí)變化溫度場與路面車轍之間的關(guān)系

圖7 小時(shí)變化溫度場與路面車轍量關(guān)系曲線圖

圖8 小時(shí)變化溫度場與路表變形關(guān)系曲線圖

3.1.2 小時(shí)變化溫度場與路表變形的關(guān)系

3.2 月變化的車轍規(guī)律

3.2.1 月變化溫度場下車轍變化規(guī)律

由圖9可知，隨著溫度場月變化，路面車轍量呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢(shì)。在7月份前后，路面車轍量達(dá)到最大值，其數(shù)值約為17.57 mm；另一方面，在1～5月和10～12月，路面車轍量基本不發(fā)生變化。

圖9 月變化溫度場與車轍量關(guān)系曲線圖

圖10 月變化溫度場與路表變形關(guān)系曲線圖

3.2.2 月變化溫度場下的路面變形規(guī)律

由圖10可知，和小時(shí)變化溫度場與路表變形規(guī)律相似，路表輪跡處出現(xiàn)凹陷變形，且在5～9月時(shí)，輪跡處的凹陷變形幅度明顯較大，在相同月份中，輪隙與輪跡外側(cè)出現(xiàn)隆起的幅度也明顯較大，其中可以觀察出輪跡外側(cè)的隆起量較輪隙處??；另外，輪跡外側(cè)的隆起寬度較輪隙處的隆起寬度更大。5～9月份是路面產(chǎn)生凹陷和隆起變形的常發(fā)月份，一年之中其他月份路面隆起量較小，尤其是冬季時(shí)的路表凹陷、隆起變形量可以忽略不計(jì)。

4 路面結(jié)構(gòu)層厚度與路面車轍的關(guān)系

瀝青表面層是路面中與外界環(huán)境直接接觸的結(jié)構(gòu)。惡劣環(huán)境如雨水沖刷、陽光暴曬，會(huì)對(duì)路面表層性能產(chǎn)生較大影響。本文根據(jù)相關(guān)研究設(shè)計(jì)6種不同瀝青路面結(jié)構(gòu)組合，研究瀝青路面不同結(jié)構(gòu)層厚度對(duì)路面車轍的影響，所設(shè)計(jì)的路面結(jié)構(gòu)組合如表7所示。

表7 瀝青路面結(jié)構(gòu)組合表半剛性基層路面結(jié)構(gòu)

通過采用6種不同的瀝青路面結(jié)構(gòu)層厚度建立ABAQUS有限元模型，同時(shí)對(duì)車輛輪跡中心處所產(chǎn)生的車轍數(shù)據(jù)進(jìn)行提取，并采用Origin 8.5軟件對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析，確定相應(yīng)的回歸方程，不同車輛荷載作用次數(shù)下路表車轍RD50、RD100(單位為mm)與瀝青結(jié)構(gòu)層厚度H(單位為mm)的關(guān)系為：

RD50=22.33-98.29×e-0.012 42H，R=0.997 45

(1)

RD100=23.26-210.75×e-0.018 69H，R=0.997 45

(2)

圖11 車轍量與結(jié)構(gòu)層厚度關(guān)系曲線圖

由圖11可知，經(jīng)過100萬次擬合與50萬次擬合后所得到的結(jié)構(gòu)層厚度與車轍之間關(guān)系基本保持一致，均表現(xiàn)出正相關(guān)關(guān)系，且車轍量的增加速度逐漸變緩；另一方面，瀝青路面面層內(nèi)部的各項(xiàng)應(yīng)力指標(biāo)分布范圍也會(huì)逐漸重新向面層更深處發(fā)展。

5 結(jié)語

本文主要結(jié)論如下：

(1)瀝青面層內(nèi)各項(xiàng)應(yīng)力大小與車輛軸載呈現(xiàn)出

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