車載動水壓力對瀝青路面破壞的影響

臧云霞

（保定市交通運輸局 順平縣養(yǎng)路工區(qū)，河北 保定 072250）

引言

針對瀝青路面水損害問題，國內(nèi)外道路研究人員系統(tǒng)地研究了水損害的形成機理、影響因素、評價指標及控制預防措施等。高鵬永［1］建立了瀝青路面物理模型，采用離散元方法模擬了不同橋面鋪裝結構的力學響應特性，探討不同車速和車輛荷載對橋面鋪裝力學響應的影響。田晶晶等［2］提出了一種車輛靜、動載荷分離的數(shù)據(jù)處理算法，以貨車為研究對象，試驗研究其在兩種普通路面、三種加筋路面下的載荷特性，共分析了18 種不同工況，發(fā)現(xiàn)該處理方法具有較高的精度。曹衛(wèi)鋒和呂彭民［3］建立了路面的黏彈性和彈性有限元分析模型，比較了兩種不同路面模型的動力響應規(guī)律，發(fā)現(xiàn)在相同車速和溫度條件下，彈性本構關系計算的各動力響應指標值明顯大于流變本構關系。

1 瀝青路面結構模型

1.1 模型建立

保定市順平縣G234 國道瀝青路面，考慮到該路面橫向尺寸有限，深度和縱向構造均為無限大，結合以往經(jīng)驗確定模型尺寸，其中土基為砂質壤土226 cm，底基層為20 cm 級配碎石，基層為36 cm 水泥穩(wěn)定碎石，面層采用4 cm AC-16，瀝青路面層間的接觸為完全連續(xù)，上邊界水平和豎向均自由，骨架空隙中的水為液相，下邊界和荷載位置為不透水條件。采用雙線性孔壓，整個模型共計1 238 個節(jié)點，1 120 個單元［4］。

1.2 荷載施加

車輛在路面行駛時存在時程，具有一定的時序性，路面表現(xiàn)為受壓與回彈［5］。采用半正弦移動荷載模擬實際荷載，依據(jù)《公路瀝青路面設計規(guī)范》（JTG D50—2017），分析時段為Ta，均布荷載定義為qmax［6-7］。假設任意時刻t 的車輛荷載等效為半正弦分布荷載［8］：

式中：T—荷載作用時間，s；a—當量圓半徑，m；v—車輛行駛速度，m/s。

瀝青混合料路面參數(shù)見表1［9］。

表1 瀝青路面材料參數(shù)

2 結果與分析

2.1 垂直位移分析

車輛水動力路面結構垂直位移的時程曲線見圖1。

圖1 車載動水壓路面結構的垂直位移的時程變化曲線

在無水條件下，t=0.032 s 時普通路面荷載最大，垂直位移最大值為0.254 mm；在飽水條件下，t=0.032 s 時，普通路面的荷載最大，垂直位移最大值為0.134 mm，與無水狀態(tài)相比，位移略微減小。當荷載結束時（t=0.062 s），普通路面在無水狀態(tài)下的垂直位移為零，而在飽和狀態(tài)下的垂直位移為0.075 mm。當荷載最大時（t=0.021 s），排水路面的最大垂直位移為0.132 4 mm。研究發(fā)現(xiàn)，當有排水層的路面飽和時，或當普通路面飽和或無水時，路面模型的垂直位移值在最大荷載值處最大，模型層接合點的垂直位移值基本相同，表明水對瀝青路面的垂直位移沒有顯著影響。

2.2 豎向應力分析

車載動水壓路面結構的豎向應力的時程變化曲線，見圖2。

圖2 車載動水壓路面結構的豎向應力的時程變化曲線

飽和狀態(tài)下路面的垂直應力存在一定的滯后。在最大荷載條件下，無水路面的垂直應力最大，而飽和路面的垂直應力在荷載峰值后出現(xiàn)最大值，水的存在將對路面內(nèi)的荷載傳播產(chǎn)生很大影響。在無水條件下，普通路面基層-下面層豎向壓應力為448 kPa，下面層-中面層豎向壓應力為589 kPa，中面層-表面層豎向壓應力為679 kPa。飽水條件下，基層-下面層豎向壓應力為265 kPa，下面層-中面層豎向壓應力為421 kPa，普通路面中面層-表面層豎向壓力573 kPa。結果表明，水可以在一定程度上降低層間的豎向壓應力?；鶎优潘畬邮紫冗_到最大值，中間面層表層最終達到最大值，排水路面同一位置的豎向應力大于普通路面，主要是因為排水層模量較低，成為路面中的“軟夾層”，導致路面應力較差。

2.3 水平應力分析

車載動水壓路面結構的水平應力時程變化曲線見圖3。

圖3 車載動水壓路面結構的水平應力時程變化曲線

由圖3 可以看出，當荷載達到最大值（t=0.032 s）時，飽和狀態(tài)和無水狀態(tài)下普通路面結構的水平應力分布基本相同。無水狀態(tài)下的水平壓應力和水平拉應力明顯大于飽和狀態(tài)下的水平壓應力和水平拉應力。當荷載為零時（t=0.062 s），普通路面在無水狀態(tài)下的水平應力接近于零，而飽和狀態(tài)下的殘余水平應力較大，為53 kPa。結果表明，水的存在使路面水平應力降低，但應力消散時間延長。對于排水路面結構，當荷載達到最大值（t=0.032 s）時，水平壓應力和拉應力分別為213 kPa 和61 kPa；當荷載為零時（t=0.062 s），水平壓應力比普通路面結構小38 kPa。

2.4 孔隙水壓力分析

由圖4 可以看出，在最大荷載條件下，普通路面的正、負孔隙水壓力分別為354 kPa 和-152 kPa；排水路面的正、負孔隙水壓力分別為203 kPa 和-145 kPa。當荷載為零時（t=0.062 s），普通路面的正、負孔隙水壓力分別為78 kPa 和-358 kPa；排水層結構路面的正孔隙水壓力為74 kPa，負孔隙水壓力為-253 kPa。普通路面下面層存在明顯的孔隙水壓力集中，一旦釋放，將嚴重影響路面材料的抗沖刷性能。當荷載為零時（t=0.062 s），普通路面的下面層和中面層出現(xiàn)負壓區(qū)。

圖4 動水壓作用下孔隙水壓力時程變化曲線

3 結語

（1）水對瀝青路面的垂直位移沒有顯著影響。（2）水可以在一定程度上降低層間的豎向壓應力，在飽水條件下排水路面的應力值也滯后。（3）飽和狀態(tài)下各級普通路面結構交接處的水平應力最大值具有明顯的滯后性，表明水的存在一定程度上有利于路面的水平應力。（4）在路面內(nèi)部設置排水層后，下面層-中面層的孔隙水壓力急劇降低。