高溫重載作用下瀝青路面車轍研究

王輝   李雪連  張起森

長沙理工大學(xué) 湖南長沙410076

引言

    車轍是瀝青路面在重復(fù)交通荷載作用下產(chǎn)生的累積永久變形，是當(dāng)前瀝青路面主要的破壞形式之一。車轍破壞嚴(yán)重影響了行車的安全性和舒適性。日本的調(diào)查表明，其瀝青路面約70％都存在車轍問題，故特別重視對(duì)車轍的研究。美國SHRP對(duì)車轍的預(yù)估模型進(jìn)行了較深入的研究并在AASHT0一2002年設(shè)計(jì)指南列入了車轍設(shè)計(jì)指標(biāo)。歐洲Shell的設(shè)計(jì)方法也考慮了車轍預(yù)估問題。我國現(xiàn)行瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范主要以路表彎沉作為設(shè)計(jì)指標(biāo)，對(duì)于車轍問題基本沒有考慮。盡管現(xiàn)在開始探討多指標(biāo)的設(shè)計(jì)體系，但真正要付諸實(shí)施還需要相當(dāng)長的時(shí)間。鑒于目前我國高速公路瀝青路面車轍問題的嚴(yán)重性，加強(qiáng)展開對(duì)車轍問題的研究是十分必要的。本文首先對(duì)京珠高速公路某路段車轍病害展開現(xiàn)場調(diào)查；其次結(jié)合調(diào)查結(jié)果，計(jì)算并分析了瀝青路面結(jié)構(gòu)層在重載和高溫作用下的力學(xué)特性；然后采用方差分析法和相關(guān)分析法，分析了現(xiàn)場取樣試件的車轍試驗(yàn)結(jié)果；最終建立了車轍深度與各結(jié)構(gòu)層動(dòng)穩(wěn)定度的關(guān)系，并據(jù)此提出了路面各結(jié)構(gòu)層瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度的控制建議值。

1、瀝青路面車轍調(diào)查與其斷面形狀分析

　　1.1車轍調(diào)查

    在重載車輛和近幾年夏季高溫的綜合作用下，京珠高速公路某路段通車兩年后瀝青路面出現(xiàn)了嚴(yán)重的車轍破壞。經(jīng)過該路段的車轍病害調(diào)查得其車轍深度的分布如圖1所示。

    由圖l可知，90％以上路段的車轍深度大于5mm，并且其中約有5％是超過20mm的。此外，對(duì)調(diào)查資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)：全線平均車轍深度(ARD)達(dá)到10mm，最大車轍深度超過了30mm。可見，該路段的車轍病害非常嚴(yán)重。

圖1車轍深度分布圖

　　1.2車轍斷面形狀分析

    為了真實(shí)地了解瀝青各面層內(nèi)車轍發(fā)生的狀況和程度，我們還對(duì)該高速公路典型車轍病害路段中的17處主車道進(jìn)行了橫斷面開挖和鉆芯取樣，并對(duì)各面層厚度與變形情況進(jìn)行了檢測(cè)，得到了典型的車轍斷面形態(tài)如圖2所示。

圖2典型的車轍斷面形態(tài)

    從圖2可以看出：

    (1)該處左、右輪車轍深度分別為27mm和25mm，開挖后基層頂面未發(fā)現(xiàn)沉陷與開裂，說明車轍變形全部由瀝青面層產(chǎn)生，且上、中、下層發(fā)生變形的程度各不相同。

    (2)從斷面形狀和輪跡處各層的變形量分析可知：中面層變形最大即約占車轍總量的60％，上面層約為25％，下面層約為15％。顯然，這與中面層承受著高壓應(yīng)力和剪切應(yīng)力，而一般中面層的抗剪切能力不足有關(guān)。

2、高溫重載作用下瀝青路面結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分析

　　根據(jù)該路段的路面設(shè)計(jì)，我們采用如圖3所示的路面結(jié)構(gòu)分析圖。利用ANSYS有限元通用軟件，對(duì)路面結(jié)構(gòu)進(jìn)行了相關(guān)處理。荷載采用了l00kN、120kN、140kN、160kN、180kN和200kN。輪胎接地面積由規(guī)范中的圓形荷載按面積等效原則轉(zhuǎn)換成正方形189mm×189mm，保持兩輪中心間距320mm不變。另外，假定輪載在作用面內(nèi)均勻分布。由于車輛制動(dòng)或啟動(dòng)加速時(shí)輪胎與地面的接觸范圍內(nèi)會(huì)產(chǎn)生一定大小的水平力，為簡化計(jì)算，假設(shè)輪胎與地面的摩擦系數(shù)相同，而且輪胎因制(啟)動(dòng)而產(chǎn)生的變形對(duì)路面的垂直壓力影響不計(jì)，則水平力的量值在輪胎作用面內(nèi)也是均勻分布的。假設(shè)輪胎與路面的滑動(dòng)摩擦系數(shù)為f，一般路段系數(shù)f取0.2；緊急制動(dòng)、上坡和彎道上，f取0.5。

圖3路面結(jié)構(gòu)分析圖

    對(duì)于瀝青混合料動(dòng)模量E按美國地瀝青協(xié)會(huì)(AI)計(jì)算公式確定(考慮了溫度、加載頻率、混合料中瀝青和礦料的影響)：

　　(1)|E|=100000×10β1

　　(2)β1=β3  + 0.000005/β2 — 0.00189β2f-1.1

　　(3)β2 =β4 0.5Tβ5

　　(4)β3=0.553833+0.028829(P200f-l703)- 0.03476Va +0.0277λ+0.931757f-0.02774

　　(5)β4 =0.483Vb

　　(6)β5 =1.3+0.498251gf

　　式中：β1～β5，為中間常數(shù)；f為荷載頻率，這里取6 Hz(中等速度)；T為路面溫度(℃)，根據(jù)該路段現(xiàn)場的實(shí)際測(cè)定，路面溫度分別取70℃和40℃；P200為集料通過200號(hào)篩孔的重量百分率，取6％和5％；Va為空隙率，取4.5％和4.0％；λ為瀝青在21℃(70°C)的黏度(106P*)，按下式進(jìn)行計(jì)算

　　(7)λ=29508．2(P25°C)-2 .1939P25°C為25℃的針入度；Vb為瀝青的體積(％)，對(duì)上、中、下面層分別取ll％、9.2％和9.0％。

    根據(jù)給定的相關(guān)參數(shù)計(jì)算出的瀝青各層動(dòng)態(tài)模量見表1。

表1路面基本參數(shù)

　　采用表1的模量，用有限元計(jì)算不同軸載下路面各結(jié)構(gòu)層內(nèi)最大剪應(yīng)力如圖2所示，同樣根據(jù)美國AI的公式確定在不同溫度條件下各結(jié)構(gòu)層的模量，然后用有限元計(jì)算在標(biāo)準(zhǔn)軸載BZZ-100作用下路面各結(jié)構(gòu)層的最大剪應(yīng)力如圖4所示。

　　　　圖4不同作用下路面結(jié)構(gòu)各層剪應(yīng)力   圖5標(biāo)準(zhǔn)軸載作用下路面各結(jié)構(gòu)層的最大剪應(yīng)力

    從圖4和圖5可知：

    (1)從圖4可以看出，隨著軸載的增加，路面各結(jié)構(gòu)層的最大剪應(yīng)力基本上按線性規(guī)律增大。例如當(dāng)溫度為70°C時(shí)，在100kN荷載作用下中面層的最大剪應(yīng)力約為0.275MPa，而在200kN下其值增大為0.550 MPa，增加了l倍。

    (2)從圖5分析得知，在同樣的荷載作用下，路面溫度增加，瀝青路面各結(jié)構(gòu)層的最大剪應(yīng)力也隨之增大，而且溫度越高，增加越快。例如，當(dāng)中面層溫度為30℃時(shí)，剪應(yīng)力為0．22MPa；而當(dāng)中面層溫度為70℃時(shí)，剪應(yīng)力為0.275MPa，增大了25％。

    (3)對(duì)圖4和圖5進(jìn)行綜合分析發(fā)現(xiàn)：無論是考慮軸載影響還是溫度作用，中面層的剪應(yīng)力均比上面層或下面層大。說明在研究車轍問題時(shí)，除上面層的車轍問題必須引起足夠重視外，解決中面層的抗剪切能力也是至關(guān)緊要的，這與現(xiàn)場調(diào)查結(jié)論一致。

3、現(xiàn)場取樣試件的車轍試驗(yàn)與分析

　　3.1車轍試驗(yàn)

    為進(jìn)一步確定瀝青路面各結(jié)構(gòu)層動(dòng)穩(wěn)定度、材料組成和壓實(shí)度等對(duì)車轍形成的影響，本文對(duì)在12處典型路段取得的ll5塊試件，進(jìn)行了動(dòng)穩(wěn)定度、密實(shí)度、材料級(jí)配組成、瀝青抽提和60°C抗剪強(qiáng)度等一系列室內(nèi)試驗(yàn)。

    其中，在車轍試驗(yàn)前，首先將現(xiàn)場取回的整塊試件按文獻(xiàn)“T0719瀝青混合料車轍試驗(yàn)”的要求切割成平面尺寸為300mm x l50mm、厚度為結(jié)構(gòu)層實(shí)際層厚的車轍試件，每層取樣不少于3塊試件；然后將試件安裝在300mm X300mm的標(biāo)準(zhǔn)試模中部，兩端用薄木片將試件固定，兩旁剩余部分用新熱拌瀝青混合料填充壓實(shí)，以固定試件，如圖6所示。值得注意的是，本文現(xiàn)場取樣試件均是在該12處典型路段中與行車道對(duì)應(yīng)的路肩位置取得的，路面材料類型見圖3。瀝青路面各面層的車轍試驗(yàn)動(dòng)穩(wěn)定度結(jié)果與其對(duì)應(yīng)的行車道平均車轍深度，詳見表2。

表2車轍試驗(yàn)結(jié)果

　　(a)現(xiàn)場取樣試件     　(b)車轍試驗(yàn)后試件

圖6車轍試驗(yàn)

　　3.2結(jié)果與分析

　　3.2.1方差分析 

    為了研究各層動(dòng)穩(wěn)定度對(duì)車轍貢獻(xiàn)的大小，本文采用了方差分析法和相關(guān)分析法對(duì)車轍試驗(yàn)的動(dòng)穩(wěn)定度結(jié)果進(jìn)行分析。其中，對(duì)動(dòng)穩(wěn)定度和車轍深度分別進(jìn)行了分級(jí)：

    上面層動(dòng)穩(wěn)定度(DSsurfce，次/mm)：第一級(jí)≤1000，1000≤第二級(jí)≤3000，第三級(jí)≥3000；

    中面層動(dòng)穩(wěn)定度(DSmiddle，次/mm)：第一級(jí)≤800，800≤第二級(jí)≤1500，第三級(jí)≥1500：

    下面層動(dòng)穩(wěn)定度(DSbottom，次/mm)：第一級(jí)≤600，600≤第二級(jí)≤1200，第三級(jí)≥1200。

    相應(yīng)的車轍深度(RD)也分為三級(jí)：第一級(jí)≤10m，10m≤第二級(jí)≤15m，第三級(jí)≥15m。

    按照上述分級(jí)，將表2的數(shù)據(jù)進(jìn)行分組整理，在預(yù)設(shè)顯著性水平α=0.05時(shí)，進(jìn)行方差分析，結(jié)果如表3所示。

    由表3的方差分析可知，所用分析模型的F檢驗(yàn)值為l8.690，相伴概率為0.003，因此所用的模型有統(tǒng)計(jì)學(xué)的意義。在顯著性水平α=0.05時(shí)，上、中、下面層動(dòng)穩(wěn)定度對(duì)車轍深度的影響是顯著的(Sig．ofF≤α)，其影響排序?yàn)椋褐忻鎸?/span>>下面層>上面層。可見，中面層的動(dòng)穩(wěn)定度對(duì)車轍深度的影響最為顯著。

　　3.2.2相關(guān)分析

    相關(guān)分析是另一種常用的研究變量問密切程度的統(tǒng)計(jì)方法，用相關(guān)系數(shù)R來表征變量之間的相關(guān)程度，|R|越接近1則兩者的相關(guān)程度越高。本文對(duì)車轍深度和各層動(dòng)穩(wěn)定度進(jìn)行相關(guān)分析，結(jié)果見表4。從表4可知，車轍深度與上、中、下面層動(dòng)穩(wěn)定度呈負(fù)相關(guān)，且中面層的相關(guān)程度最大，這與現(xiàn)場調(diào)查和理論分析結(jié)果是一致的。所以在路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和材料設(shè)計(jì)中，除上面層外還應(yīng)十分重視中面層設(shè)計(jì)，并且要切合實(shí)際地保證施工質(zhì)量。

表3各影響因素方差分析結(jié)果

　　3.2.3車轍深度回歸模型的建立

    根據(jù)上述的結(jié)論和數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，本文利用統(tǒng)計(jì)分析，得到式(8)所示的路面車轍與各層動(dòng)穩(wěn)定度的關(guān)系：RD= k1+k2(DSsurface)+k3ln(DSmiddle)+k4ln(DSbottom)(8)式中：k1、k2、k3、k4為回歸系數(shù)，見表5；RD為車轍深度，單位：mm；DSsurface 、DDSmiddle、和DSbottom分別為上、中和下面層的動(dòng)穩(wěn)定度，單位為次/mm。

    從表5可知，相關(guān)系數(shù)R值較大，說明式(8)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)吻合。且F觀測(cè)值為l0.919，相伴概率為0.003，大于顯著性水平α=0.05，故可以用來評(píng)價(jià)瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度對(duì)路面車轍影響。

表4車轍深度影響因素的相關(guān)分析

表5回歸系數(shù)

    瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范和瀝青路面施工規(guī)范都僅要求對(duì)用于高速公路和一級(jí)公路中的公稱最大粒徑等于或小于l9mm的瀝青混合料進(jìn)行動(dòng)穩(wěn)定度試驗(yàn)，而對(duì)公稱粒徑大于l9mm的混合料，如下面層所用的混合料則沒有提出任何要求。然而，實(shí)際調(diào)查證明：許多高速公路路面車轍發(fā)生不僅是源自上面層和中面層，下面層的殘余變形也是車轍的重要組成部  分。若在重載高溫區(qū)路段的上、中面層均采用改性瀝青混合料，其動(dòng)穩(wěn)定度均可取3000次/mm，容許車轍  深度取15mm，由式(8)反算得到下面層動(dòng)穩(wěn)定度為51次/mm。考慮到試驗(yàn)條件等因素的影響，取l.5的保證系數(shù)，可得到下面層動(dòng)穩(wěn)定度約為770次/mm。因此，一般交通路段，推薦上、中面層動(dòng)穩(wěn)定度取3000次/mm，推薦下面層取800次/mm；對(duì)于一些特殊路段，如長大縱坡、較大彎道超高、重載交通路段，推薦上、中面層動(dòng)穩(wěn)定度取3500次/mm，推薦下面層取1000次/mm。對(duì)于其他地區(qū)，我們認(rèn)為所要求的混合料動(dòng)穩(wěn)定度也應(yīng)相應(yīng)提高，只有這樣我國高速公路當(dāng)前產(chǎn)生的大量車轍問題才能得以逐步解決。

4、結(jié)論

    通過對(duì)重載交通高溫條件下瀝青路面結(jié)構(gòu)的應(yīng)力應(yīng)變分析、現(xiàn)場高速公路路面車轍調(diào)查和室內(nèi)試驗(yàn)研究，可以得出以下主要結(jié)論：

    (1)車轍調(diào)查分析發(fā)現(xiàn)車轍變形一般均由瀝青面層產(chǎn)生，且上、中、下層發(fā)生變形的程度各不相同；從斷面形狀和輪跡處各層的變形量分析可知，中面層變形最大即約占車轍總量的60％，上面層約為25％，下面層約為l5％，顯然這與中面層承受著高壓應(yīng)力和剪切應(yīng)力，而一般中面層的抗剪切能力不足有關(guān)。

    (2)隨著軸載的增加，路面各結(jié)構(gòu)層的最大剪應(yīng)力基本上按線性規(guī)律增大；在同樣的荷載作用下，路面溫度增加，瀝青路面各結(jié)構(gòu)層的最大剪應(yīng)力也隨之增大，而且溫度越高，增加越快；無論是考慮軸載影響還是溫度作用，中面層的剪應(yīng)力均比上面層或下面層大，說明在研究車轍問題時(shí)，除上面層的車轍問題必須引起足夠重視外，提高中面層的抗剪切能力也是至關(guān)緊要的，這與現(xiàn)場調(diào)查結(jié)論一致。

    (3)利用方差分析法和相關(guān)分析法對(duì)車轍試驗(yàn)的動(dòng)穩(wěn)定度結(jié)果進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)：中面層的動(dòng)穩(wěn)定度對(duì)車轍深度的影響最為顯著；中面層的相關(guān)程度最大，這與現(xiàn)場調(diào)查和理論分析結(jié)果是一致。所以在路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和材料設(shè)計(jì)中，除上面層外還需十分重視中面層設(shè)計(jì)，并且要確切地保證施工質(zhì)量。

　　(4)提出的車轍深度與各層動(dòng)穩(wěn)定度的回歸公式有良好的相關(guān)性，初步可以利用各層混合料的動(dòng)穩(wěn)定度對(duì)路面的車轍進(jìn)行預(yù)測(cè)，并據(jù)此提出了路面各結(jié)構(gòu)層瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度的控制建議值。

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(本文來源：陜西省土木建筑學(xué)會(huì)  文徑網(wǎng)絡(luò)：溫紅娟  劉紅娟  尹維維 編輯 文徑 審核)