張亞超, 籍曉蕾

(1.唐山森迪科技有限公司,唐山 063000；2.中國兵器工業(yè)北方勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司,石家莊 050011)

高溫條件下瀝青路面車轍問題研究

張亞超1, 籍曉蕾2

(1.唐山森迪科技有限公司,唐山 063000；2.中國兵器工業(yè)北方
勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司,石家莊 050011)

該文基于有限元軟件，通過耦合氣候溫度和太陽輻射，使用連續(xù)變溫方法分別計(jì)算車轍問題。通過研究發(fā)現(xiàn)瀝青路面的車轍變形規(guī)律與溫度場分布規(guī)律相近，主要是瀝青路面與輪胎之間的剪切變形不斷積累最終導(dǎo)致車轍的形成。

有限元； 瀝青路面； 溫度場； 車轍

瀝青材料是我國公路常用材料，其穩(wěn)定性依賴于其中溫度變化材料，陽光輻射和氣候條件對路面瀝青的溫度場分布起決定性影響。如果瀝青路面在持續(xù)高溫下、重載條件下容易發(fā)生車轍病害。車轍現(xiàn)象是瀝青路面主要破壞形式，因此研究瀝青路面結(jié)構(gòu)在溫度變化下由于車載產(chǎn)生的車轍現(xiàn)象，具有重大經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

國內(nèi)外學(xué)者對瀝青路面車轍現(xiàn)象進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)研究，研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)路面結(jié)構(gòu)不透水的情況下，5 mm的車轍就會(huì)對行車安全造成威脅[1]。車轍問題最早是由殼牌石油公司提出，它通過限制路基頂面的垂直位移來預(yù)防車轍現(xiàn)象的產(chǎn)生[2]。Hills和Van提出用路面材料的蠕變實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)以及彈性理論來計(jì)算瀝青路面結(jié)構(gòu)的車轍[3]。Judycki進(jìn)行常規(guī)力學(xué)實(shí)驗(yàn)以及改性瀝青的蠕變實(shí)驗(yàn)提出了計(jì)算車轍問題的非線性粘彈性模型[4]。國內(nèi)很多學(xué)者也對車轍現(xiàn)象進(jìn)行研究，研究表明，瀝青路面結(jié)構(gòu)在不同的溫度下會(huì)出現(xiàn)不同的損壞形式，如高溫車轍，低溫開裂等[5]。氣溫和太陽輻射是影響瀝青路面結(jié)構(gòu)溫度場分布的主要因素，車轍現(xiàn)象主要出現(xiàn)在平均氣溫高于20 ℃的高溫時(shí)段[6]。

2 溫度場計(jì)算

2.1 太陽輻射

依據(jù)Barber、嚴(yán)作人等的研究成果[7]，太陽輻射q(t)的日變化過程見公式(1)。

(1)

式中,q0為太陽最大輻射；c為有效日照時(shí)數(shù)，h；ω為角頻率，ω=2π/24，rad。

2.2 氣溫條件

氣溫的變化相對滯后于太陽輻射強(qiáng)度。最強(qiáng)的太陽輻射是中午12點(diǎn)左右，而最高的氣溫相對滯后2 h，大約出現(xiàn)在14點(diǎn)。一天之內(nèi)從最低氣溫到最高氣溫然后再從最高氣溫到最低氣溫變化規(guī)律不一致。因此，只用一個(gè)正弦函數(shù)無法模擬這種復(fù)雜的變溫過程。為此，為了更好地模擬真實(shí)氣溫變化，可用式(2)來模擬氣溫的日變化過程[8]。

(2)

氣溫與瀝青路面熱交換系數(shù)hc主要受到風(fēng)速的影響，見式(3)。

hc=3.7vw+9.4

(3)

式中,hc為熱交換系數(shù)，W/(m2·℃)；vw為平均風(fēng)速，m/s。

2.3 路面有效輻射

影響路面有效輻射的大小的因素比較多，主要有地面溫度、氣溫、云量、空氣的濕度及透明度等。簡化計(jì)算時(shí)，可以采用公式(4)來設(shè)置地面有效輻射的邊界條件[9]。

(4)

該文取海南省某公路為工程背景，該地屬熱帶氣候，總體高溫多雨，實(shí)測的溫度見表1。

表1 某地區(qū)高溫季節(jié)1 d 24 h代表性氣溫

2.4 溫度場計(jì)算

瀝青路面結(jié)構(gòu)的熱特性參數(shù)、基層和土基材料的彈性參數(shù)分別見表2和表3。

表2 熱特性參數(shù)

表3 基層和土基材料的彈性參數(shù)

模型水平寬度為5 m，路面結(jié)構(gòu)的深度方向見圖1。模型單元采用8結(jié)點(diǎn)四邊形熱傳導(dǎo)單元DC2D8單元，瀝青路面結(jié)構(gòu)模型見圖2。

由前面的分析知道，氣溫和太陽輻射是影響瀝青路面結(jié)構(gòu)主要因素。為了研究氣溫和太陽輻射對瀝青路面結(jié)構(gòu)溫度場的影響程度。下面進(jìn)行對比數(shù)值計(jì)算，第一次計(jì)算時(shí)，只考慮氣溫與瀝青路面結(jié)構(gòu)之間的熱交換；第二次計(jì)算時(shí)，既考慮氣溫與瀝青路面結(jié)構(gòu)之間的熱交換也考慮太陽輻射與瀝青路面結(jié)構(gòu)之間的熱交換。

只考慮氣溫與瀝青路面結(jié)構(gòu)之間的熱交換，瀝青路面結(jié)構(gòu)中溫度場最高值為19 ℃；既考慮氣溫與瀝青路面結(jié)構(gòu)之間的熱交換也考慮太陽輻射與瀝青路面結(jié)構(gòu)之間的熱交換，瀝青路面結(jié)構(gòu)中溫度場最高值為46 ℃。對比上述結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，太陽輻射與瀝青路面結(jié)構(gòu)之間的熱交換起到了主導(dǎo)的作用。

計(jì)算結(jié)果同時(shí)證明，高溫天氣條件下，路面的實(shí)際溫度大于氣溫這一規(guī)律。在高溫天氣時(shí)段內(nèi)，太陽的輻射強(qiáng)度變化不大，但是路面的實(shí)際溫度隨著路面材料的不同差別很大，這說明路面材料的熱特性參數(shù)不同對路面結(jié)構(gòu)的溫度場有很大的影響。因此，在實(shí)際工程中，不僅需要關(guān)注氣溫、太陽輻射強(qiáng)度對路面結(jié)構(gòu)溫度的影響，還要關(guān)注路面材料的熱特性參數(shù)。

3 瀝青路面結(jié)構(gòu)車轍計(jì)算

3.1 車轍計(jì)算方法

路面瀝青材料溫度敏感性很大，在進(jìn)行路面車轍計(jì)算時(shí)，車轍總變形由蠕變變形和彈性變形組成，彈性變形在卸荷后會(huì)自動(dòng)恢復(fù)。因此，最后的車轍變形主要是蠕變變形。

在ABAQUS軟件分析中的具體實(shí)現(xiàn)方法見流程圖3。

3.2 蠕變模型

在有限元軟件ABAQUS中計(jì)算瀝青路面車轍問題時(shí)，可以采用時(shí)間硬化的蠕變模型。路面材料的蠕變變形εcr與溫度T、應(yīng)力q以及時(shí)間t的函數(shù)為

εcr=f(T,q,t)

(5)

通過Bailey-Norton蠕變規(guī)律來計(jì)算蠕變變形。在外力保持不變情況下，時(shí)間硬化蠕變模型的公式為

εcr=C1qc2tc3

(6)

式中，q、t分別表示應(yīng)力和時(shí)間；C1、C2和C3為與溫度有關(guān)的參數(shù)，可以通過試驗(yàn)確定，一般C2≥0，C3≤1。

假設(shè)q不隨時(shí)間t變化時(shí)，蠕變變形公式為

(7)

(8)

將式(8)帶入式(7)，即

εcr=Aqntm

(9)

式(9)為ABAQUS中的時(shí)間硬化蠕變模型，A、n、m為模型參數(shù)。一般A，n>0；-1

3.3 軸載

在ABAQUS中軸載的計(jì)算公式見公式(10)。

(10)

式中，t為軸載作用總時(shí)間，s；N為軸載作用次數(shù)，次；P為軸重，kN；nw輪數(shù)，個(gè)；p為車輛接地壓力，MPa；B為車輪接地寬度，cm；v為車速，km/h。

根據(jù)現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)計(jì)算得到10萬次軸載的作用時(shí)間為876 s。對于這10萬次軸載作用時(shí)間，可以按照一天24 h內(nèi)不同時(shí)段交通量所占比列進(jìn)行計(jì)算，1 d 24 h不同時(shí)刻軸載的累計(jì)作用時(shí)間見表4。

表4 1 d 24 h不同時(shí)刻軸載的累積作用時(shí)間

3.4 車轍

計(jì)算得到10萬次軸載作用后，瀝青路面的車轍見圖4。

由圖4可知，瀝青路面的車轍最大值為3.71 mm(圖中路面車轍云圖顯示系數(shù)被放大100倍，便于觀測到車轍的形狀)，車轍位于車輪與路面的接觸面上。在行車荷載的作用下，車轍形成的主要原因是車輪與路面之間產(chǎn)生了較大的剪應(yīng)力引起的，隨著路面剪切變形的不斷積累，最終形成了車轍。

由溫度場的分析可以知道，影響瀝青路面車轍的主要原因有空氣溫度、太陽輻射、以及路面材料的熱特性參數(shù)。在溫度較高的地區(qū)修建公路，盡量選擇熱特性參數(shù)較小的材料。為了提高瀝青混合料的抗車轍性能，建議采用骨架密實(shí)型瀝青混合料結(jié)構(gòu)，如SMA結(jié)構(gòu)以及上下面層可以考慮用改性瀝青。

4 結(jié) 語

該文采用ABAQUS時(shí)間硬化蠕變模型，對瀝青混凝土路面溫度場以及車輛荷載作用下的車轍現(xiàn)象進(jìn)行分析，根據(jù)Gashua-yusufari公路工程實(shí)測的溫度以及路面的交通量的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，分析了影響瀝青路面溫度場分布以及路面車轍的形成機(jī)理問題。通過二次開發(fā)FILM和DFLUX兩個(gè)子程序，分別實(shí)現(xiàn)了將當(dāng)?shù)氐膶?shí)際氣溫與瀝青路面結(jié)構(gòu)之間的熱交換以及實(shí)現(xiàn)了當(dāng)?shù)靥栞椛渑c瀝青路面結(jié)構(gòu)之間的熱交換。通過二次開發(fā)能更加真實(shí)地模擬高溫季節(jié)瀝青路面溫度場問題以及里面車轍的形成機(jī)理。

a.從車轍形成的直接原因來談，高溫以及重載是直接的誘因。溫度場分布與車轍大小的分布具有基本一致的規(guī)律性，說明正是由于路面材料在高溫條件下產(chǎn)生了不可恢復(fù)的剪切變形才最終導(dǎo)致路面車轍的形成。

b.車轍的形成機(jī)理是在輪胎荷載的作用下，壓應(yīng)力作用下會(huì)產(chǎn)生壓密性車轍，隨著路面荷載的增大，由于輪胎與路面產(chǎn)生相互剪切應(yīng)力，剪切應(yīng)力積累到一定程度就會(huì)形成宏觀的車轍現(xiàn)象。

c.瀝青路面結(jié)構(gòu)溫度場分布主要受到氣溫、太陽輻射以及路面材料的熱特性參數(shù)的影響，其中太陽輻射以及路面材料的熱特性參數(shù)對溫度場的分布影響要大于氣溫對溫度場的影響，原因是在高溫季節(jié)路面材料的熱特性參數(shù)對路面溫度場以及車轍的形成起到了至關(guān)重要的作用。

d.由瀝青路面溫度場的分布可以看出，溫度高于25 ℃以上時(shí)，交通量較大的瀝青路面需要注意采取路面降溫措施或者施工時(shí)注意使用抗車轍的路面材料。

e.在高溫條件的影響下，溫度場的分布以及車轍的形成不是簡單的線性變化，車轍的形成與材料的熱特性參數(shù)有很大的關(guān)系。為了提高瀝青混合料的抗車轍性能，建議采用骨架密實(shí)型瀝青混合料結(jié)構(gòu)，如SMA結(jié)構(gòu)以及上下面層可以考慮用改性瀝青。

[1] 彭妙娟,許志鴻.瀝青路面車轍預(yù)估方法[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào),2004,36(11):1-2.

[2] Doman G M.The Extension to Practice of a Fundamental Procedure for the Design of Flexible Pavements[A].Proceedings,First International Conference on the Structural Design of Asphalt Pavements[C].Ann Arbor:University of Michigan,1962:785-793.

[3] Cleassen A I M,Edwards J M,Uge P.Asphalt Pavement Design——The Shell Method[A].Proceedings,Fourth International Conference on the Strucural Design of Asphalt Pavement[C].Ann Arbor:University of Michigan,1977:39-74.

[4] Judychi J Non-linear Viscoelastic Behaviour of Convetional and Modified Asphaltic Concrete Under Creep[J].Materials and Structures,1992,25(8):95-101.

[5] 張爭奇,趙戰(zhàn)利,張衛(wèi)平.礦料級配對瀝青混合料低溫性能的影響[J].長安大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2005,25(2):1-5.

[6] 張久鵬,裴建中,王秉綱.連續(xù)變溫下瀝青路面車轍分析和高溫預(yù)警[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào),2011,52(2):1-2.

[7] 沈金安.高速公路瀝青路面早期損壞分析與防治對策[M].北京:人民交通出版社,2004.

[8] 高立波,王哲人,鄧昌寧,等.高速公路瀝青路面車轍的產(chǎn)生機(jī)理及主要影響因素分析[J].2008,24(1):69-70.

[9] 周 嵐,倪富健,趙巖荊,等.環(huán)境溫度及荷載對瀝青路面車轍發(fā)展的影響性分析[J].2011,28(3):45-47.

Research on Asphalt Pavement Rutting Problem in High Temperature Condition

ZHANG Ya-chao1,JI Xiao-lei2

(1.Tangshan Sed-Di Technology Co,Ltd，Tangshan 063000，China；2. China North Industries Norengeo Co,Ltd，Shijiazhuang 050011，China)

Based on the finite element software，using the method of continuous variable temperature，this paper made the study for the wheel rutting problem by temperature distribution and solar radiation on the asphalt pavement.The study found that the asphalt pavement surface rutting deformation circule was followed with the temperature field distribution，mainly of hear deformation accumulation between asphalt pavement and the tire made the final results in the formation of the rutting.

finite element; asphalt pavement; temperature field; rutting

10.3963/j.issn.1674-6066.2015.01.006

2014-12-13.

張亞超(1987-),助理工程師.E-mail:zhangyachao0010@163.com