李朝炯

(陽新縣公路管理局，湖北 黃石 435000)

復(fù)合式路面車轍變形的影響因素分析

李朝炯

(陽新縣公路管理局，湖北 黃石 435000)

復(fù)合式路面的車轍變形問題已經(jīng)嚴(yán)重影響了公路服務(wù)功能。為了分析引起車轍變形的主要致害因素，采用層狀彈性理論體系軟件BIZAR3.0，計算了不同加鋪層厚度、交通荷載、混合料彈性模量、水平力系數(shù)和層間結(jié)合狀態(tài)下復(fù)合式路面結(jié)構(gòu)的力學(xué)響應(yīng)，分析不同因素對加鋪層結(jié)構(gòu)內(nèi)部剪應(yīng)力的影響，得到剪應(yīng)力隨深度分布規(guī)律及最大剪應(yīng)力出現(xiàn)的層位，這將為優(yōu)化結(jié)構(gòu)層位方案設(shè)計提供理論支持。

復(fù)合式路面；車轍變形；最大剪應(yīng)力

0 引言

據(jù)統(tǒng)計，瀝青混凝土路面的維修養(yǎng)護(hù)有80%要歸于車轍變性破壞。車轍變性破壞主要是由于道路混合材料被壓密和面層結(jié)構(gòu)受剪切變形所引起。面層結(jié)構(gòu)內(nèi)部的剪應(yīng)力對車轍的形成有至關(guān)重要的作用，而且隨著基層模量的增加，整個瀝青面層內(nèi)所承受的最大剪應(yīng)力增大[1]。車轍的存在使路面多處出現(xiàn)不平整，加強(qiáng)了車輛的動載效應(yīng)，使局部輪跡帶瀝青加鋪層厚度減薄，影響瀝青加鋪層，甚至影響路面結(jié)構(gòu)的整體強(qiáng)度，進(jìn)一步引起裂縫、坑槽等路面損壞，降低道路服務(wù)質(zhì)量和增加交通安全隱患，最終縮短路面結(jié)構(gòu)的使用壽命。

1 車轍形成機(jī)理

瀝青混凝土與水泥混凝土模量相差懸殊，在車輪荷載的沖擊下，薄瀝青混凝土罩面層易出現(xiàn)車轍、推移病害。瀝青混合料作為一種粘彈性材料，其力學(xué)性能與所承受的荷載及環(huán)境溫度密切相關(guān)。除此以外，造成車轍的誘因還與路面縱坡、渠化交通、路面結(jié)構(gòu)組合形式、原材料和混合料特性有關(guān)[2-5]。

1.1車轍類型

1)壓密型車轍。

壓密型車轍主要是因為施工中瀝青混合料未被充分壓實，而在后期道路運(yùn)營過程中受到交通荷載不斷壓密變形所造成的，表現(xiàn)為兩側(cè)無隆起的輪跡帶下凹。壓實是影響瀝青路面耐用性能的一個重要因素[6]，壓實不夠還會造成孔隙率變大，增大透水性，加大路面發(fā)生水損壞的概率。

2)失穩(wěn)型車轍。

失穩(wěn)型車轍是由于瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性不足和抗剪強(qiáng)度不夠，從而導(dǎo)致其內(nèi)部材料在高溫重載作用下發(fā)生剪切流動變形所造成的，往往發(fā)生在輪跡帶，兩側(cè)可見到明顯的隆起現(xiàn)象。高溫會使瀝青層上面層模量發(fā)生顯著降低，出現(xiàn)模量梯度，混合料回彈模量越低就越容易在車載作用下產(chǎn)生流動變形。

3)結(jié)構(gòu)型車轍。

結(jié)構(gòu)型車轍是在道路長期運(yùn)營過程中交通荷載的不斷重復(fù)作用下路面結(jié)構(gòu)整體產(chǎn)生永久變形而形成的，這種車轍主要發(fā)生在基層和路基中，形成的原因是因為基層和路基的強(qiáng)度不足。車轍寬度一般較大，兩側(cè)無隆起現(xiàn)象。

4)磨耗型車轍。

磨耗型車轍是由于瀝青混合料面層頂部的集料顆粒在車輪磨耗和環(huán)境條件綜合作用下逐漸脫落損失所形成的，尤其為防滑而使用了突釘輪胎和防滑鏈的汽車，更容易造成這種車轍。

1.2車轍形成過程

1)開始階段的壓密過程。

高溫下處于半流動狀態(tài)的瀝青混合料，其瀝青膠漿在碾壓過程中被擠壓進(jìn)礦料之間的空隙中，產(chǎn)生壓密變形。隨著車輛荷載的持續(xù)作用，瀝青路面這種壓密變形將不斷得到加強(qiáng)。

2)瀝青混合料的流動。

瀝青膠漿在往空隙處方向流動的過程中，瀝青混合料的骨架結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生結(jié)構(gòu)性失穩(wěn)，部分集料發(fā)生自由流動，促使路面輪胎接地壓力處出現(xiàn)壓縮變形。

3)礦質(zhì)骨料的重排及破壞。

瀝青混合料中的骨架結(jié)構(gòu)逐漸被破壞后，瀝青膠漿會在上部車輛荷載作用下沿礦料間的接觸面滑動，流向混合料相對自由的界面，致使礦質(zhì)骨架失穩(wěn)，從而形成車轍。瀝青膠漿材料越豐富，這一過程體現(xiàn)的越明顯。

2 加鋪層剪應(yīng)力的影響因素數(shù)值計算分析

以G106國道舊水泥混凝土路面加鋪瀝青混凝土層為整體結(jié)構(gòu)，假設(shè)道路各結(jié)構(gòu)層層間皆為完全連續(xù)狀態(tài)，通過層狀彈性理論體系軟件BIZAR3.0計算并記錄不同情況下加鋪層不同點位的剪應(yīng)力值來分析各因素對加鋪面層剪應(yīng)力的影響。計算點位設(shè)置如圖1所示(δ為接地半徑)，復(fù)合式路面典型結(jié)構(gòu)和參數(shù)見表1，其中，瀝青混合料彈性模量常溫下取值為1 300 MPa；正常行駛情況下，路面水平力系數(shù)f取0.2；緊急制動、轉(zhuǎn)彎及上坡時取水平力系數(shù)為0.5。

圖1 計算點位置

表1 復(fù)合式路面典型結(jié)構(gòu)和參數(shù)

2.1加鋪層厚度對剪應(yīng)力的影響

研究加鋪層厚度對剪應(yīng)力的影響時，取荷載為當(dāng)量雙圓標(biāo)準(zhǔn)荷載BZ-100 kN、接觸半徑為10.65 cm、接地壓力為0.7 MPa、瀝青混合料模量取為1 300 MPa、水平力系數(shù)為0.2。不同計算點位在面層厚度分別為10 cm、13 cm和16 cm時的剪應(yīng)力值折線圖如圖2所示。

(a) h=10 cm

(b) h=13 cm

(c) h=16 cm

1)瀝青路面表面層最大剪應(yīng)力0.245 3 MPa發(fā)生在-1.0δ位置(即荷載邊緣位置)，與1.0δ位置剪應(yīng)力0.244 0 MPa大小相當(dāng)，往0點位置(荷載中心點)靠近，剪應(yīng)力逐漸減小。瀝青路面層中和層底最大剪應(yīng)力發(fā)生在0點位置，往荷載邊緣方向剪應(yīng)力大小逐漸減小。

2)荷載邊緣-1.0δ和1.0δ位置剪應(yīng)力從面層開始往下逐漸降低，到接近層底時，突然增大，其他荷載范圍內(nèi)的點剪應(yīng)力都是隨深度先增大，到5～6 cm深處開始減小。

3)隨著面層厚度的增大，結(jié)構(gòu)層面層最大剪應(yīng)力有減小的趨勢，但是較為緩慢。同時最大剪應(yīng)力所在深度也略有增加，面層厚度為10 cm時，最大剪應(yīng)力值發(fā)生在0點位置5 cm深處;面層厚度為13 cm和16 cm時，則在0點位置6 cm深處。

2.2重交通軸載對剪應(yīng)力的影響

研究重載對剪應(yīng)力的影響時，瀝青混合料模量取為1 300 MPa、水平力系數(shù)為0.2、加鋪層厚度為10 cm。根據(jù)比利時方法A=0.008P+152(cm2)(P單位為N)，荷載為100 kN、160 kN和220 kN時對應(yīng)的接觸半徑分別為10.65 cm、12.26 cm和13.73 cm，接地壓力分別為0.7 MPa、0.847 MPa和0.929 MPa。不同計算點位在3種荷載作用下的剪應(yīng)力值折線圖如圖3所示。

1)荷載的增大對面層結(jié)構(gòu)層內(nèi)最大剪應(yīng)力的影響很大。160 kN時的最大剪應(yīng)力為0.319 1 MPa，相對100 kN時的0.271 5 MPa增大了18%；220 kN時的最大剪應(yīng)力為0.344 3 MPa，相對100 kN時增大了26%；同時，隨著荷載的增大，最大剪應(yīng)力發(fā)生的位置也發(fā)生了變化，由原來的0點5 cm深處變?yōu)?.5δ位置4 cm深處。

2)160 kN和220 kN時的瀝青層表面層最大剪應(yīng)力分別為0.295 0 MPa、0.323 5 MPa，相對100 kN時的0.244 0 MPa分別增加了21%，33%； 160 kN和220 kN時的瀝青層層底最大剪應(yīng)力分別為0.246 1 MPa、0.278 5 MPa，相對100 kN時的0.191 8 MPa分別增加了28%，45%。隨著荷載的增大，表面層和層底的最大剪應(yīng)力增幅大于面層結(jié)構(gòu)最大剪應(yīng)力的增幅，而且層底最大剪應(yīng)力增幅最大，其出現(xiàn)位置一直在圓荷載中心正下方。

3)軸載為100 kN 和160 kN時，1.5δ位置剪應(yīng)力都是隨深度先減小然后持續(xù)增大，而在軸載為220 kN時，從表面層開始，剪應(yīng)力就一直增大，說明圓荷載外側(cè)淺層在重載交通下力學(xué)作用效應(yīng)顯著增強(qiáng)。而在-1.5δ位置，由于2個輪載的疊加作用效應(yīng)，剪應(yīng)力隨深度變化較為復(fù)雜，軸載為100 kN 和160 kN時先減小，然后急劇增大，再緩慢下降，而軸載為220 kN時，剪應(yīng)力隨深度持續(xù)增大，到5 cm深度達(dá)到最大值轉(zhuǎn)而逐漸降低。

(a) P=100 kN

(b) P=160 kN

(c) P=220 kN

2.3混合料模量對剪應(yīng)力的影響

瀝青混合料的模量會隨著溫度的升高而降低，為研究瀝青混合料模量對剪應(yīng)力的影響，取荷載為當(dāng)量雙圓標(biāo)準(zhǔn)荷載BZ-100 kN、接觸半徑為10.65 cm、接地壓力為0.7 MPa、水平力系數(shù)為0.2。不同計算點位在混合料模量分別為800 MPa、1 300 MPa和1 800 MPa時的剪應(yīng)力值折線圖如圖4所示。

(c) E=1 800 MPa

1)瀝青混合料彈性模量為1 300 MPa時，面層結(jié)構(gòu)最大剪應(yīng)力為0.271 5 MPa；彈性模量為800 MPa時最大剪應(yīng)力為0.278 8 MPa，相對增加了約3%；彈性模量為1 800 MPa時最大剪應(yīng)力為0.264 6 MPa，相對減小了約3%。混合料彈性模量的改變對結(jié)構(gòu)層最大剪應(yīng)力值的影響很小。但是隨著溫度升高，彈性模量降低，混合料的抗剪強(qiáng)度減小較多，同時層內(nèi)最大剪應(yīng)力增大，這對結(jié)構(gòu)層受力極為不利。

2)彈性模量的改變對面層結(jié)構(gòu)剪應(yīng)力的分布沒有影響。彈性模量為800 MPa、1 300 MPa、1 800 MPa時，瀝青表面層的最大剪應(yīng)力分別為0.248 3 MPa、0.245 3 MPa 、0.242 8 MPa，隨著彈性模量增大，表面層剪應(yīng)力均勻遞減；彈性模量為800 MPa、1 300 MPa、1 800 MPa時對應(yīng)的層底最大剪應(yīng)力分別為0.198 2 MPa、0.191 8 MPa、0.185 9 MPa，也是隨彈性模量增大均勻遞減。但是，1.0δ位置和1.5δ位置層底剪應(yīng)力是隨著彈性模量增大而增大的，后者增幅更大，而且1.5δ位置不同深度的剪應(yīng)力都隨模量增大而增大。

3)根據(jù)胡克定律E=σ/ε，剪應(yīng)變與應(yīng)力趨于線性關(guān)系，其在面層結(jié)構(gòu)的分布特征與應(yīng)力的分布特征相似，而與彈性模量成反比，混合料彈性模量為800 MPa、1 300 MPa和1 800 MPa時的面層最大剪應(yīng)力大小相當(dāng)，其剪應(yīng)變變化很大，計算得到分別為0.435 6 mm、0.261 0 mm、0.183 8 mm，隨著模量的提高，剪應(yīng)變減小。 最大剪應(yīng)變發(fā)生在面層5 cm深處，有必要提升中面層的抗車轍變形能力。而且，隨著模量的增大，剪應(yīng)變隨深度的變化幅度逐漸減小，即表面層、中面層和層底之間最大剪應(yīng)變差距減小，因此，瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性(防止混合料在高溫下模量大幅降低)對路面工作性能至關(guān)重要。

2.4水平力系數(shù)對剪應(yīng)力的影響

研究水平力系數(shù)對剪應(yīng)力的影響時，取荷載為當(dāng)量雙圓標(biāo)準(zhǔn)荷載BZ-100 kN、接觸半徑為10.65 cm、接地壓力為0.7 MPa、加鋪層厚度為10 cm、瀝青混合料模量取為1 300 MPa，不同計算點位在水平力系數(shù)分別為0，0.2，0.5時的剪應(yīng)力折線圖如圖5所示。

1)水平力系數(shù)f=0，0.2，0.5時，面層結(jié)構(gòu)最大剪應(yīng)力分別為0.263 2 MPa、0.271 5 MPa和0.369 9 MPa，所處位置分別為0點位置下方6 cm深處、0點位置下方5 cm深處和0.5 δ位置1 cm深處。f=0.2時對應(yīng)的最大剪應(yīng)力相較于f=0時最大剪應(yīng)力增加了3%；f=0.5時對應(yīng)的最大剪應(yīng)力相較于f=0.2時最大剪應(yīng)力則增加了36%，說明隨著水平力系數(shù)的增大，對面層結(jié)構(gòu)最大剪應(yīng)力的影響急劇增大。而且根據(jù)最大剪應(yīng)力出現(xiàn)位置的變化說明水平力系數(shù)越大，瀝青表面層發(fā)生剪切破壞的概率增大。

2)水平力系數(shù)為0或0.2時，-0.5δ和0.5δ位置的剪應(yīng)力分布情況為隨深度先增大后減小，而當(dāng)水平力系數(shù)為0.5時，圓荷載范圍內(nèi)的剪應(yīng)力全部都是在表面層處達(dá)到最大值，深度往下逐漸降低，因此，在彎道和上坡路段等可能出現(xiàn)較大水平力系數(shù)時，需保證路表面的黏結(jié)抗剪強(qiáng)度，用改性瀝青加以處理。

3)層底最大剪應(yīng)力在水平力系數(shù)為0,0.2,0.5時分別為0.188 3 MPa、0.191 8 MPa和0.217 4 MPa，后者相對前者分別增加了2%和13%。而且3種不同水平系數(shù)下，層底最大剪應(yīng)力與面層結(jié)構(gòu)最大剪應(yīng)力的比值分別為0.72,0.71,0.59，說明水平力系數(shù)越大，面層結(jié)構(gòu)剪應(yīng)力值隨深度增加也減小得更快。

(a) f=0

(b) f=0.2

(c) f=0.5

2.5層間結(jié)合狀況對剪應(yīng)力的影響

層間結(jié)合狀況由層間摩擦參數(shù)α表示(α=0時表示完全連續(xù),α=1時表示完全光滑)，α值介于0～1之間，在BISAR3.0 中，以標(biāo)準(zhǔn)剪切彈簧柔度CS控制。

(1)

式(1)中:R為荷載半徑;E和v分別為粘結(jié)層上層材料的彈性模量和泊松比。

研究接觸狀態(tài)對剪應(yīng)力的影響時，取荷載為當(dāng)量雙圓標(biāo)準(zhǔn)荷載BZ-100 kN、接觸半徑為10.65 cm、接地壓力為0.7 MPa、加鋪層厚度為10 cm、瀝青混合料模量為1 300 MPa，取標(biāo)準(zhǔn)剪切彈簧柔度CS分別為0(完全連續(xù)，α=0)、10-10m3/N(部分連續(xù)，α=0.5)和10-7m3/N(完全光滑，α=1)。不同摩擦系數(shù)的計算點位剪應(yīng)力折線圖如圖6所示。

(a) α=0

(b) α=0.5

(c) α=1.0

1)α=0時，結(jié)構(gòu)層最大剪應(yīng)力為0.271 5 MPa(5 cm深處);α=0.5時，為0.296 3 MPa(7 cm深處);α=1時，為0.369 6 MPa(10 cm深處)。隨著層間結(jié)合狀況越差，結(jié)構(gòu)層最大剪應(yīng)力逐漸增大，而且作用范圍更深、更廣。α為0和0.5時，荷載中心位置剪應(yīng)力隨深度先增大后減小，峰值分別出現(xiàn)在5 cm和7 cm深處，而α為1時，其剪應(yīng)力則一直隨深度的增大而增大，到層底得到最大值。層間接觸不良，容易導(dǎo)致發(fā)生水平相對位移和剪切型反射裂縫。

2)3種層間接觸狀態(tài)下，表面層最大剪應(yīng)力都發(fā)生在-1.0δ位置(-1.0δ和1.0δ位置剪應(yīng)力最大值都發(fā)生在表面層)，分別為0.245 3 MPa、0.250 2 MPa和0.263 4 MPa，隨著接觸狀態(tài)越差表面層最大剪應(yīng)力越大。

3)α=0時，單圓荷載中心0點位置的剪應(yīng)力從9 cm到10 cm深度減小了0.030 MPa;同樣情況，α=0.5時減小了0.013 MPa，而α=1時則增加了0.004 MPa，說明層間結(jié)合狀況不良會使層底受力處于不利狀態(tài)，層間應(yīng)力的過渡性能降低。

3 結(jié)論

瀝青加鋪層結(jié)構(gòu)內(nèi)部的最大剪應(yīng)力及其分布特征主要與加鋪層厚度、車輛軸載大小、瀝青混合料模量、水平力系數(shù)和層間接觸狀態(tài)5個因素有關(guān),其中，軸載、水平力系數(shù)和層間接觸狀態(tài)對剪應(yīng)力的影響較大。

1)隨著面層厚度的增加，結(jié)構(gòu)層內(nèi)部最大剪應(yīng)力值緩慢減小，最大剪應(yīng)力所在深度也略有增加，同時表面層最大剪應(yīng)力略有增大，層底最大剪應(yīng)力明顯減小。

2)隨著車輛軸載的增大，結(jié)構(gòu)層內(nèi)部的剪應(yīng)力普遍明顯增大，表面層和層底的最大剪應(yīng)力增幅大于面層結(jié)構(gòu)內(nèi)部最大剪應(yīng)力的增幅。

3)隨著溫度升高，彈性模量降低，結(jié)構(gòu)層內(nèi)部圓荷載區(qū)域剪應(yīng)力普遍略有增大，同時瀝青混合料的抗剪強(qiáng)度隨著模量降低急劇減小，混合料模量的改變對面層結(jié)構(gòu)內(nèi)部的剪應(yīng)變影響很大，在同一荷載作用下，隨著混合料模量降低，剪應(yīng)變急劇增大，其分布特征與剪應(yīng)力相似，都是在5 cm深處達(dá)到峰值。

4)隨著水平力系數(shù)的增大，結(jié)構(gòu)層內(nèi)部的最大剪應(yīng)力增幅也逐漸變大，最大剪應(yīng)力所在深度也逐漸上移，對磨耗型車轍貢獻(xiàn)加大。

5)隨著層間結(jié)合狀況越差，結(jié)構(gòu)層最大剪應(yīng)力逐漸增大，而且作用范圍更深、更廣。最大剪應(yīng)力所在深度隨著層間接觸狀況變差逐漸下移。層間結(jié)合狀況不良會使層底受力處于不利狀態(tài)，層間應(yīng)力的過渡性能降低。

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(責(zé)任編輯吳鴻霞)

Influencing Factors Analysis of Rut Deformation on Composite Pavement

LiChaojiong

(Yangxin Highway Bureau,Huangshi Hubei 435000)

The problem of rut deformation in the composite pavement has greatly influenced highway service function.In order to analyze the major factors of causing rut deformation damage,the layered elasticity theory system software BIZAR3.0 was used to calculate the mechanical response of the composite pavement on different overlay thickness,traffic load,elastic modulus of the mixture,horizontal force coefficient and interbedded condition.The influence of different factors on the internal shear stress of the overlay structure was analyzed.The distribution of shear stress with depth and maximum shear stress on the horizon were obtained,which can provide theoretical support to optimize the scheme design of structure layers.

composite pavement;rut deformation;maximum shear stress

2017-06-16

李朝炯，高級工程師，本科，研究方向:道路工程。

10.3969/j.issn.2095-4565.2017.04.009

U416.1

：A

：2095-4565(2017)04-0045-06