沥青路面车辙形成机理研究

沥青路面车辙形成机理研究
摘要：沥青路面早期车辙损害严重影响着行车的舒适性和安全性，研究表明中面层为该损害出现的主要层位。

因此，本研究通过双矩形荷载作用下有限元力学计算，采用常温和高温条件，分析不同模量组合下沥青路面内力响应。

结果表明：剪切应变和压缩应变过大导致失稳型车辙和压密车辙的形成，而且合理的提高中面层模量将有效提高路面结构的性能。

关键词：沥青路面，车辙，有限元
The Research on Rutting Machanism of Asphalt Pavement
GAN Ruijiang
（Sunlightroad Co., Ltd. in Yunnan, Yunnan Kunming 650200 China）
Abstract: The early rutting damage of asphalt roads has a serious influence on driving comfortableness and safty; some reseaches show that the middle layer is the major rutting layer. So that through FEM mechanical calculation based on double Rectangular load, this reseach analyze the inner force respond of different modulus combination under normal temperature and high temperature. The results show that the big shear strain and compression strain contribute to the instable rutting and consolidated rutting, whatmore the improvement of modulus in middle layer will effectively enhance the anti-rutting performance.
Keywords: asphalt pavement; rutting; FEM
1 前言
在我国高等级半刚性沥青混凝土路面结构中，中面层是车辙病害产生的主要层位。

不同温度和荷载条件下，沥青呈现典型粘弹塑性材料特征。

当沥青路面处于持续高温条件下时，沥青材料将由弹性体向塑性体转变，这导致沥青混合料的剪切模量降低。

因此在外荷载不变的前提下，沥青混合料的应变量增大，抗变形能力极具下降。

这将使得沥青路面产生不可恢复残余变形，导致变形迅速累积从而产生车辙损害。

车辙的出现严重影响到行车的舒适性和安全性，维修养护则需要大量的资金。

有研究分析认为，其出现早期车辙的外因是夏季高温及重载交通渠化，除此客观原因外，如此严重早期车辙损害的内因还与路面设计方法、材料性能、施工工艺等有关。

目前路面结构设计过程中没有很好的重视温度对沥青混合料模量的影响，在夏季连续高温时，此时的混合料模量只相当于15℃时的五分之一，而且即便是以动稳定度或蠕变评价混合料高温性能，这也与实际路面结构设计方法脱节[1-5]。

本研究结合高等级公路设计时采用的理论计算，进行沥青混凝土路面车辙产生机理的分析[6-8]，到达分析车辙产生的内因和外因的目的。

2沥青路面车辙力学分析
本研究通过车辙产生的力学分析研究车辙产生的原因[9]。

2.1 基本模型的建立
沥青路面结构的ANSYS三维有限元模型，如图1所示。

此三维模型尺寸为深度方向取10m，沿路的前进方向取10m，路面宽则取10m，选用8结点3D单元（SOLID45）作为分析单元。

2.2 荷载施加方法
在荷载的施加方法上采取双矩形加载面代替双圆形加载面的方法，依据相关文献计算确定加载面布置如图4所示。

依据路面结构的受力特点以及路面荷载的作用形式,选择A点（轮隙中心）、B点（荷载作用面内边缘）、C点（荷载作用面中心）、D点（荷载作用面外边缘）等4个点进行分析[10]，如图2所示。

2.3 路面结构层内力分析
以水平应力（Sx）和竖直应力（Sy）为指标，提取出A、B、C、D各点的以上应力沿深度的变化情况，如图3~图4所示。

图3表明，无水平拉应力区为0~25cm深度范围，此时结构层处于三向受压状态；深度大于15cm后，四个参考点的水平应力（Sx）分布保持基本相似。

图4表明最大竖直压应力（Sy）出现在单个矩形荷载作用面中心C点处，压应力出现高值区为0~13cm深度范围，深度大于25cm后，四个参考点的竖直
应力（Sy）分布保持一致。

将C点的3个主应力绘制在图5中，可见在0~25cm深度范围内结构层受力状态为三向受压，S1和S2基本一致。

在5~15cm深度范围内，S3与S1和S2相差较大。

根据材料力学形状改变比能理论，等效应力按式1计算，绘制所得的等效应力如图6所示。

图6表明等效压应力的高值区在4~10cm深度范围内，最大值出现在6cm深度处。

3.4 中面层模量对车辙的影响分析
为分析常温季节时中面层模量对半刚性基层沥青路面车辙的影响（15℃时的材料模量）趋势，有限元计算时保持结构层中其它参数不变，仅赋予中面层800Mpa、2200 Mpa、2500 Mpa、3000 Mpa、3500Mpa等变换的弹性模量。

最终绘制变换中面层模量时应力和应变分布图，如图7~图9所示。

图9表明，中面层模量的增加导致中面层内竖向剪切应力稍有增加，然而值得一提的是相应位置的剪切应变却大幅度降低。

为分析高温季节时中面层模量变换对车辙的影响分析（45℃时的材料模量），进行计算分析时，保持基层参数不变，表面层模量和下面层模量分别取350Mpa、800 Mpa，赋予中面层的550 Mpa、700Mpa、850Mpa、1000Mpa四种变换的模量。

最终绘制高温季节路面结构应力和应变分布图，如图10~图12所示。

图10表明在高温季节（45℃时）与常温季节（15℃）条件下，B点的最大剪切应力仅降低18%，而图11表明两种温度下B点的最大剪切应变却增大了3.6倍，可以得知高温季节路面的失稳型车辙是由剪切应变过大引起的，而非由剪切应力过大造成的。

图12表明，在高温季节（45℃时）随着中面层模量的增加，B点剪切应力和应变的变化规律与常温季节一致。

综上所述，路面中面层模量增加后，结构层中剪应力和压应力变化不大，然而当模量提高一倍，其观测点的剪应变减少50%压应变减少近60%，因此提高中面层模量将有效抑制路面车辙的产生。

4 沥青路面车辙产生机理及影响因素
4.1 车辙产生机理
通过调研和力学分析，可以得到半刚性结构路面在车辆荷载作用下，等效压应力的高值区为4~10cm深度范围，剪应力高值区为3~8cm深度范围，这表明沥青路面中面层对车辙病害最敏感。

由于夏季高温时沥青以及由沥青与矿料组成的胶浆处于半流体状态，同时在中面层内高值压应力的作用下被挤进矿料间隙中，骨料被作用从而排列成具有一定骨架的结构，如果结构内压应力超过沥青混合料的抗压强度，路面则形成压密型车辙。

同样在高值剪切应力条件下，车轮荷载作用所引起的内部剪应力超过沥青路面中面层的抗剪强度，将导致该层位产生剪切变形积累，逐渐形成大变形，即产生了失稳型车辙。

力学计算结论表面提高中面层模量后，结构层内的最大剪应力和压应力变化幅度不大，而剪应变和压应变减少50%以上，因此中面层模量的合理提高将有效抑制路面车辙的产生，在夏季高温时意义更为明显。

4.2车辙产生的影响因素
沥青路面车辙病害的产生是材料、设计、施工、环境等综合因素共同作用的结果。

4.2.1材料
沥青混合料的高温稳定性主要由沥青胶结料的高温粘结性和矿料级配的嵌挤作用决定。

所以，各组分材料的物理力学特性将对沥青路面性能产生不同程度地影响。

诸如要求粗集料材质坚硬、多棱角、粗糙的表面纹理、颗粒接近立方体的特点，而细集料尽可能使用机制砂，根据当地的气候、交通量来确定沥青的品种。

4.2.2设计
配合比设计时应尽量使用嵌挤结构，混合料应满足骨架密实结构，如采用SMA混合料有助于抵抗车辙的产生，路线设计时尽可能减小纵坡、控制坡长。

4.2.3施工
施工过程中应严格控制施工变异性和施工质量，确保施工与设计结果相吻合尤，其是施工中胶结料、细集料用量的控制精度将影响路面的抗车辙性能。

4.2.4环境
环境因素包括气候和交通条件等。

气候包括气温、日风雨等，其中温度对车辙的产生最为显著。

交通条件包括荷载、行车速度、车流渠化等，特别是重载车和超载车将加速沥青路面的变形，导致车辙损害加剧。

5 小结
（1）对半刚性沥青路面结构而言，等效压应力的高值区为4~10cm深度范围，剪应力高值区为3~8cm深度范围，恰好是沥青路面结构中面层所在的位置。

因此，中面层是车辙现象产生的主要结构层，下面层次之；
（2）沥青路面结构中面层模量增加，其最大剪应力和压应力变化不大，然而随着模量提高一倍，相应结构层内剪应变减少50%压应变减少近60%，因此合理的提高中面层模量将有效抑制路面车辙的产生；
（3）根据温度的调查分析，我国北方地区高温季节气温能达到30～35℃，路面温度可达55℃以上，路面下2cm处温度一般比气温高15℃～20℃，而且路面下10cm处温度大部分时间处于30℃以上，因此持续高温是车辙产生的主要原因之一。

参考文献
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