沥青路面镶嵌橡胶块铺装结构破冰机理研究＊

肖庆一 刘美彤 王玉宝 李 伟 王 琼

（河北工业大学土木工程学院1） 河北省土木工程技术研究中心2） 天津 300401）

我国冬季月份公路交通安全形势严峻，绝大多数是由于与路面上积雪和薄冰导致路面摩擦系数减小而引起的［1］.传统的机械铲雪很难将路面冰雪全部清除，而化学溶血除冰方式又会造成环境污染和设施设备侵蚀.日本开发了一种利用物理方法抑制冻结／除冰的路面，将半径50mm、高度25mm 的五边形橡胶块嵌入沥青面层，利用橡胶块与沥青路面的弹性模量差实现冰层局部大变形、大应力而导致冰层破裂［2］.实用效果表明，镶嵌类铺装结构具有良好的破冰效果，但设计的缺陷造成了施工困难和使用过程中的耐久性欠佳.本文设计了一种新型镶嵌橡胶块铺装沥青路面结构，从冰层结构受力角度揭示了这种破冰／抑制冻结结构的除冰机理，并探讨了橡胶块的布局形式对破冰／抑冰效果的影响.

1 自应力除冰雪机理应用——破冰／抑制冻结铺装结构

自应力破冰／抑冰路面主要分为2种类型：粗糙型和变形型，以废橡胶颗粒沥青路面和镶嵌类铺装结构为代表.根据日本相关研究表明，变形型铺装路面除冰效果大大优于废橡胶颗粒沥青路面.本文设计一种新型破冰／抑制冻结铺装结构：预制直径为100mm、高度为40～50mm（略大于面层等厚）的圆柱形橡胶块；在已有的路面开孔，采用钻孔机打直径100mm 孔；清孔烘干，涂抹弹性胶黏剂；压入橡胶块，待胶黏剂强度形成后，将表面高出的橡胶块切除.

2 力学模型构建及工况

2.1 材料参数

2.1.1 材料的力学性能及其参数

路表冰层处于复杂的环境中，冰在不同的荷载作用速率及温度条件下表现出完全不同的力学特性.根据华北地区的气温特点，选取-5 ℃下高加载速率（60mm／min）下冰的抗弯强度，得到冰层材料力学参数见表1［3-4］.

表1 冰层材料力学参数

设定冰层厚度为1cm，根据相关文献研究，取冰的弹性模量为700 MPa［5-8］，泊松比0.25.设定沥青面层厚度为5cm，中国北方的冬季温度较低，取沥青弹性模量4 000 MPa，泊松比0.25，经过试验测定，橡胶块的弹性模量为10 MPa，泊松比为0.45.具体参数见表2.

表2 ANSYS模型参数

2.1.2 轮胎荷载及其简化模型

轮胎接地印痕接近于条形分布［9］，在进行有限元分析时将轮载简化为矩形，确定用于路面结构分析的轮胎接地面积及压力分布简化模型，为反映真实轮载作用下的响应规律，胎压确定为700kPa，轮载间距10cm，其具体尺寸见图1.

图1 轮胎均布荷载简化图

2.2 有限元计算模型及工况设计

根据轮载简化图对沥青路面镶嵌橡胶块铺装结构进行设计，结构横断面图见图2.

图2 结构横断面图

采用有限元分析软件ANSYS 建立实体模型，路面长度和宽度均取橡胶块间距的3倍，单节点类型采用八节点solid45单元［10-11］，将材料参数及尺寸输入ANSYS有限元分析软件中，在沥青路面底部实行x，y，z三向约束，再根据具体的计算模型适当划分网格.采用有限元法计算时，兼顾计算精度与模型建立的特点，最终采用三角网格划分实体模型.

考虑轮载的简化形式、橡胶块的形状尺寸以及施工技术的相关要求，根据轮载在铺装结构层上的作用位置进行工况设计.设计A，B 2种路面铺装方案.方案A，采用橡胶块正交排布的形式，沿行车方向，橡胶块中心间距等同于轮载纵向长度24cm，垂直行车方向上，橡胶块中心间距为28 cm.方案B，采用横向交错排布形式，具有增强行车方向上轮载与橡胶块接触概率的功效.具体排布形式（俯视图）见图3.

图3 工况示意图

3 结果分析

3.1 应力应变云图

脆性破坏理论认为在荷载作用下，材料内部任意一点应力、应变值超过其极限破坏强度时，材料就被认为发生破坏，故采用应力应变峰值进行结果分析.通过模型计算，得到冰层应力、应变云图，提取冰层的应力应变峰值，采用关键值分析法对冰层状态进行分析.工况A1的部分正视图云图见图4.

图4 工况A1应变云图

3.2 应力、应变分析

根据云图提取应力、应变的峰值，筛选出关键值（峰值应力／极限强度、峰值应变／极限应变）超过100%的工况，并绘制各工况的应力、应变对比图，见图5.

图5 各工况的应力、应变对比图

通过观察各工况的云图可以发现，正应力和剪切应力分别集中在冰层与橡胶块中心处和橡胶块与轮胎荷载接触的边缘部位；在橡胶块的中心区域，产生较大的压应力，在工况A1，A2，B1中，由于轮载、橡胶块、冰层接触得相当充分，部分峰值应力超过极限弯拉强度，冰层发生弯拉破坏.分析方案A 的应力云图发现，其正应力十分接近极限强度，将在轮载的反复作用下发生弯拉疲劳破坏.较冰层的应力破坏而言，冰层的应变破坏更容易发生.无论采用A 方案或者是B 方案，荷载与路面铺装相互作用产生的自应力均能导致冰层发生剪切应变破坏和拉应变破坏，峰值应变出现在与橡胶块边缘接触的冰层和橡胶块中心处的冰层，峰值应变远远高于极限强度，破冰效果显著.

通过对比各工况图可以发现，在方案B1中，冰层的应变破坏、弯拉破坏同时发生，对比峰值应变与极限应变的比值可以得到：方案B1 的破冰效果远远优于其他工况.由于方案B 采用横向交错排布形式，能够使冰层反复受到工况B1，B2的交替作用，车辆在直线行驶的过程中将不断受到工况B1的影响，弥补了工况B2 的不足.方案B的设计形式增加了冰层与橡胶块的接触程度和作用频率，因此更具有指导工程应用的价值.

4 结 论

1）根据轮载的布置形式和行车特点提出正交排布形式和横向交错排布形式的自应力铺装结构.

2）利用ANSYS软件构建力学模型，根据脆性破坏理论和疲劳破坏准则，通过关键值分析法得到轮载作用下冰层的破坏形式是弯拉破坏（包括强度和变形）.

3）影响沥青路面镶嵌橡胶块铺装结构破冰的主要因素是沥青与橡胶块的模量差值、轮载与橡胶块上冰层的接触面积以及轮载、冰层、橡胶块三者之间的作用频率.

4）结合工况的实际意义和理论计算结果得到交错式排布铺装结构有助于增强轮载与冰层、橡胶块的作用频率，沥青路面镶嵌橡胶块铺装结构能够实现自应力破冰.

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