高温条件下沥青路面车辙问题研究

张亚超, 籍晓蕾

(1.唐山森迪科技有限公司,唐山 063000；2.中国兵器工业北方勘察设计研究院有限公司,石家庄 050011)

高温条件下沥青路面车辙问题研究

张亚超1, 籍晓蕾2

(1.唐山森迪科技有限公司,唐山 063000；2.中国兵器工业北方
勘察设计研究院有限公司,石家庄 050011)

该文基于有限元软件，通过耦合气候温度和太阳辐射，使用连续变温方法分别计算车辙问题。通过研究发现沥青路面的车辙变形规律与温度场分布规律相近，主要是沥青路面与轮胎之间的剪切变形不断积累最终导致车辙的形成。

有限元； 沥青路面； 温度场； 车辙

沥青材料是我国公路常用材料，其稳定性依赖于其中温度变化材料，阳光辐射和气候条件对路面沥青的温度场分布起决定性影响。如果沥青路面在持续高温下、重载条件下容易发生车辙病害。车辙现象是沥青路面主要破坏形式，因此研究沥青路面结构在温度变化下由于车载产生的车辙现象，具有重大经济和社会效益。

1 国内外研究现状

国内外学者对沥青路面车辙现象进行了大量的实验研究，研究发现当路面结构不透水的情况下，5 mm的车辙就会对行车安全造成威胁[1]。车辙问题最早是由壳牌石油公司提出，它通过限制路基顶面的垂直位移来预防车辙现象的产生[2]。Hills和Van提出用路面材料的蠕变实验数据以及弹性理论来计算沥青路面结构的车辙[3]。Judycki进行常规力学实验以及改性沥青的蠕变实验提出了计算车辙问题的非线性粘弹性模型[4]。国内很多学者也对车辙现象进行研究，研究表明，沥青路面结构在不同的温度下会出现不同的损坏形式，如高温车辙，低温开裂等[5]。气温和太阳辐射是影响沥青路面结构温度场分布的主要因素，车辙现象主要出现在平均气温高于20 ℃的高温时段[6]。

2 温度场计算

2.1 太阳辐射

依据Barber、严作人等的研究成果[7]，太阳辐射q(t)的日变化过程见公式(1)。

(1)

式中,q0为太阳最大辐射；c为有效日照时数，h；ω为角频率，ω=2π/24，rad。

2.2 气温条件

气温的变化相对滞后于太阳辐射强度。最强的太阳辐射是中午12点左右，而最高的气温相对滞后2 h，大约出现在14点。一天之内从最低气温到最高气温然后再从最高气温到最低气温变化规律不一致。因此，只用一个正弦函数无法模拟这种复杂的变温过程。为此，为了更好地模拟真实气温变化，可用式(2)来模拟气温的日变化过程[8]。

(2)

气温与沥青路面热交换系数hc主要受到风速的影响，见式(3)。

hc=3.7vw+9.4

(3)

式中,hc为热交换系数，W/(m2·℃)；vw为平均风速，m/s。

2.3 路面有效辐射

影响路面有效辐射的大小的因素比较多，主要有地面温度、气温、云量、空气的湿度及透明度等。简化计算时，可以采用公式(4)来设置地面有效辐射的边界条件[9]。

(4)

该文取海南省某公路为工程背景，该地属热带气候，总体高温多雨，实测的温度见表1。

表1 某地区高温季节1 d 24 h代表性气温

2.4 温度场计算

沥青路面结构的热特性参数、基层和土基材料的弹性参数分别见表2和表3。

表2 热特性参数

表3 基层和土基材料的弹性参数

模型水平宽度为5 m，路面结构的深度方向见图1。模型单元采用8结点四边形热传导单元DC2D8单元，沥青路面结构模型见图2。

由前面的分析知道，气温和太阳辐射是影响沥青路面结构主要因素。为了研究气温和太阳辐射对沥青路面结构温度场的影响程度。下面进行对比数值计算，第一次计算时，只考虑气温与沥青路面结构之间的热交换；第二次计算时，既考虑气温与沥青路面结构之间的热交换也考虑太阳辐射与沥青路面结构之间的热交换。

只考虑气温与沥青路面结构之间的热交换，沥青路面结构中温度场最高值为19 ℃；既考虑气温与沥青路面结构之间的热交换也考虑太阳辐射与沥青路面结构之间的热交换，沥青路面结构中温度场最高值为46 ℃。对比上述结果可以发现，太阳辐射与沥青路面结构之间的热交换起到了主导的作用。

计算结果同时证明，高温天气条件下，路面的实际温度大于气温这一规律。在高温天气时段内，太阳的辐射强度变化不大，但是路面的实际温度随着路面材料的不同差别很大，这说明路面材料的热特性参数不同对路面结构的温度场有很大的影响。因此，在实际工程中，不仅需要关注气温、太阳辐射强度对路面结构温度的影响，还要关注路面材料的热特性参数。

3 沥青路面结构车辙计算

3.1 车辙计算方法

路面沥青材料温度敏感性很大，在进行路面车辙计算时，车辙总变形由蠕变变形和弹性变形组成，弹性变形在卸荷后会自动恢复。因此，最后的车辙变形主要是蠕变变形。

在ABAQUS软件分析中的具体实现方法见流程图3。

3.2 蠕变模型

在有限元软件ABAQUS中计算沥青路面车辙问题时，可以采用时间硬化的蠕变模型。路面材料的蠕变变形εcr与温度T、应力q以及时间t的函数为

εcr=f(T,q,t)

(5)

通过Bailey-Norton蠕变规律来计算蠕变变形。在外力保持不变情况下，时间硬化蠕变模型的公式为

εcr=C1qc2tc3

(6)

式中，q、t分别表示应力和时间；C1、C2和C3为与温度有关的参数，可以通过试验确定，一般C2≥0，C3≤1。

假设q不随时间t变化时，蠕变变形公式为

(7)

(8)

将式(8)带入式(7)，即

εcr=Aqntm

(9)

式(9)为ABAQUS中的时间硬化蠕变模型，A、n、m为模型参数。一般A，n>0；-1

3.3 轴载

在ABAQUS中轴载的计算公式见公式(10)。

(10)

式中，t为轴载作用总时间，s；N为轴载作用次数，次；P为轴重，kN；nw轮数，个；p为车辆接地压力，MPa；B为车轮接地宽度，cm；v为车速，km/h。

根据现场实测数据计算得到10万次轴载的作用时间为876 s。对于这10万次轴载作用时间，可以按照一天24 h内不同时段交通量所占比列进行计算，1 d 24 h不同时刻轴载的累计作用时间见表4。

表4 1 d 24 h不同时刻轴载的累积作用时间

3.4 车辙

计算得到10万次轴载作用后，沥青路面的车辙见图4。

由图4可知，沥青路面的车辙最大值为3.71 mm(图中路面车辙云图显示系数被放大100倍，便于观测到车辙的形状)，车辙位于车轮与路面的接触面上。在行车荷载的作用下，车辙形成的主要原因是车轮与路面之间产生了较大的剪应力引起的，随着路面剪切变形的不断积累，最终形成了车辙。

由温度场的分析可以知道，影响沥青路面车辙的主要原因有空气温度、太阳辐射、以及路面材料的热特性参数。在温度较高的地区修建公路，尽量选择热特性参数较小的材料。为了提高沥青混合料的抗车辙性能，建议采用骨架密实型沥青混合料结构，如SMA结构以及上下面层可以考虑用改性沥青。

4 结 语

该文采用ABAQUS时间硬化蠕变模型，对沥青混凝土路面温度场以及车辆荷载作用下的车辙现象进行分析，根据Gashua-yusufari公路工程实测的温度以及路面的交通量的统计数据，分析了影响沥青路面温度场分布以及路面车辙的形成机理问题。通过二次开发FILM和DFLUX两个子程序，分别实现了将当地的实际气温与沥青路面结构之间的热交换以及实现了当地太阳辐射与沥青路面结构之间的热交换。通过二次开发能更加真实地模拟高温季节沥青路面温度场问题以及里面车辙的形成机理。

a.从车辙形成的直接原因来谈，高温以及重载是直接的诱因。温度场分布与车辙大小的分布具有基本一致的规律性，说明正是由于路面材料在高温条件下产生了不可恢复的剪切变形才最终导致路面车辙的形成。

b.车辙的形成机理是在轮胎荷载的作用下，压应力作用下会产生压密性车辙，随着路面荷载的增大，由于轮胎与路面产生相互剪切应力，剪切应力积累到一定程度就会形成宏观的车辙现象。

c.沥青路面结构温度场分布主要受到气温、太阳辐射以及路面材料的热特性参数的影响，其中太阳辐射以及路面材料的热特性参数对温度场的分布影响要大于气温对温度场的影响，原因是在高温季节路面材料的热特性参数对路面温度场以及车辙的形成起到了至关重要的作用。

d.由沥青路面温度场的分布可以看出，温度高于25 ℃以上时，交通量较大的沥青路面需要注意采取路面降温措施或者施工时注意使用抗车辙的路面材料。

e.在高温条件的影响下，温度场的分布以及车辙的形成不是简单的线性变化，车辙的形成与材料的热特性参数有很大的关系。为了提高沥青混合料的抗车辙性能，建议采用骨架密实型沥青混合料结构，如SMA结构以及上下面层可以考虑用改性沥青。

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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.

张亚超(1987-),助理工程师.E-mail:zhangyachao0010@163.com