山区长陡坡抗车辙沥青路面结构力学响应分析

谢 伯 川

(重庆特铺路面工程技术有限公司，重庆　400054)



山区长陡坡抗车辙沥青路面结构力学响应分析

谢 伯 川

(重庆特铺路面工程技术有限公司，重庆400054)

在分析路面车辙类型、影响因素及产生机理的基础上，分别对不同条件下路面的应力和变形进行了力学分析计算，计算结果表明，路面混合料抗剪应力偏低和永久变形较大是引起山区长陡坡路段抗车辙性不足的主要原因。

长陡坡，车辙，沥青路面，力学分析

1　概述

随着我国国民经济的发展，交通车辆的日益增加，加之大量货车的超载超限，沥青路面的车辙问题再次凸显[1]，尤其是在山区公路的长陡坡路段，这一现象尤为突出。车辙的出现，不仅影响了路面的结构性路用性能，而且凹凸不平的路面会极大降低功能性路用性能，给行车安全带来隐患。基于此，开展基于长陡坡路段抗车辙沥青路面的研究十分必要。

本文在分析路面车辙类型、影响因素、成因基础上，采用弯沉等效原则将多层体系换算成三层体系分析了沥青路面结构力学响应规律，其研究结果必将对山区长陡坡地段抗车辙型沥青混合料设计起到积极的借鉴作用。

2　路面车辙分析

2.1车辙类型

根据车辙形成原因的不同，可将其分为三大类：1)失稳型车辙；2)结构型车辙；3)磨耗型车辙。在我国路面的车辙基本都属于失稳型车辙。

2.2车辙影响因素[2]

车辙是荷载条件、环境因素与沥青混合料自身特性共同作用的结果。其中外部因素主要是交通条件、环境因素和施工控制等；内部因素与沥青混合料性质有关，主要包括沥青胶结料、矿质集料、混合料设计以及路面结构设计等方面。

2.3车辙形成机理

按照车辙的形成过程，主要分为三个阶段，如图1所示。

3　沥青面层应力分析

山区长陡纵坡高速公路山区车辙严重，为研究该地区车辆对

路面车辙的影响，需要开展长陡坡路段汽车行驶动力学分析，分析不同车辆行驶速度下对沥青面层受力及变形影响[3，4]。

3.1基本体系假设

假定面层沥青混凝土材料的抗压回弹模量E1=1 400 MPa；基层水泥稳定碎石抗压回弹模量E2=1 500 MPa；底基层级配碎石抗压回弹模量E3=250 MPa；土基回弹模量E0=40 MPa。计算车型采用高速公路上常见的40 t载重货车。40 t货车按五轴后轴为三联轴考虑，荷载圆取单圆当量直径0.302 m。轮胎接地压力分两种情况：额定载重40 t时p=0.7 MPa；超载50%载重60 t时p=0.95 MPa。按照弯沉等效原则将多层体系换算成三层体系[5]：

1)等效厚度计算。

h1=22 cm，H=H2+H3×(E3/E2)1/2.4。

h=h1=22 cm；H=36+18×(250/1 500)1/2.4=44.5 cm。

2)剪应力和主应力计算。

h/δ=22/10.65=2.066，H/δ=44.5/10.65=4.178。

E2/E1=1 500/1 400=1.071，E0/E2=40/1 500=0.027。

查三层体系表面最大剪应力系数诺模图(阻力系数f=0.3)和三层体系表面主应力系数诺模图(阻力系数f=0.3)，得到：

假定仅考虑“轮胎—路面”间摩擦力产生的水平力和重力水平分力，车辆上坡时轮胎对路面作用力系数f′=f+μ，其中，f为车辆行驶过程中与行驶速度对应的摩擦力系数，f=W/(mg·v)，W按质量分摊功率5.5 kW/t取值；μ为车辆重力沿坡道的水平分力系数，μ=sini≈i，i为纵坡坡度。

按三层体系剪应力和主应力计算方法：

剪应力计算：τm，f ′=τm(0.3)+1.3·(f ′-0.3)·p。

主应力计算：σ1,f ′=σ1(0.3)+0.46·(f ′-0.3)·p。

3.2不同条件下面层的剪应力计算

表1给出了车辆在不同行车速度、不同坡度和不同超载率下路面层产生的剪应力计算结果，从数据分析看：

1)随着行车速度降低和纵坡坡度的增加，面层剪应力逐渐增大，但无论何种纵坡坡度，在车速大于70 km/h时，应力变化速率明显趋缓。因此，可将70 km/h作为分析的临界车速。

2)对超载率0时，即使降低车速到30 km/h、纵坡坡度增加到4%，剪应力τ=0.159 MPa，尚未达到沥青混合料在40 ℃下混合料的容许剪应力(一般为0.25 MPa±0.02 MPa)，但是当速度降到10 km/h或者更低，此时即使0坡度的路面层间剪应力也能达到或超过混合料的极限剪应力。

3)对于超载率50%时，在速度高于30 km/h，即使坡度为4%，此时路面层间剪应力最大为0.216 MPa，但当速度降低到20 km/h、坡度大于1%或者速度10 km/h或更低，即使0坡度层间剪应力都将达到或超过混合料的极限剪应力。

3.3不同条件下面层的主应力计算

表2给出了不同条件下路面主应力计算结果，从表2数据发现：

1)路面主应力的变化趋势同剪应力变化趋势一致，也出现车速大于70 km/h时，应力变化速率明显趋缓。因此将70 km/h作为分析的临界车速是合理的。

2)主应力受外界条件影响变化较少，且对预防路面车辙有利，因此在考虑路面层间应力响应分析时主要关注剪应力的变化趋势。

表2　不同条件下路面主应力计算

4　外界条件下面层变形响应

在重复荷载作用下，沥青面层中产生弹性、塑性、粘性响应[6]。其中，弹性变形可以恢复，弹性响应对于路面的永久变形并无贡献；塑性变形部分将在荷载的反复作用下不断累积造成永久变形，可用蠕变模型[7]进行表征：

对上式积分，解得永久变形ε:

依据路面加速试验(APT)结果对沥青面层A取值0.84×10-5，m取值-0.5，n取值0.8，因此，上述蠕变模型可表达成如下形式：

ε=1.68×10-5σ0.8t0.5。

荷载作用时间t与车速、轮胎接地长度有关，40 t货车按五轴后轴为三联轴考虑，荷载圆取单圆当量直径0.302 m。轮胎接地压力分两种情况：额定载重40 t时p=0.7 MPa；超载50%载重60 t时p=0.95 MPa，则不同车速下荷载作用时间及永久变形如表3所示。考虑到我国高速公路货车运行速度不超过100 km/h，以100 km/h行车速度下的永久变形量为参照标准，其他行车速度下永久变形量相对增加量如图2所示。

表3　不同行驶速度作用时间及永久变形

行驶速度作用时间永久变形/mmkm/hm/ss0.7MPa0.95MPa10027.780.0111.32×10-61.68×10-69025.000.0121.39×10-61.77×10-68022.220.0141.47×10-61.88×10-67019.440.0161.57×10-62.01×10-66016.670.0181.70×10-62.17×10-65013.890.0221.86×10-62.38×10-64011.110.0272.08×10-62.66×10-6308.330.0362.40×10-63.07×10-6205.560.0542.94×10-63.76×10-6102.780.1094.16×10-65.32×10-6

从表3及图2计算结果可以看出，随着车速降低、荷载作用时间增加，永久变量有显著增加，当车速下降至70 km/h时的永久变形量相对100 km/h时增加20%左右，当速度降低到30 km/h时，路面产生的永久变形相对100 km/h时增加80%以上，考虑山区长陡坡路段尤其是超载车辆行驶速度低于30 km/h，可见预期对路面车辙产生的变形是不可恢复的，因此提高混合料动稳定度设计尤其必要。

5　结语

本文通过对长陡坡路段车辙产生类型及形成机理分析，分别对沥青面层在不同的外界条件下面层应力及变形进行了计算。基于我国山区路段货车超载严重，加之部分路段坡度较陡，行车速度较慢的现实，建议针对不同的山区路段沥青路面设计时，应保证在最不利状态下(考虑最低行车速度、最大坡度、超载率等情况)的混合料的层间剪应力和永久变形不得超过路面力学计算值，只有这样才能保障山区长陡坡路段的抗车辙性能，提高路面的耐久性。

[1]吴传海，赵顺根.广东地区交通轴载状况调查及其对路面车辙的影响分析[J].公路，2011(5)：1-7.

[2]吴浩，裴建中.长大纵坡路段沥青路面车辙规律及影响因素[J].长安大学学报(自然科学版)，2009，29(6)：28-31.

[3]聂忆华，张起森.高等级公路沥青路面剪应力分析与应用[J].中南大学学报(自然科学版)，2007，38(6)：1232-1238.

[4]姜迪，王晓帆.山区高速公路长大纵坡段沥青路面剪应力分布研究[J].公路交通科技(应用技术版)，2014(7)：49-51.

[5]邓学均.路基路面工程[M].北京：人民交通出版社，2006.

[6]李文芙.沥青路面永久变形的弹塑性分析[J].公路交通科技(应用技术版)，2014(12)：178-180.

[7]郭乃胜，赵颖华.纤维沥青混凝土的蠕变特性试验研究[J].中外公路，2007，27(2)：124-127.

Mechanical response analysis of anti-rutting asphalt pavement structure of long steep slope in mountainous area

Xie Bochuan

(Chongqing Special Engineering Technology Co., Ltd, Chongqing 400054, China)

Based on the analysis of the types of pavement ruts, the influencing factors and the mechanism, the stress and deformation of the pavement under different conditions are calculated by the mechanical analysis. According to the result: the deficiency of anti-rutting performance of long steep slope in mountainous area is mainly due to the low shear stress and the large permanent deformation of pavement mixture.

long steep slope, rutting, asphalt pavement, mechanics analysis

1009-6825(2016)25-0145-03

2016-06-24

谢伯川(1983- )，男，工程师

U416.217

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