复合式路面车辙变形的影响因素分析

李朝炯

(阳新县公路管理局，湖北 黄石 435000)

复合式路面车辙变形的影响因素分析

李朝炯

(阳新县公路管理局，湖北 黄石 435000)

复合式路面的车辙变形问题已经严重影响了公路服务功能。为了分析引起车辙变形的主要致害因素，采用层状弹性理论体系软件BIZAR3.0，计算了不同加铺层厚度、交通荷载、混合料弹性模量、水平力系数和层间结合状态下复合式路面结构的力学响应，分析不同因素对加铺层结构内部剪应力的影响，得到剪应力随深度分布规律及最大剪应力出现的层位，这将为优化结构层位方案设计提供理论支持。

复合式路面；车辙变形；最大剪应力

0 引言

据统计，沥青混凝土路面的维修养护有80%要归于车辙变性破坏。车辙变性破坏主要是由于道路混合材料被压密和面层结构受剪切变形所引起。面层结构内部的剪应力对车辙的形成有至关重要的作用，而且随着基层模量的增加，整个沥青面层内所承受的最大剪应力增大[1]。车辙的存在使路面多处出现不平整，加强了车辆的动载效应，使局部轮迹带沥青加铺层厚度减薄，影响沥青加铺层，甚至影响路面结构的整体强度，进一步引起裂缝、坑槽等路面损坏，降低道路服务质量和增加交通安全隐患，最终缩短路面结构的使用寿命。

1 车辙形成机理

沥青混凝土与水泥混凝土模量相差悬殊，在车轮荷载的冲击下，薄沥青混凝土罩面层易出现车辙、推移病害。沥青混合料作为一种粘弹性材料，其力学性能与所承受的荷载及环境温度密切相关。除此以外，造成车辙的诱因还与路面纵坡、渠化交通、路面结构组合形式、原材料和混合料特性有关[2-5]。

1.1车辙类型

1)压密型车辙。

压密型车辙主要是因为施工中沥青混合料未被充分压实，而在后期道路运营过程中受到交通荷载不断压密变形所造成的，表现为两侧无隆起的轮迹带下凹。压实是影响沥青路面耐用性能的一个重要因素[6]，压实不够还会造成孔隙率变大，增大透水性，加大路面发生水损坏的概率。

2)失稳型车辙。

失稳型车辙是由于沥青混合料的高温稳定性不足和抗剪强度不够，从而导致其内部材料在高温重载作用下发生剪切流动变形所造成的，往往发生在轮迹带，两侧可见到明显的隆起现象。高温会使沥青层上面层模量发生显著降低，出现模量梯度，混合料回弹模量越低就越容易在车载作用下产生流动变形。

3)结构型车辙。

结构型车辙是在道路长期运营过程中交通荷载的不断重复作用下路面结构整体产生永久变形而形成的，这种车辙主要发生在基层和路基中，形成的原因是因为基层和路基的强度不足。车辙宽度一般较大，两侧无隆起现象。

4)磨耗型车辙。

磨耗型车辙是由于沥青混合料面层顶部的集料颗粒在车轮磨耗和环境条件综合作用下逐渐脱落损失所形成的，尤其为防滑而使用了突钉轮胎和防滑链的汽车，更容易造成这种车辙。

1.2车辙形成过程

1)开始阶段的压密过程。

高温下处于半流动状态的沥青混合料，其沥青胶浆在碾压过程中被挤压进矿料之间的空隙中，产生压密变形。随着车辆荷载的持续作用，沥青路面这种压密变形将不断得到加强。

2)沥青混合料的流动。

沥青胶浆在往空隙处方向流动的过程中，沥青混合料的骨架结构会产生结构性失稳，部分集料发生自由流动，促使路面轮胎接地压力处出现压缩变形。

3)矿质骨料的重排及破坏。

沥青混合料中的骨架结构逐渐被破坏后，沥青胶浆会在上部车辆荷载作用下沿矿料间的接触面滑动，流向混合料相对自由的界面，致使矿质骨架失稳，从而形成车辙。沥青胶浆材料越丰富，这一过程体现的越明显。

2 加铺层剪应力的影响因素数值计算分析

以G106国道旧水泥混凝土路面加铺沥青混凝土层为整体结构，假设道路各结构层层间皆为完全连续状态，通过层状弹性理论体系软件BIZAR3.0计算并记录不同情况下加铺层不同点位的剪应力值来分析各因素对加铺面层剪应力的影响。计算点位设置如图1所示(δ为接地半径)，复合式路面典型结构和参数见表1，其中，沥青混合料弹性模量常温下取值为1 300 MPa；正常行驶情况下，路面水平力系数f取0.2；紧急制动、转弯及上坡时取水平力系数为0.5。

图1 计算点位置

表1 复合式路面典型结构和参数

2.1加铺层厚度对剪应力的影响

研究加铺层厚度对剪应力的影响时，取荷载为当量双圆标准荷载BZ-100 kN、接触半径为10.65 cm、接地压力为0.7 MPa、沥青混合料模量取为1 300 MPa、水平力系数为0.2。不同计算点位在面层厚度分别为10 cm、13 cm和16 cm时的剪应力值折线图如图2所示。

(a) h=10 cm

(b) h=13 cm

(c) h=16 cm

1)沥青路面表面层最大剪应力0.245 3 MPa发生在-1.0δ位置(即荷载边缘位置)，与1.0δ位置剪应力0.244 0 MPa大小相当，往0点位置(荷载中心点)靠近，剪应力逐渐减小。沥青路面层中和层底最大剪应力发生在0点位置，往荷载边缘方向剪应力大小逐渐减小。

2)荷载边缘-1.0δ和1.0δ位置剪应力从面层开始往下逐渐降低，到接近层底时，突然增大，其他荷载范围内的点剪应力都是随深度先增大，到5～6 cm深处开始减小。

3)随着面层厚度的增大，结构层面层最大剪应力有减小的趋势，但是较为缓慢。同时最大剪应力所在深度也略有增加，面层厚度为10 cm时，最大剪应力值发生在0点位置5 cm深处;面层厚度为13 cm和16 cm时，则在0点位置6 cm深处。

2.2重交通轴载对剪应力的影响

研究重载对剪应力的影响时，沥青混合料模量取为1 300 MPa、水平力系数为0.2、加铺层厚度为10 cm。根据比利时方法A=0.008P+152(cm2)(P单位为N)，荷载为100 kN、160 kN和220 kN时对应的接触半径分别为10.65 cm、12.26 cm和13.73 cm，接地压力分别为0.7 MPa、0.847 MPa和0.929 MPa。不同计算点位在3种荷载作用下的剪应力值折线图如图3所示。

1)荷载的增大对面层结构层内最大剪应力的影响很大。160 kN时的最大剪应力为0.319 1 MPa，相对100 kN时的0.271 5 MPa增大了18%；220 kN时的最大剪应力为0.344 3 MPa，相对100 kN时增大了26%；同时，随着荷载的增大，最大剪应力发生的位置也发生了变化，由原来的0点5 cm深处变为0.5δ位置4 cm深处。

2)160 kN和220 kN时的沥青层表面层最大剪应力分别为0.295 0 MPa、0.323 5 MPa，相对100 kN时的0.244 0 MPa分别增加了21%，33%； 160 kN和220 kN时的沥青层层底最大剪应力分别为0.246 1 MPa、0.278 5 MPa，相对100 kN时的0.191 8 MPa分别增加了28%，45%。随着荷载的增大，表面层和层底的最大剪应力增幅大于面层结构最大剪应力的增幅，而且层底最大剪应力增幅最大，其出现位置一直在圆荷载中心正下方。

3)轴载为100 kN 和160 kN时，1.5δ位置剪应力都是随深度先减小然后持续增大，而在轴载为220 kN时，从表面层开始，剪应力就一直增大，说明圆荷载外侧浅层在重载交通下力学作用效应显著增强。而在-1.5δ位置，由于2个轮载的叠加作用效应，剪应力随深度变化较为复杂，轴载为100 kN 和160 kN时先减小，然后急剧增大，再缓慢下降，而轴载为220 kN时，剪应力随深度持续增大，到5 cm深度达到最大值转而逐渐降低。

(a) P=100 kN

(b) P=160 kN

(c) P=220 kN

2.3混合料模量对剪应力的影响

沥青混合料的模量会随着温度的升高而降低，为研究沥青混合料模量对剪应力的影响，取荷载为当量双圆标准荷载BZ-100 kN、接触半径为10.65 cm、接地压力为0.7 MPa、水平力系数为0.2。不同计算点位在混合料模量分别为800 MPa、1 300 MPa和1 800 MPa时的剪应力值折线图如图4所示。

(c) E=1 800 MPa

1)沥青混合料弹性模量为1 300 MPa时，面层结构最大剪应力为0.271 5 MPa；弹性模量为800 MPa时最大剪应力为0.278 8 MPa，相对增加了约3%；弹性模量为1 800 MPa时最大剪应力为0.264 6 MPa，相对减小了约3%。混合料弹性模量的改变对结构层最大剪应力值的影响很小。但是随着温度升高，弹性模量降低，混合料的抗剪强度减小较多，同时层内最大剪应力增大，这对结构层受力极为不利。

2)弹性模量的改变对面层结构剪应力的分布没有影响。弹性模量为800 MPa、1 300 MPa、1 800 MPa时，沥青表面层的最大剪应力分别为0.248 3 MPa、0.245 3 MPa 、0.242 8 MPa，随着弹性模量增大，表面层剪应力均匀递减；弹性模量为800 MPa、1 300 MPa、1 800 MPa时对应的层底最大剪应力分别为0.198 2 MPa、0.191 8 MPa、0.185 9 MPa，也是随弹性模量增大均匀递减。但是，1.0δ位置和1.5δ位置层底剪应力是随着弹性模量增大而增大的，后者增幅更大，而且1.5δ位置不同深度的剪应力都随模量增大而增大。

3)根据胡克定律E=σ/ε，剪应变与应力趋于线性关系，其在面层结构的分布特征与应力的分布特征相似，而与弹性模量成反比，混合料弹性模量为800 MPa、1 300 MPa和1 800 MPa时的面层最大剪应力大小相当，其剪应变变化很大，计算得到分别为0.435 6 mm、0.261 0 mm、0.183 8 mm，随着模量的提高，剪应变减小。 最大剪应变发生在面层5 cm深处，有必要提升中面层的抗车辙变形能力。而且，随着模量的增大，剪应变随深度的变化幅度逐渐减小，即表面层、中面层和层底之间最大剪应变差距减小，因此，沥青混合料的高温稳定性(防止混合料在高温下模量大幅降低)对路面工作性能至关重要。

2.4水平力系数对剪应力的影响

研究水平力系数对剪应力的影响时，取荷载为当量双圆标准荷载BZ-100 kN、接触半径为10.65 cm、接地压力为0.7 MPa、加铺层厚度为10 cm、沥青混合料模量取为1 300 MPa，不同计算点位在水平力系数分别为0，0.2，0.5时的剪应力折线图如图5所示。

1)水平力系数f=0，0.2，0.5时，面层结构最大剪应力分别为0.263 2 MPa、0.271 5 MPa和0.369 9 MPa，所处位置分别为0点位置下方6 cm深处、0点位置下方5 cm深处和0.5 δ位置1 cm深处。f=0.2时对应的最大剪应力相较于f=0时最大剪应力增加了3%；f=0.5时对应的最大剪应力相较于f=0.2时最大剪应力则增加了36%，说明随着水平力系数的增大，对面层结构最大剪应力的影响急剧增大。而且根据最大剪应力出现位置的变化说明水平力系数越大，沥青表面层发生剪切破坏的概率增大。

2)水平力系数为0或0.2时，-0.5δ和0.5δ位置的剪应力分布情况为随深度先增大后减小，而当水平力系数为0.5时，圆荷载范围内的剪应力全部都是在表面层处达到最大值，深度往下逐渐降低，因此，在弯道和上坡路段等可能出现较大水平力系数时，需保证路表面的黏结抗剪强度，用改性沥青加以处理。

3)层底最大剪应力在水平力系数为0,0.2,0.5时分别为0.188 3 MPa、0.191 8 MPa和0.217 4 MPa，后者相对前者分别增加了2%和13%。而且3种不同水平系数下，层底最大剪应力与面层结构最大剪应力的比值分别为0.72,0.71,0.59，说明水平力系数越大，面层结构剪应力值随深度增加也减小得更快。

(a) f=0

(b) f=0.2

(c) f=0.5

2.5层间结合状况对剪应力的影响

层间结合状况由层间摩擦参数α表示(α=0时表示完全连续,α=1时表示完全光滑)，α值介于0～1之间，在BISAR3.0 中，以标准剪切弹簧柔度CS控制。

(1)

式(1)中:R为荷载半径;E和v分别为粘结层上层材料的弹性模量和泊松比。

研究接触状态对剪应力的影响时，取荷载为当量双圆标准荷载BZ-100 kN、接触半径为10.65 cm、接地压力为0.7 MPa、加铺层厚度为10 cm、沥青混合料模量为1 300 MPa，取标准剪切弹簧柔度CS分别为0(完全连续，α=0)、10-10m3/N(部分连续，α=0.5)和10-7m3/N(完全光滑，α=1)。不同摩擦系数的计算点位剪应力折线图如图6所示。

(a) α=0

(b) α=0.5

(c) α=1.0

1)α=0时，结构层最大剪应力为0.271 5 MPa(5 cm深处);α=0.5时，为0.296 3 MPa(7 cm深处);α=1时，为0.369 6 MPa(10 cm深处)。随着层间结合状况越差，结构层最大剪应力逐渐增大，而且作用范围更深、更广。α为0和0.5时，荷载中心位置剪应力随深度先增大后减小，峰值分别出现在5 cm和7 cm深处，而α为1时，其剪应力则一直随深度的增大而增大，到层底得到最大值。层间接触不良，容易导致发生水平相对位移和剪切型反射裂缝。

2)3种层间接触状态下，表面层最大剪应力都发生在-1.0δ位置(-1.0δ和1.0δ位置剪应力最大值都发生在表面层)，分别为0.245 3 MPa、0.250 2 MPa和0.263 4 MPa，随着接触状态越差表面层最大剪应力越大。

3)α=0时，单圆荷载中心0点位置的剪应力从9 cm到10 cm深度减小了0.030 MPa;同样情况，α=0.5时减小了0.013 MPa，而α=1时则增加了0.004 MPa，说明层间结合状况不良会使层底受力处于不利状态，层间应力的过渡性能降低。

3 结论

沥青加铺层结构内部的最大剪应力及其分布特征主要与加铺层厚度、车辆轴载大小、沥青混合料模量、水平力系数和层间接触状态5个因素有关,其中，轴载、水平力系数和层间接触状态对剪应力的影响较大。

1)随着面层厚度的增加，结构层内部最大剪应力值缓慢减小，最大剪应力所在深度也略有增加，同时表面层最大剪应力略有增大，层底最大剪应力明显减小。

2)随着车辆轴载的增大，结构层内部的剪应力普遍明显增大，表面层和层底的最大剪应力增幅大于面层结构内部最大剪应力的增幅。

3)随着温度升高，弹性模量降低，结构层内部圆荷载区域剪应力普遍略有增大，同时沥青混合料的抗剪强度随着模量降低急剧减小，混合料模量的改变对面层结构内部的剪应变影响很大，在同一荷载作用下，随着混合料模量降低，剪应变急剧增大，其分布特征与剪应力相似，都是在5 cm深处达到峰值。

4)随着水平力系数的增大，结构层内部的最大剪应力增幅也逐渐变大，最大剪应力所在深度也逐渐上移，对磨耗型车辙贡献加大。

5)随着层间结合状况越差，结构层最大剪应力逐渐增大，而且作用范围更深、更广。最大剪应力所在深度随着层间接触状况变差逐渐下移。层间结合状况不良会使层底受力处于不利状态，层间应力的过渡性能降低。

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(责任编辑吴鸿霞)

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，高级工程师，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