分析气候条件对城市道路沥青路面车辙的影响

赵 进

重庆市忠县市政园林管理所，重庆 404300

车辙是一种沥青路面常见病害，对行车舒适性和安全性都有很大影响，而车辙是多项因素相结合产生的结果，其中气候条件最为重要，因此，为了有效防治车辙，需对这一因素造成的影响进行分析。

1 温度变化条件下车辙模拟

沥青路面长时间处在自然环境当中，因环境条件不断变化，面层处在十分复杂的环境中。与此同时，沥青混合料是热流变材料，其力学特性会受温度直接影响。因此，在车辙分析过程中，必须重视温度及其变化造成的影响。对此，应通过分析确定路面结构温度场，在与实际情况相符合的条件之下开展车辙分析，以明确车辙和气候之间的关系。

利用有限元的方法实施数值模拟，其实现过程为：（1）把1d等分成24个时间段，设不同时间段的温度保持不变，采用0.5h的固定时间增量步对温度场进行数值模拟，以此为温度变化条件下的车辙分析奠定良好基础；（2）把1d等分成24个蠕变分析步，设不同蠕变分析步保持恒定的温度场，然后将通过温度场分析获取的文件导入，对应参数为依据对温度变化条件下的车辙进行分析和模拟[1]。

2 温度场分析

2.1 基于不同气候条件的数值模拟

将沥青路面作为研究对象，结构组成为：上面层采用SMA-13，厚度为4cm；中面层采用AC-20，厚度为6cm；下面层采用AC-25，厚度为8cm；基层采用水泥稳定碎石，厚度为40cm；底基层采用二灰土，厚度为20cm。模型水平方向上的宽度确定为4m，底基层1m以上部分为有限元单元，以下为无限元单元，受车轮荷载持续作用的部分进行网格细化，由于路面结构及其所用荷载具有对称性，所以可取其1/2来分析。

在确定混合料自身热特性的基础上，温度场主要取决于气象条件。根据7d内测得的气象数据，对温度场实施分析。混合料主要热力学参数如表1所示。边界条件为：混合料和外界发生的热交换集中体现于上表面；水平方向上不考虑温度梯度，也不考虑由侧面边界等带来的影响；基层较深部位的温度基本不发生波动，将其视作温度恒定的边界。路表面对太阳辐射的实际吸收率确定为0.85；路表面和大气之间的发射率确定为0.90；以测得的日均风速为依据计算对流换热系数；结构底部边界温度确定为20℃。

表1 混合料主要热力学参数

2.2 结果和验证

结合热物理参数与各项边界条件进行模型的建立并开展数值模拟分析，可得出各气象条件中路面温度产生的变化。从结果中可知，实测值和计算值具有相同的温度值规律，误差不超过10%。可见，该数值方法完全可行，准确性高，可用于提供必要的温度数据[2]。

3 温度持续变化条件下的车辙计算和结果

3.1 计算模型和参数

在分析温度变化条件下的车辙时，首先要确保路面的温度场模型、车辙分析与计算模型有相同的网格及几何尺寸。因车辙是一种面层病害，基层及其以下的实际贡献较小，所以可使用Creep模型对混合料具有的蠕变特性进行分析描述，该模型的表征方式为：

当温度在20～60℃的范围内变化时，对混合料的蠕变性和抗压回弹特性进行分析实验，确定相应的参数。混合料泊松比和温度及其变化之间的关系为：（1）SMA-13混合料：当温度从20℃以10℃为间隔升高至60℃时，回归系数A从6.535×10-11变为1.465×10-5，回归系数m从0.936变为0.335，回归系数-0.591变为-0.501，弹性模量从871MPa变为525MPa，泊松比以0.05从0.25递增至0.45；（2）AC-20混合料：当温度从20℃以10℃为间隔升高至60℃时，回归系数A从4.581×10-11变为7.777×10-5，回归系数m从0.945变为0.385，回归系数n从-0.597变为-0.442，弹性模量从912MPa变为381MPa，泊松比以0.05从0.25递增至0.45；（3）AC-25混合料：当温度从20℃以10℃为间隔升高至60℃时，回归系数A从4.591×10-11变为3.754×10-5，回归系数m从0.921变为0.211，回归系数n从-0.582变为-0.420，弹性模量从10.32MPa变为392MPa，泊松比以0.05从0.25递增至0.45。由此可以看出，随着温度的增加3种混合料的回归系数A均呈递增趋势，回归系数m递减，回归系数n递增，弹性模量变小，泊松比均匀增加。

水泥稳定碎石的弹性模量与泊松比分别为1200MPa、0.20 ；二灰土的弹性模量与泊松比分别为300MPa、0.30 ；路基土的弹性模量与泊松比分别为60MPa、0.40。

车辆轮胎和路面之间的接触面是由矩形与半圆构成的，可将其等效成矩形。基于此，可对双圆荷载进行简化，得到双矩形荷载，其分布保持均匀，长、宽分别为19.2cm和18.6cm，轮胎之间的距离为31.4cm。因当前的重载交通情况十分严重，轴重一旦发生变化将使接触面积与压力都发生很大的变化。对此，遵循荷载作用时间持续累计这一基本原则对动态荷载进行简化，得到静态荷载，简化方式为：

式中：Tt—累计时间；T0—加载时间，是长度与平均车速之比；N—荷载的总作用次数。根据车辆轴载情况，将每日的轴载作用总数确定为6000次，车速取120km/h，由此采用公式（2）对各轴载条件下的总累计时间进行计算[3]。

3.2 结果与分析

借助温度变化条件下路面车辙的分析方法，对以上气象因素及轴载水平实施组合建模与分析（3×7），结果为：（1）1d气象条件下，3种轴载水平对应的轮胎压力分别为0.70、0.88、1.11MPa， 车 辙 深 度 分 别 为0.895×10-2、1.292×10-2、1.732×10-2mm；（2）2d气象条件下，3种轴载水平对应的轮胎压力分别为0.70、0.88、1.11MPa，车辙深度分别为0.628×10-2、0.907×10-2、1.215×10-2mm；（3）3d气象条件下，3种轴载水平对应的轮胎压力分别为0.70、0.88、1.11MPa，车辙深度分别为0.902×10-2、1.300×10-2、1.743×10-2mm ；（4）4d气 象 条 件下，3种轴载水平对应的轮胎压力分别为0.70、0.88、1.11MPa，车辙深度分别为1.003×10-2、1.449×10-2、1.942×10-2mm；（5）5d气象条件下，3种轴载水平对应的轮胎压力分别为0.70、0.88、1.11MPa， 车 辙 深 度 分 别 为0.836×10-2、1.205×10-2、1.615×10-2mm；（6）6d气象条件下，3种轴载水平对应的轮胎压力分别为0.70、0.88、1.11MPa，车辙深度分别为1.068×10-2、1.544×10-2、2.067×10-2mm；（7）7d气象条件下，3种轴载水平对应的轮胎压力分别为0.70、0.88、1.11MPa，车辙深度分别为0.855×10-2、1.235×10-2、1.655×10-2mm。

从中可以看出，随着轮胎压力不断增大，车辙量明显增加；午夜到清晨这一时间段无太阳辐射，结构散热，温度降低，车辙变化趋于平缓；太阳辐射逐步增强时，结构温度上升，车辙变化明显上升；随后，尽管太阳辐射会有所减弱，但结构内部依然上升，车辙变化进一步上升；如果太阳辐射消失，构件将开始散热，实际温度降低，车辙的变化将趋于平缓。

4 结语

综上所述，对沥青路面而言，车辙大多产生在高温季节，此时的温度保持在20℃以上，车辙变化曲线经分析呈现出S型，影响因素除温度外还包括轮胎压力、太阳辐射。以上分析及结果对车辙预估均有一定参考借鉴价值。