冷再生基层沥青路面的车辙层位分布特征

李 莉，李佳颖，金光来，冯雯雯

1. 江西赣粤高速公路股份有限公司，江西 南昌 330025 2. 江苏中路工程技术研究院有限公司，江苏 南京 211806

0 引 言

随着中国公路事业的不断发展，公路建设模式已逐步由“以新建为主”向“以养护为主”转变，而在公路养护过程中，沥青混凝土废料的处理成为迫切要解决的关键问题[1]。乳化沥青冷再生技术因具有节约资源、保护环境、施工方便等特点得到推广和运用[2]。

在冷再生技术的发展过程中，研究人员对其性能及应用展开了大量研究。哈尔滨工业大学董泽蛟等[3]分别对泡沫沥青和乳化沥青冷再生混合料的性能进行了研究，并对其路用性能进行评价；长安大学徐金枝[4]对泡沫沥青冷再生技术进行研究，并在实际工程中运用论证；湖南大学肖杰[5]主要对乳化沥青冷再生混合料进行了配合比设计和性能评价；朱树青[6]通过改变冷再生混合料的水泥和RAP掺量，来对冷再生混合料进行性能提升。综上所述，现有的研究大多集中于冷再生混合料设计、性能提升和评价方面，并且主要是通过改变沥青种类、外掺剂类型和掺量来实现。

目前对于冷再生路面的车辙研究，大多是通过室内车辙试验进行混合料性能评价，而对实际冷再生路面上车辙病害的分布特征的研究相对较少，并且主要依赖于室内沥青混合料的试验研究，不能真实反映路面车辙分布规律。室内针对沥青混合料的车辙分布研究常采用声发射法、电镜扫描法以及X射线CT扫描法等[8]，这些试验方法精度高，但是试验设备复杂，过程繁琐，尤其是无法与实际路面建立联系，应用性不强。

因此，为了研究冷再生沥青路面在实际使用过程中车辙的分布特征，并考虑到路面结构中不同层位的材料类型和性能均存在差异，本文基于取芯实测和理论模拟的思路，提出采用多数据统计和有限元数值模拟相结合的方法，以求真实准确地对实际路面结构不同层位的车辙分布进行研究。

本文以江西昌九高速的冷再生沥青路面为研究对象，首先现场取芯并对芯样进行实测统计，从而分析实际路面结构的车辙分布情况，然后建立连续变温条件下沥青路面车辙分析的有限元模型，模拟冷再生路面在实际温度条件下的车辙分布规律。并且进一步对冷再生路面与常规路面进行研究，分析2种路面结构的温度场和车辙变形的差异，最终得到冷再生沥青路面整体结构的车辙分布规律。

1 冷再生路面结构车辙实测分析

江西省昌九高速公路的路面结构形式如图1所示。

图1 昌九高速路面结构形式

为了了解昌九高速冷再生路面结构中车辙分布的真实情况，项目组选择了昌九高速下行方向的K637＋550断面、K611＋100断面以及上行方向的K672＋680断面、K689＋200断面，进行取芯，然后基于实际测量分析，明确路面结构中各层位的车辙分布，并计算各层车辙贡献率。具体计算步骤如下。

(1)计算路面各层基准厚度，基准厚度为两侧隆起处与路肩对应的层位厚度平均值。

总之，通过运用多元化教学方式、思维方法、教学手段，能够打破传统单一化知识传递的局限，让学生在因材施教的过程中得到个性培养。基于此，在教学改革的推动下，初中语文教师应将多元教学方法的探索作为教师教育教学实践的重点，不断创新，开展积极、有效的多元化教学，为学生多元化发展奠定基础。

(2)计算路面整体车辙深度，即各层基准厚度之和与凹陷处总厚度的差。

(3)计算各结构层车辙深度。即各层基准厚度与凹陷处对应的层位厚度之差。

(4)计算各层车辙贡献率。即各层产生的车辙深度占路面整体车辙深度的百分率。

由上述计算可以得到不同断面结构中各层的车辙贡献率，如表1所示。

表1 昌九高速芯样车辙贡献率计算结果

通过对不同断面的芯样进行实测分析可以得到，路面中面层车辙变形量最大，上面层、下面层也存在一定程度的变形。其中，沥青层自上而下各层的车辙贡献率分别为16%、49%、26%和8%，中面层的车辙贡献率较大，达到50%左右，这表明车辙主要发生层位为中面层，下面层的车辙贡献率较大，其次为上面层，而冷再生层的车辙贡献率最低。

2 冷再生沥青路面车辙演变规律的理论分析

为了进一步明确冷再生路面结构的车辙分布规律，基于理论模拟的方法，采用Abaqus有限元软件，建立连续变温条件下路面车辙的二维分析模型，模型宽度为3.75m，高为3 m，模型上部网格划分较密集，两边及下部则稍稀疏，且蠕变误差取5×10-4。

2.1 计算参数

2.1.1 热特性参数

路面结构各材料的热特性参数如表2所示，其中，面层混合料的热特性参数取为统一值，并且不考虑各热特性参数随温度的变化。

在路面材料热特性确定的情况下，路面结构的温度场由气象条件决定。为进行温度场分析，本文收集了南昌市高温季节一天24 h的代表性气温，如表3所示。

2.1.2 力学参数

对于沥青混合料，可以通过室内三轴蠕变试验和抗压回弹试验确定其蠕变模型和弹性参数，如表4所示。无机结合料的塑性变形相对较小，因此对于无机结合材料，可采用弹性模型参数，如表5所示。

2.1.3 荷载参数

本文采用二维模型来进行车辙分析，荷载为标准轴载，作用面积为21.3 cm2，因此轮胎接地压强为0.117MPa。此外，本文统计了南昌市高温季节一天24 h不同时段的累计轴载作用次数所占的比例，参考昌九高速的交通轴载作用情况，设置荷载作用次数为50万次，经过计算可以得到一天24 h各个时段累积作用时间，如表6所示。

表2 路面温度场分析热特性参数

表3 南昌高温季节1天24 h代表性温度

表4 沥青混合料弹性参数和蠕变参数

表5 沥青混合料弹性参数和蠕变参数

2.2 车辙计算结果分析

根据上述模型和参数对冷再生路面进行车辙分析，运算结果如图2、3所示。

由上述分析可知，路面车辙为最大凹陷处的位移，在作用50万次后冷再生路面车辙深度为6 mm，面层结构各层的变形自上而下分别为1.2、2.7、1.7、0.4 mm。经计算，可以得到每层的车辙变形占比为20%、44.8%、27.8%、7.4%，即中面层车辙占比最高，而冷再生层贡献率最低，这与实际路面结构中车辙层位分布情况较一致。

图2 车辙分析结果

图3 最大凹陷位置向下的位移变化

3 冷再生路面车辙与常规路面的差异性分析

为了进一步分析冷再生路面结构中车辙的分布特征，设置相同条件对常规半刚性基层沥青路面进行理论研究，并与冷再生基层沥青路面进行差异性分析。其中半刚性基层沥青路面的结构层厚度与冷再生沥青路面一致，仅是将冷再生层材料换成半刚性材料来进行研究，如图4所示。

表6 一天24 h不同时段轴载的累积作用次数所占比例和累积作用时间

图5 常规半刚性基层沥青路面结构形式

3.1 温度场分析

通过对冷再生路面和常规路面进行温度场分析，可以得到图5、6所示结果。

由上述分析可以得到：随着深度的增加，2种结构内部温度的变化总体较为一致，且相差不大；但是在下面层附近冷再生路面结构的温度较高，最高温度相较于半刚性基层沥青路面结构提高1 ℃，并且在12时~24时范围内，温度相对较高。

3.2 车辙结果分析

通过对冷再生路面和常规路面进行车辙分析，可以得到图7所示的结果。

图5 两种路面结构温度随深度的变化情况

图6 一天时间内两种路面结构下面层温度变化情况

图7 冷再生路面与半刚性路面结构层车辙

由图7可以分析得到，冷再生路面的整体车辙变形较大，为6mm，而半刚性沥青路面则为3.94mm，即冷再生路面的车辙变形相对常规路面增加52%。经计算，可以得到半刚性基层沥青路面结构每层的车辙变形占比为28.9%、48.7%、22.4%、0%，可知中面层为主要抗车辙变形层位。

此外，与常规结构相比，使用冷再生材料作为路面上基层时，冷再生层会分担一定的抗车辙功能，并且由于冷再生路面下面层附近的温度相对较高，因此中下面层的车辙变形占比也增大。

4 结语

(1)冷再生路面结构的实测分析表明，目前昌九高速实际路面结构中的车辙分布情况为：冷再生层车辙贡献率约为8%，比例最低；中面层最大，达到49%。

(2)冷再生路面结构理论模拟表明，其车辙分布情况与现场实测结果较一致，冷再生路面结构自上至下各层车辙所占比例分别为20%、44.8%、27.8%、7.6%，即车辙以中下面层为主，而冷再生层贡献率最低。

(3)冷再生路面与常规路面车辙存在差异：结构内部温度总体相差不大，但冷再生路面的下面层附近温度较高，温差最大达到1 ℃；而车辙分析结果表明，冷再生路面车辙变形较大，相对于普通路面增加52%，且中下面层车辙贡献占比增大。