车辙深度对沥青路面结构性能影响性分析

刘 刚，陈磊磊，钱振东，陈道燮

(东南大学 智能运输系统研究中心，南京 211189)

在渠化交通的背景下，车辙病害成为沥青路面的主要破坏形式之一。车辙是在交通荷载的反复作用下，塑形变形逐渐累积，沥青路面出现凹陷而形成，如图1所示。与裂缝、水损坏相比，车辙的危害性最大，不仅直接威胁交通安全，而且危害路面结构的安全性[1-2]。此外，车辙损坏的维修也最为困难，因为车辙不仅发生在表面，也经常危及中下面层[3]。因此，车辙问题一直是沥青路面领域一个难以解决的工程难题。

图1 沥青路面凹陷的车辙

文献调研发现，目前对于车辙方面的研究主要集中在抗车辙材料的研发[4-5]、抗车辙路面结构的设计[6-7]和车辙预估模型[8-9]等，而对于车辙对路面结构性能影响的研究还停留在定性分析，缺乏对车辙对路面结构性能影响机理的定量揭示。进一步调研发现，车辙对路面结构性能的影响主要在于车-路耦合作用不同车辙深度下车辆对路面的作用[10-11]。一方面，车辙的产生使平整的路面出现了“凹槽”，车辆在在车辙区域及附近高速行驶时，车辆荷载对沥青路面作用会被放大形成冲击荷载，引起路面结构性能的衰减；另一方面，车辙的加深，减薄了路面结构层的厚度，降低了路面的整体结构强度，从而加剧了路面结构性能的衰减[12-13]。

因此本文将分析不同车辙深度下车辆冲击荷载、面层厚度减薄和路面结构性能的定量表征方式，通过力学模型和数值模拟等手段分别分析不同车辙深度下冲击荷载和面层厚度减薄对路面结构性能衰减的影响，揭示不同车辙深度对路面结构性能的影响机理，为车辙病害的防治提供理论基础。

1 冲击荷载对路面结构性能的影响分析

车辆行驶在有车辙的路面，当车辆行驶在车辙附近时，极有可能会“掉入”车辙的凹槽里，在车辆高速行驶短暂的时间内，放大了车轮荷载对路面的作用，从而加速了路面性能的衰减。本文首先采用冲击荷载理论模型得到冲击动荷因数Kd[14]，进而基于多层弹性层状体系理论和双圆垂直均布荷载模型，利用有限元数值模拟分析不同车辙深度下冲击荷载对沥青路面结构的力学作用。

1.1 冲击荷载模型的建立

车辆进入车辙凹槽的时间一般都很短暂，路面初始的不平度相对于车辙深度可忽略不计。考虑更不利情况，当车辆快速通过车辙时必然出现跳车现象，此时车轮对地面的冲击力将比正常行驶状况下的荷载大得多。因此可考虑在固定位置作用一个冲击力来模拟车辆跳车时车轮对地面的作用力，现把车辆简化为一个质量块m。以该模型从高度为h处下落来模拟跳车时车辆对沥青路面的荷载作用，自由落体的高度h为车辙深度，如图2所示。

图2 简化的冲击荷载模型

(1)冲击物的机械能

T+V=0+Q(h+Δd)

(1)

式中：T为冲击物的动能；V为冲击物的势能；Q为冲击物的质量；h为下落的高度；Δd为被冲击物的最大变形量。

(2)被冲击物的应变能

(2)

式中：Ud为被冲击物的应变能；Fd为冲击载荷。

(3)能量守恒

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

所以车轮对路面的冲击荷载系数

(10)

Fd=KdQ

(11)

式中：E为被冲击物的弹性模量；L为被冲击物的长度；A为被冲击物的截面积；Δst为重物Q作为静荷载作用在杆上时杆端的静位移；Kd为冲击荷载系数。

1.2 冲击荷载对路面作用的数值模拟

本文结合某高速公路路面结构和材料的特点以及JTG D50—2017《公路沥青路面设计规范》[15]中沥青路面设计的控制指标，针对不同车辙深度下路面结构对冲击荷载的力学响应进行敏感性分析。考虑到应重点关注路面整体强度、沥青抗车辙能力和防止基层开裂，通过有限元数值模拟分析车辆在不同车辙深度下冲击荷载对路表弯沉、沥青混合料层变形量、无机结合料稳定层层底拉应力的影响。

通过对该高速公路路面结构和材料进行调研发现，该路面结构采用我国常用的半刚性基层路面结构形式，如图3所示，得到沥青混合料面层、基层、底基层和土基材料的材料参数，如表1所示。确定以上所需参数后，基于路面结构弹性层状理论体系，采用有限元软件建立路面结构的二维模型，剖分的路面结构层的模型如图4所示，网格划分采用8结点二次平面应变减缩积分单元(CPE8R)，不同路面层之间分别计算不同车辙深度引起的冲击荷载作用下，路面结构力学响应。

图3 路面结构形式

表1 路面材料设计参数

图4 路面结构数值模拟模型

在车辙深度为0时，路面荷载为100 kN的标准轴载，可简化为双圆均布荷载，单独一个轮胎承受的荷载为25 kN。圆荷载半径为r(10.65 cm)，圆心距为3r(31.95 cm)。转换为平面问题后，施加的荷载为2r(21.3 cm)距离上的线荷载，接触长度不变，计算得到其值为117 371 N/m。进而基于冲击荷载模型分别计算不同车辙深度下的冲击荷载系数，得到不同车辙深度引起的冲击荷载，结果如表2所示。

表2 不同车辙深度下轮隙中心处的路面结构力学响应

1.3 冲击荷载对路面作用规律的分析

最终通过数值模拟计算结果提取得到不同车辙深度下轮隙中心处路面结构对冲击荷载的力学响应，见表2。

由表2可知，当跳起高度从0～5 mm，轮隙中心处路表弯沉、沥青层永久变形量和无机结合料底基层层底拉应力分别增加了266%，265%和266%；从5～10 mm，路表弯沉增加了97%，沥青层永久变形量和无机结合料底基层层底拉应力均增加了27%；10～15 mm，三者分别增加了76%，16%和16%。可见车辙深度较小时，主要是在0～10 mm内，车辙深度变化对路面结构冲击荷载响应的影响较大，冲击荷载效应对车辙深度变化的敏感性强，其中车辙深度在0～5 mm内的影响最大；车辙深度发展到10 mm之后，车辙深度变化对路面结构冲击荷载响应的影响逐渐变小，冲击荷载效应对车辙深度变化的敏感性减弱。因此，应控制早期车辙的发展，当车辙刚出现还未产生大的危害阶段，应及时采取罩面等预防性养护措施。

此外，为了探究路面不同区域对冲击荷载的力学响应，对路面结构在不同车辙深度冲击荷载作用下沥青层永久变形量和无机结合料底基层层底拉应力的横向分布也进行了提取，分别如图5和图6所示，其中横坐标x代表以双轮轴载间隙中心为原点的横向坐标值。

从图5和图6可以看出，随着车辙深度的增加，冲击效应逐渐增强，其中车辙深度在0～5 mm内，冲击荷载效应最为明显。此外，荷载作用局部范围内的变形量和层底拉应力比离荷载作用区域较远的值大很多，且随着离荷载作用面距离的增大而急剧减小。以跳起高度5 mm为例，接触面范围内最大变形量为1.66 mm，最大拉应力为1.28 MPa，而离接触面一定距离(如x=1.18 m处)的最大变形量为1.09 mm，最大拉应力仅为0.31 MPa。JTG D50—2017《公路沥青路面设计规范》中无机结合料稳定类材料的弯拉强度为1.5～2.0 MPa，而跳起高度为15 mm时，无机结合料底基层层底拉应力已经达到1.88 MPa，为避免无机结合料稳定层弯拉破坏，应及时对车辙深度的发展加以控制。

图5 不同车辙深度下的沥青层永久变形量

图6 不同车辙深度下的无机结合料底基层层底拉应力

2 面层减薄对路面结构性能的影响分析

对于我国常用的半刚性路面结构来说，其车辙主要发生在沥青混凝土面层。车辙的加深也就意味着面层的减薄，进而导致路面结构性能的衰减。本部分通过应用与JTG D50—2017《公路沥青路面设计规范》同步推出公路路面设计程序系统，计算不同车辙深度下，即减薄后的路面厚度下，沥青混凝土面层的永久变形量和无机结合料层的疲劳开裂寿命，从而得到不同车辙深度下路面结构性能的衰减规律。

基于1.2节中该高速公路路面材料和结构参数，以及JTG D50—2017《公路沥青路面设计规范》中路面设计指标的计算模型，获取沥青层永久变形量、基层无机结合料稳定层疲劳开裂寿命和底基层无机结合料稳定层疲劳开裂寿命。

为研究方便，首先将车辙深度分别为0，5 mm，10 mm，15 mm，20 mm，25 mm，(即面层减薄的厚度)按上、中、下面层的厚度按比例分配到各层上，从而得到不同车辙深度下各面层的厚度值，沥青混凝土面层以下各层厚度不变。然后通过编程计算得到发生不同深度的车辙后，沥青层永久变形量、基层无机结合料稳定层疲劳开裂寿命和底基层无机结合料稳定层疲劳开裂寿命，如表3所示。对计算结果处理分别得到沥青混合料层永久变形量、基层无机结合料稳定层疲劳开裂寿命和底基层无机结合料稳定层疲劳开裂寿命随车辙深度的变化曲线分别如图7～图9所示。

图9 无机结合料底基层疲劳开裂寿命随车辙深度的变化曲线

表3 不同车辙深度下的路面性能状况

图7 不同车辙深度下的沥青层永久变形量

由图7可以看出，当车辙深度由0增长到25 mm，沥青层永久变形的基本在15.0～15.5 mm。因此车辙深度增大带来的沥青面层减薄，对沥青层永久变形的影响不大。

由图8可以看出，当车辙深度由0增长到25 mm时，随着沥青层厚度的减薄，基层无机结合料稳定层疲劳开裂寿命有逐渐增大的趋势。因此车辙深度的增加对基层无机结合料稳定层的性能有一定益处。

图8 无机结合料基层疲劳开裂寿命随车辙深度的变化曲线

由图9可以看出，当车辙深度由0增长到10 mm时，随着沥青层厚度的减薄，底基层无机结合料稳定层疲劳开裂寿命逐渐下降，到车辙发展到10 mm之后，底基层无机结合料稳定层疲劳开裂寿命下降幅度较小。因此车辙深度的增加对底基层无机结合料稳定层结构的性能不利，应及时控制早期车辙的发展。

3 结 论

本文分析了不同车辙深度下车辆冲击效应、面层厚度减薄和路面结构性能的定量表征方式，通过力学模型和数值模拟等手段分别分析了不同车辙深度下冲击效应和面层厚度减薄对路面结构性能衰减的影响，明确不同车辙深度下车辆对路面结构性能的影响规律。得到的结论如下：当车辙深度较小时，主要是在0～10 mm内，车辙深度变化对路面结构冲击荷载响应的影响较大，冲击荷载效应对车辙深度变化的敏感性强，底基层无机结合料稳定层疲劳开裂寿命下降较快；其中车辙深度在0～5 mm内，冲击荷载效应最为明显，无机结合料基层层容易出现弯拉破坏，且荷载作用局部范围内的变形量和层底拉应力比离荷载作用区域较远的值大很多，随着离荷载作用面距离的增大而急剧减小。因此应控制沥青路面早期车辙的发展，及时采取罩面等预防性养护措施。从避免无机结合料基层层出现弯拉破坏，早期车辙养护深度宜控制在5 mm范围内；从底基层无机结合料稳定层结构的疲劳寿命维持的角度，早期车辙养护深度宜控制在10 mm范围内。