车载动水压力对沥青路面破坏的影响

臧云霞

（保定市交通运输局 顺平县养路工区，河北 保定 072250）

引言

针对沥青路面水损害问题，国内外道路研究人员系统地研究了水损害的形成机理、影响因素、评价指标及控制预防措施等。高鹏永［1］建立了沥青路面物理模型，采用离散元方法模拟了不同桥面铺装结构的力学响应特性，探讨不同车速和车辆荷载对桥面铺装力学响应的影响。田晶晶等［2］提出了一种车辆静、动载荷分离的数据处理算法，以货车为研究对象，试验研究其在两种普通路面、三种加筋路面下的载荷特性，共分析了18 种不同工况，发现该处理方法具有较高的精度。曹卫锋和吕彭民［3］建立了路面的黏弹性和弹性有限元分析模型，比较了两种不同路面模型的动力响应规律，发现在相同车速和温度条件下，弹性本构关系计算的各动力响应指标值明显大于流变本构关系。

1 沥青路面结构模型

1.1 模型建立

保定市顺平县G234 国道沥青路面，考虑到该路面横向尺寸有限，深度和纵向构造均为无限大，结合以往经验确定模型尺寸，其中土基为砂质壤土226 cm，底基层为20 cm 级配碎石，基层为36 cm 水泥稳定碎石，面层采用4 cm AC-16，沥青路面层间的接触为完全连续，上边界水平和竖向均自由，骨架空隙中的水为液相，下边界和荷载位置为不透水条件。采用双线性孔压，整个模型共计1 238 个节点，1 120 个单元［4］。

1.2 荷载施加

车辆在路面行驶时存在时程，具有一定的时序性，路面表现为受压与回弹［5］。采用半正弦移动荷载模拟实际荷载，依据《公路沥青路面设计规范》（JTG D50—2017），分析时段为Ta，均布荷载定义为qmax［6-7］。假设任意时刻t 的车辆荷载等效为半正弦分布荷载［8］：

式中：T—荷载作用时间，s；a—当量圆半径，m；v—车辆行驶速度，m/s。

沥青混合料路面参数见表1［9］。

表1 沥青路面材料参数

2 结果与分析

2.1 垂直位移分析

车辆水动力路面结构垂直位移的时程曲线见图1。

图1 车载动水压路面结构的垂直位移的时程变化曲线

在无水条件下，t=0.032 s 时普通路面荷载最大，垂直位移最大值为0.254 mm；在饱水条件下，t=0.032 s 时，普通路面的荷载最大，垂直位移最大值为0.134 mm，与无水状态相比，位移略微减小。当荷载结束时（t=0.062 s），普通路面在无水状态下的垂直位移为零，而在饱和状态下的垂直位移为0.075 mm。当荷载最大时（t=0.021 s），排水路面的最大垂直位移为0.132 4 mm。研究发现，当有排水层的路面饱和时，或当普通路面饱和或无水时，路面模型的垂直位移值在最大荷载值处最大，模型层接合点的垂直位移值基本相同，表明水对沥青路面的垂直位移没有显著影响。

2.2 竖向应力分析

车载动水压路面结构的竖向应力的时程变化曲线，见图2。

图2 车载动水压路面结构的竖向应力的时程变化曲线

饱和状态下路面的垂直应力存在一定的滞后。在最大荷载条件下，无水路面的垂直应力最大，而饱和路面的垂直应力在荷载峰值后出现最大值，水的存在将对路面内的荷载传播产生很大影响。在无水条件下，普通路面基层-下面层竖向压应力为448 kPa，下面层-中面层竖向压应力为589 kPa，中面层-表面层竖向压应力为679 kPa。饱水条件下，基层-下面层竖向压应力为265 kPa，下面层-中面层竖向压应力为421 kPa，普通路面中面层-表面层竖向压力573 kPa。结果表明，水可以在一定程度上降低层间的竖向压应力。基层排水层首先达到最大值，中间面层表层最终达到最大值，排水路面同一位置的竖向应力大于普通路面，主要是因为排水层模量较低，成为路面中的“软夹层”，导致路面应力较差。

2.3 水平应力分析

车载动水压路面结构的水平应力时程变化曲线见图3。

图3 车载动水压路面结构的水平应力时程变化曲线

由图3 可以看出，当荷载达到最大值（t=0.032 s）时，饱和状态和无水状态下普通路面结构的水平应力分布基本相同。无水状态下的水平压应力和水平拉应力明显大于饱和状态下的水平压应力和水平拉应力。当荷载为零时（t=0.062 s），普通路面在无水状态下的水平应力接近于零，而饱和状态下的残余水平应力较大，为53 kPa。结果表明，水的存在使路面水平应力降低，但应力消散时间延长。对于排水路面结构，当荷载达到最大值（t=0.032 s）时，水平压应力和拉应力分别为213 kPa 和61 kPa；当荷载为零时（t=0.062 s），水平压应力比普通路面结构小38 kPa。

2.4 孔隙水压力分析

由图4 可以看出，在最大荷载条件下，普通路面的正、负孔隙水压力分别为354 kPa 和-152 kPa；排水路面的正、负孔隙水压力分别为203 kPa 和-145 kPa。当荷载为零时（t=0.062 s），普通路面的正、负孔隙水压力分别为78 kPa 和-358 kPa；排水层结构路面的正孔隙水压力为74 kPa，负孔隙水压力为-253 kPa。普通路面下面层存在明显的孔隙水压力集中，一旦释放，将严重影响路面材料的抗冲刷性能。当荷载为零时（t=0.062 s），普通路面的下面层和中面层出现负压区。

图4 动水压作用下孔隙水压力时程变化曲线

3 结语

（1）水对沥青路面的垂直位移没有显著影响。（2）水可以在一定程度上降低层间的竖向压应力，在饱水条件下排水路面的应力值也滞后。（3）饱和状态下各级普通路面结构交接处的水平应力最大值具有明显的滞后性，表明水的存在一定程度上有利于路面的水平应力。（4）在路面内部设置排水层后，下面层-中面层的孔隙水压力急剧降低。