沥青路面车辙病害形成机理及防控因素分析

邓兴伟

(重庆市垫江县公路事业管理中心,重庆 408300)

0 引 言

随着城镇化的推进,公路工程作为促进沿线经济发展的重要基础设施,其建设规模日益扩大。沥青路面具有噪音低、施工方便、养护简单等优势,在公路工程中取得了广泛应用。根据相关研究成果,90%以上的公路路面结构都是沥青混合料。沥青混合料是有基质沥青、集料等按一定比例配置而成的粘弹性材料,在高温环境和外界车辆荷载作用下,混合料容易出现车辙变形,影响行车安全性和舒适度,严重的可能造成巨大的经济损失和人员伤亡。鉴于此,国内外很多学者利用室内试验、数值模拟等手段研究了沥青路面车辙变形机理,但是仍未形成统一的理论来指导沥青路面的设计与施工。同时,技术人员在选择沥青路面车辙防治措施时,盲目套用其它项目图纸,使得方案适用性差[1]。因此,进一步研究沥青路面车辙形成机理、影响因素及防治措施具有重要的工程价值。

1 沥青路面车辙类型及形成机理

公路沥青路面在车辆荷载反复作用下,轮迹带会形成细微变形。经过数月或数年的叠加,轮迹带变形不断扩展,形成纵向凹痕。根据成因不同,可将沥青路面车辙划分为结构性、磨耗性、失稳性、压密型车辙四类。

1.1 沥青路面车辙类型

(1)结构性车辙

结构性车辙出现在沥青路面面层以下。当车辆荷载超过沥青路面各结构层强度时,会导致结构层产生永久变形,从而引起结构性车辙。从呈现形式来看,结构性车辙两侧没有明显的“隆起”现象,多以“下陷”的形式存在,且下陷宽度一般较大。

(2)磨耗性车辙

沥青路面在设计时,不同结构层的沥青混合料配合比不同、抗变形能力也不同。路面顶层与车辆和外界荷载直接接触,在此期间沥青路面会受到车轮磨损(不可避免的),并经过长时间的积累最终形成了磨耗性车辙。磨耗性车辙在我国公路中的出现较少,即便如此为了尽量减小沥青路面在运营期间的磨耗性损失,在确定沥青混合料配合比时也要尽量提高材料的抗磨耗性。此外,雨雪天气下,各种重载车辆为了防滑会捆绑防滑链,也会进一步加大沥青路面顶层材料的磨耗损失。

(3)失稳性车辙

结构性车辙和磨耗性车辙是以固态形式存在,而失稳性车辙则属于流动性车辙,主要取决于沥青混合料自身的特性。根据相关研究成果,沥青混合料在高温环境下容易软化,承载能力会随之下降。当沥青路面在车辆荷载作用下产生的剪切力>沥青混合料自身抗剪强度,车轮轮迹处就会产生变形,变形不断累积就会形成失稳性车辙。失稳性车辙的两侧会同时隆起,形成“W”型横截面[2]。

(4)压密性车辙

沥青路面在施工时,必须严格控制压实度。但是,在实际项目中,施工单位为了追求施工进度,采用快速压实或不完全压实的方法,使得沥青混合料的密实程度不够。在公路运营期间,沥青路面受到车辆荷载的作用空隙率慢慢降低。当路面空隙率值小于极限空隙值,路面便就会产生压密性车辙。大量工程实践表明,压密性车辙呈“下凹”,会严重影响行车舒适性。

1.2 沥青路面车辙形成机理

无论哪一种沥青路面车辙,其形成机理均可划分为压密、流动、剪切破坏三个过程,具体阐述如下[3]:(1)压密过程。沥青混合料沥青、矿料、空气等组成的多相物质,在通过机械设备碾压,形成具有一定间隙的骨架结构。通车后,路面会在车辆荷载作用下进一步压密;(2)流动过程。沥青路面经压密后,呈半固态,在高温环境及车辆荷载作用下,容易出现流动变形;(3)剪切破坏状态。沥青路面的流动变形不断累积,当累积当量轴次超过某一临界值,路面会剪切破坏,从而丧失承载能力。

2 沥青路面车辙影响因素分析

ABAQUS软件擅长求解边界条件复杂的问题及非线性分析,且无论是显式求解还是隐式求解,计算结果都能更好的满足实际情况。为了定量评价车辆荷载、温度等因素对沥青路面车辙的影响,拟利用有限元软件ABAQUS建立计算模型。

2.1 计算模型建立

(1)假设条件

对于实际的工程项目,沥青路面沿竖向和行车方向都是无限大的,利用ABAQUS软件建立无限大的模型是不可能的。因此,建模时做出以下假设:①沥青路面各结构层的材料是均匀、连续、各项同性的弹塑性材料;②作用在沥青路面上的荷载包括垂直和水平荷载,其中垂直荷载只考虑车辆动荷载;③沥青路面各结构层之间是连续的。

(2)路面结构

研究对象为某省道的沥青路面,其路面结构组合为4 cm细粒式沥青混凝土AC-13+6 cm中粒式沥青混凝土AC-20+8 cm粗粒式沥青混凝土AC-25+36 cm水泥稳定碎石+20 cm石灰土,不同结构层的密度分别为2 500 kg/m3、2 500 kg/m3、2 500 kg/m3、2 200 kg/m3、1 800 kg/m3;弹性模量分别为1 400 MPa、1 200 MPa、1 000 MPa、1 600 MPa、800 MPa,泊松比分别为0.35、0.35、0.3、0.3、0.25。

(3)沥青路面荷载

由《公路沥青路面设计规范》(JTG D50-2017)可知,公路沥青路面的标准轴载为100 kN,胎压0.7 MPa,单轴-双轮组合荷载。同时,沥青路面车辙受温度影响较大(温度越高,沥青路面越容易出现车辙),必须考虑其所处的温度场。在相同外界环境下,沥青路面各结构层的热容量、热传导率、太阳辐射吸收率等不同,路面内部不同深度处的温度也不同。这样公路沥青路面内部就会形成随深度变化的温度场,可用公式(1)表示[4]

(1)

式中:T为温度场, ℃;Z为路面结构内部某点距路表的距离,m;γ为路面材料重度,kg/m3;S为路面材料热容量;k为路面材料热传导率;t为太阳辐射时间,h。

(3)网格划分

有限元模型的网格尺寸和网格数量会直接影响计算结果的精度和计算速度。一般情况下,网格尺寸越小,计算结构约精确,但计算耗费时间长。反之,计算结果准确性难以保证。综合考虑计算效率和计算精确性,模型网格选用正六面体单位,将路面结构层范围内的网格进行加密处理,网格尺寸取0.5 m,土基范围内的网格2 m,共划分出986个网格,1 069个节点,如图1所示。

图1 沥青路面有限元模型网格划分

2.2 沥青路面车辙变形计算结果

(1)车辙变形随轴载的变化

公路沥青路面在车辆循环荷载作用下车辙变形会不断增加,为了探明变形规律,以车辆荷载左侧轮心为监测点,计算了不同轴载作用次数下车辙的变形规律,计算结果见表1[5]。

表1 车辙深度随轴载次数的变化规律

由表1计算结果可知:沥青路面车辙变形深度随轴载作用次数的增大而增大,当轴载作用次数从100增加至800 000,车辙变形深度分别增加了0.124 mm、0.41 mm、0.68 mm、0.93 mm、1.43 mm、1.22 mm。在轴载作用次数较少的条件下,路面车辙深度也很小,此时路面蠕变状态,路面变形可以恢复一部分。但随着轴载作用次数的增加,路面变形不断累积,且不可恢复,导致路面因出现车辙而破坏。

(2)温度对车辙的影响

温度对公路沥青路面的影响是不可忽略的,这是因为温度升高会使沥青混合料的劲度模量和抗变形能力降低,从而导致路面破坏。根据相关研究成果,沥青路面内部温度最高的位置在路表下2 cm。因此,以沥青路面路表以下2 cm的某点为研究对象,在轴载作用次数不变的条件下,计算了外界温度为20 ℃、40 ℃、60 ℃时的沥青路面变形。同时,利用origin软件中的线性函数拟合了温度与沥青路面车辙深度的关系,如图2所示。利用拟合函数,可用于预测不同温度下,沥青路面的车辙变形,为沥青路面设计提供依据。

图2 不同温度下沥青路面车辙

图2计算结果表明:在轴载作用次数相同的条件下,外界温度为20 ℃、40 ℃、60 ℃时,沥青路面车辙深度分别为3.85 mm、4.9 mm、5.89 mm。沥青路面车辙随温度的增加不断增加,且两者之间基本呈线性正相关关系。这说明外界温度每增加20 ℃,沥青路面车辙深度平均增加1.0 mm。

(3)胎压对车辙的影响

胎压与车辆荷载相协调,一般车辆荷载越大,胎压越高。在其它因素不变的条件下,本文利用ABAQUS软件计算了胎压为0.7 MPa、0.8 MPa、0.9 MPa、1.0 MPa、1.1 MPa、1.2 MPa时,沥青路面的最大车辙变形量,计算结果如图3所示。

图3 不同胎压下沥青路面车辙

由图3可知:随着胎压增大,沥青路面车辙变形深度不断增加,但增加速率并不固定。当胎压小于0.9 MPa,沥青路面车辙变化趋势不明显;当胎压超过0.9 MPa,沥青路面车辙呈骤增趋势。当胎压从0.7 MPa增加至1.2 MPa,沥青路面车辙分别增加了0.2 mm、0.3 mm、0.9 mm、1.0 mm、1.2 mm。因此,在公路正常运营期间,要严格控制公路上的重载车辆和超载车辆占比,以减小车辆荷载对沥青路面的破坏。

3 沥青路面车辙防控措施

(1)洒水降温

在夏季高温天气下,沥青路面容易出现车辙变形。因此,在可根据沥青路面在一天内的温度变化规律来洒水,降低温度对沥青路面车辙的影响。在一天24 h内,沥青路面结构一般是从早8点开始升温,在下午2∶00～2∶30左右路面温度达到最大值。同时,沥青路面结构层内大于55 ℃的高温集中在12∶00～16∶00。因此,建议公路管养人员在该时间内组织机械设备对沥青路面进行洒水降温[6]。

(2)设置爬坡车道

根据相关研究成果:在公路的长大上坡路段,路面车辙出现的可能性更大。这是因为车辆进入上坡路段后,会产生更大的荷载,损伤路面结构,降低路面承载力。鉴于此,公路在设计时要尽量避免长大上坡路段,可设置专用的爬坡车道,以降低车辆爬坡对沥青路面的损伤。

(3)提高沥青路面养护水平

沥青路面施工完成后进行合理的养护,能大幅提高路面结构的抗车辙能力和整体稳定性。提高沥青路面养护水平的方法体现在以下两方面:一要断优化养护工艺。在公路沥青路面养护时要强调预防性养护,不能等出现严重病害后再养护。同时,在沥青路面养护时要积极引入先进设备和技术,对传统养护工艺进行优化,从而建立更先进的沥青路面养护体系;二要强化标准化控制体系。长期形成的“重施工轻养护”理念,是沥青路面建设和运营期间最常见的问题,为车辙病害害的发生埋下了隐患,故要加强养护管理,重视沥青路面养护工作。

4 结 论

主要分析了公路沥青路面车辙的形成机理、影响因素及车辙防控措施,得到了以下几个方面结论:(1)沥青路面车辙包括结构性、磨耗性、失稳性、压密型车辙四类,其形成机理均可划分为压密、流动、剪切破坏三个过程;(2)轴载作用次数越多,沥青路面车辙变形越大。当轴载作用次数达到某一临界值,车辙变形不可恢复;(3)沥青路面车辙深度随外界温度和胎压的增加而增大,在公路运营时要控制超载和重载车辆;(4)为了有效防控沥青路面车辙,可采取洒水降温、设置爬坡车道、提高沥青路面养护水平等措施,研究成果可为公路沥青路面车辙控制提供理论指导。