温度及荷载对沥青路面车辙的影响分析

吴同山

（新疆塔城公路管理局塔城分局，新疆 塔城 834700）

0 引言

在沥青路面产生的各种病害中，车辙病害占有很大比例。车辙是指路面因重复行车或超重荷载产生的永久性压痕。这种压痕是沥青路面最普遍的一种损坏形式，也一直是道路工程人员研究的主要课题。车辙会导致路面积水，致使驾驶人员无法判断路面障碍的深度和宽度，从而对行车舒适性产生较大影响，也不利于人们安全出行。此外，车辙是沥青路面周期性评价以及维护、保养中的重要指标。沥青路面车辙深度和宽度的检测能为道路工程人员提供重要信息，可为路面的养护、维修和翻修的科学决策提供技术支持。

国内学者在沥青路面车辙病害方面已经开展了许多研究。苏凯、孙立军于2006年系统总结了目前国内外典型的车辙等效温度计算方法，提出了一种车辙等效温度计算的新思路，同时结合路面温度场建立预估模型进行验证分析，最终提出确定车辙等效温度的合理化建议[1]。敖星于2012年利用加速加载试验机，通过正交试验方法对比分析了不同荷载、温度与速度组合对沥青混合料抗车辙性能的影响程度，结论是温度和速度对沥青混合料的抗车辙性能的影响小于荷载的影响，导致车辙产生的最不利因素组合为低速、高温和重载[2]。

本文首先采用有限元计算方法计算出不同环境条件下的路面结构温度场；然后在此基础上结合行车荷载对路面车辙进行计算，探讨和分析不同温度条件和不同行车荷载作用下的车辙发展趋势和规律。

1 温度场及行车荷载计算理论

在路面结构确定的情况下，温度场的主要影响因素包括太阳辐射、路面有效辐射和热对流三方面。

1.1 太阳辐射

太阳辐射q（t）的日变化过程采用下列函数表示：

式中，q0为中午最大辐射，q0=131mQ；m=12/c；c为实际有效日照数；Q为太阳辐射量；ω为角频率， ω=2π/24； t表示时间。

1.2 路面有效辐射

沥青路面有效辐射的大小与诸多因素相关，如地面温度、气温、云星、空气的湿度及透明度等。地面有效辐射的边界条件如下式所示：

式中，qF为地面有效辐射；ε为路面发射率；σ表示黑体辐射系数；Ta表示大气温度；T1|z=0表示绝对零度值，为-273℃。

1.3 热对流

大气温度在太阳辐射的影响下呈现出周期性的变化特征，可采用两个正弦函数的线性组合来模拟气温的日变化过程，其公式为：

式中，Ta表示日平均气温；Ta=（Tmaxa+Tmina）/2；Ta表示大气温度；Tm表示日气温变化幅度，Tm=（）/2；t0为初相位，最大太阳辐射和最高气温出现的时间差加7；ω为角频率，ω=2ω/24。

根据温度场计算理论，进行沥青路面结构力学计算。本文选取7个荷载集度进行计算，以对比不同荷载对车辙的影响。

2 温度及荷载对车辙的有限元分析

2.1 路面结构及材料参数

为便于研究，本选取湖南省某公路沥青路面C段为研究对象，沥青路面C的结构及各层参数见表2-1。

表2 -1 沥青路面C的结构及各层参数

2.2 有限元模型计算

根据表2-1所示的路面结构及各层参数，可以对沥青路面C进行三维有限元分析。采用标准双圆荷载，分析范围在X、Y轴方向分别为2.5m。边界条件假设为各层间之间呈完全连续状态，前后两侧没有Y方向位移，左右两侧面没有X方向位移，底面没有Z方向位移。

将柔性基层和面层看成粘弹性材料，材料的本构模型采用Burgers模型。该模型是由Maxwell和Kelvin两个模型串联而成的四元件模型，对于沥青材料的粘弹力学性质能够有较真实地反映。Maxwell和Kelvin模型的应力相等，在应力σ作用下，均为σ，其应变分别为ε1和ε2，总应变为两者之和。根据上文可得其本构方程：

模型的蠕变柔量方程为：

利用Burgers模型对松弛性质的分析，可得松弛模量方程为：

采用Burgers模型可以定性地解释混合料永久变形发展情况，对沥青混合料的实际变形特征会有较好地反映。垫层和半刚性基层则被看成完全弹性体系，材料本构模型采用广义虎克定律，有：

式中，E为与弹性有关的常数；ε为应变；σ为应力。通过静态蠕变试验得到的蠕变曲线关系图以及大量数据来考虑温度在有限元中的计算。根据Burgers模型加载卸载过程中的蠕变关系方程，加载过程为：

利用最小二乘法原理进行编程分析计算，输入蠕变试验数据（应变ε及时间t），并根据已有资料取参考初值即可得到不同温度下材料的Burgers模型参数 （E1， η1， E2， η2）。

卸载过程为：

2.3 荷载的作用及分析

一天中的行车荷载并非均匀分布，不同时段的温度场也不相同，因此只有将某一时刻的路面温度场与当时的行车荷载相结合，才能比较准确地计算出车辙的发展趋势和效果（见表2－2）。

表2 －2 不同时段荷载的累积作用时间

2.4 模型计算结果分析

为体现温度变化对于车辙的影响，分别对在温度为20℃、30℃、40℃、50℃和60℃时的车辙试验进行研究，试验结果见表2-3。

表2 －3 各种温度及荷载条件下车辙计算结果

由表2-3可以得出以下结论：

a）保持荷载作用次数不变，随着温度的升高，车辙变形逐渐增大，但两者之间并不是单纯的线性关系，而是呈现出突变的非线性关系；保持温度不变，随着荷载作用次数增加，车辙变形增大，车辙的发展随着行车荷载作用的增大而呈线性增大趋势；

b）当温度超过50℃之后，车辙的发展速度要比20～50℃时更加明显，说明沥青路面在受到荷载作用次数增加和温度升高的双重作用之后，车辙变形越发明显，这是因为温度的升高使得材料抗变形能力下降，同时当温度逐渐升高时沥青混合料的粘性系数和弹性模量都会减小，从而导致车辙深度明显增大。

综上所述，车辙的总体变化趋势是随着行车荷载的增大而增大，因此，超载将大大缩短沥青路面的使用寿命，所以必须进行严格控制，以避免车辙病害的加速发展。此外，车辙在高温条件下随行车荷载的增长幅度要小于低温条件下的增长幅度，这是由于高温条件下车辙深度绝对值更大，因而超载作用在高温条件下的危害更大。

3 结语

本文对于湖南省某公路沥青路面车辙在环境温度及行车荷载影响下形变大小的分析，可以有效指导沥青路面施工中材料的运用。研究表明，应正确疏导沥青路面的车流量，严格限制超载情况发生；在高温季节应加强对沥青路面的实时监测，以有效减少车辙等路面病害的发生几率，从而延长路面的使用期限，保障路面行车的安全性和舒适性，为人们日常出行提供便利。

[1]苏凯，孙立军.车辙等效温度确定方法探讨[J].大连理工大学学报，2006，（s1）：162-167.

[2]李力科.高速公路沥青路面早期车辙现象的成因[J].民营科技， 2012， （2）： 204.

[3]关宏信，张起森，罗增杰.考虑温度梯度沥青路面面层全厚式车辙试验[J].土木工程学报，2011，（6）： 143-147.

[4]郑南翔，牛思胜，许新权.重载沥青路面车辙预估的温度-轴载-轴次模型[J].中国公路学报，2009，（3）：7-13.