温度和荷载对沥青铺装层车辙形成的影响

王海玲

（通辽市交通工程局，通辽028000）

沥青铺装层是由沥青混合料铺筑而成的层状结构，是一种具有明显感温性和流变特性的典型粘弹塑性材料［1］。在沥青铺装层的所有损害类型当中，与开裂、泛油、水损害等其他路面病害相比，车辙的危害性更大。车辙也是我国公路沥青路面现阶段遇到的问题中最突出，危害最大的损坏类型之一。车辙极大地影响了道路的使用寿命和行车安全性［2，3］，主要表现在：车辙会降低路面的平整度，并使轮胎与路面接触部位的沥青层变薄，使路面结构的整体强度降低，并诱发其它路面病害，影响行车稳定性，容易引发交通事故［4］。车辙主要是由荷载在高温环境下持续作用形成的［5］，因此有必要通过不同温度和不同荷载作用下沥青铺装层的应力分布情况研究车辙形成过程，并分析沥青路面各面层材料的受力情况，揭示各面层的具体受力形态。

1 实 验

材料参数见表1。根据工程实际选取五层结构作为路面结构，采用ABAQUS使用3m×3m的2D模型对路面结构层进行力学分析。有限元分析过程中假设沥青面层材料为弹性材料，实验温度分别为20℃、40℃和60℃，实验荷载选用等效矩形荷载如图1所示，实验荷载分别为0.7MPa、0.9MPa和1.1MPa。

表1 路面结构层弹性参数取值

2 结果与讨论

如图2所示，采用各向同性弹性材料假设时，沥青上面层荷载区域会出现应力集中现象，荷载部分区域会出现应力峰值，即此区域为应力集中最为严重的区域（凹形，压应力集中），而荷载外部基本上都会是拉应力作用区域。在各向同性弹性材料假设模拟过程中，水稳基层和土基接触区域拉应力明显，会造成凸形车辙。车辙产生的区域为面层0～12cm深度范围内［1］。按照实验假设，车辙主要出现在路面结构层的上面层，中面层也会有一小部分。路面面层结构内部最大剪应力沿道路深度方向均由压应力变为剪应力直至消失，即都表现为先增大后减小，长安大学的研究成果也证实了这一点［1］。

基于以上实验事实，分析20℃、40℃和60℃时上面层沥青混合料的应力分布。研究表明：20℃时的上面层应力明显小于40℃和60℃，40℃和60℃应力分布相差不大且荷载作用区域为应力峰值区域，两荷载作用中间区域应力稍小，与荷载作用区应力形成凹陷形状（如图3（a）括弧区域）。横向应力分布呈W字母形状，这也很好的验证了道路车辙大多数呈W字母状。由图3（a）可知，路表温度越高，上面层同一深度处最大应力越大，且上面层最大应力峰值也越大。不同荷载作用时上面层沥青混合料受力趋势基本相同，但荷载越大，上面层沥青混合料应力越大。荷载对车辙的影响最为严重，荷载增大，上面层应力明显增大，而且增大趋势更加大如图3（b），这也说明超载会造成严重的车辙问题。

由图4可知，沥青上、中、下面层和水稳基层在60℃标准荷载作用下应力分布情况。图4（a）表明沥青混凝土上面层荷载作用区域应力最大，应力分布最为复杂，不同作用点的应力变化幅度也较大；中面层和下面层应力分布差异不明显，曲线呈重叠状态，这说明荷载作用传递力学变化到中面层已经停止，才会使中面层和下面层应力分布几乎没有变化；水稳基层应力分布变化不大，与中、下面层应力分布趋势相似，只是荷载作用区域和路面边界区域应力有所减小而已；荷载作用下路面结构的最大应力出现在上面层，沿道路深度方向最大应力逐渐减小，面层变化较大，基层变化幅度较小，变化幅度沿着路面深度方向逐渐减小。图4（b）表明上面层、中面层和下面层主要受压应力控制，水稳基层则主要受拉应力控制，且上面层、中面层和下面层荷载作用区域的最大主拉应力为零，由荷载作用区域向两侧拉应力逐渐增大；水稳基层则恰恰相反，荷载作用区域主要受拉应力，荷载两侧区域则主要受压应力。

3 结 论

采用ABAQUS有限元软件对路面结构层进行力学分析，得出如下结论：路表温度越高，上面层同一深度处应力越大，且上面层最大应力峰值也越大。不同荷载作用时上面层沥青混合料受力趋势基本相同，但荷载越大，上面层沥青混合料应力越大。上面层、中面层和下面层主要受压应力控制，水稳基层则主要受拉应力控制。

［1］ 郭 超.沥青路面车辙域及抗车辙技术研究［D］.长安大学，2013.

［2］ 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，2009，22（3）：7－13.

［3］ Ji Xiaoping，Zheng Nanxiang，Hou Yueqin，et al.Application of Asphalt Mixture Shear Strength to Evaluate Pavement Rutting with Accelerated Loading Facility（ALF）［J］.Construction and Building Materials，2013，41：1－8.

［4］ 谢来斌.基于温度场和动态模量的沥青混合料车辙预估模型研究［D］.西安建筑科技大学，2013.

［5］ Li Qiang，Ni Fujian，Gao Lei，et al.Evaluating the Rutting Resistance of Asphalt Mixtures Using an Advanced Repeated Load Permanent Deformation Test under Field Conditions［J］.Construction and Building Materials，2014，61：241－251.

［6］ 廖公云.ABAQUS软件在道路工程中的应用［M］.南京：东南大学出版社，2007.