动水压力对沥青混凝土路面的破坏研究

李 琼

(重庆市丰都县公路局，重庆 408200)

0 引言

随着交通事业的不断发展，交通量急剧增长，车辆超载现象也越来越严重，与此同时，路面病害的产生也惊人发展，致使沥青路面的使用性能与寿命远远低于应有的设计水平。在各种类型的沥青路面早期破坏现象中，水损坏现象是最主要、危害最大的损坏类型[1]，受到国内外学者和工程工作人员的高度重视并开展了大量研究。高海波对脉动水压力作用下沥青路面水损坏的机理及导致水损坏现象的一些诱因进行了初步分析[2]；季天剑将轮胎、路表水膜和路面作为一个系统，研究了轮胎的动力滑水问题,指出了水膜厚度对滑水的影响[3]；周长红利用变温粘弹性理论和Biot动力固结理论，分析了在循环车载作用下沥青路面的孔隙水压力反应[4]；Hoven利用太沙基固结理论建立了动载下的孔隙水压力的计算模型[5]；J．R．Cho通过数值模拟实验得到了滑水速度和动水压力成正比例关系[6]。但是，目前关于动水压力对沥青混合材料破坏的理论研究仍不够成熟。本文通过理论方法对路面的水膜微元体受力分析，得到了动水压力的理论值，并与动水压力实测的数据回归分析比较，揭示潮湿多雨地区高等级道路易发生水损坏的原因；研究动水压力作用诱发沥青混凝土路面水损坏机理。

1 动水压力的作用

造成水损坏的水大多来源于自然降水[7]，雨水主要通过路拱横坡来排除，在降雨过程中，路表会形成一层薄薄的水膜,车辆在路面行驶过程中，轮胎与路面之间的水膜被高速运转的轮胎反复作用，由此便产生了动水压力[8]。水膜所产生的动水压力同时作用于轮胎与路面之间，由于车辆的高速行驶，对于轮胎与路面接触的某一点而言，这种动水压力是瞬间的，而对于车辆行驶的整条轮迹而言，动水压力如同行车荷载一样是自始至终存在的。

沥青路面受行车荷载作用所产生的动水压力如图1所示，当车轮驶向路面空隙时，对路面水产生正压作用，将路面水挤进路面空隙中；当车轮驶离路面空隙时，对路面水产生负压作用，将水从路面空隙中吸出。在行车荷载的反复作用下，会形成路面结构应力耦合的作用场，从而引起路面内部的水损害等一系列破坏，其危害是相当严重的。

图1 动水压力作用示意图

2 动水压力的理论推导与实测

将轮胎、水膜、路面之间的相对运动关系放到坐标系中，将坐标固定于轮胎轴，则路面和水膜体以高速v向轮胎前进，这时水膜就变成了楔子状，进入轮胎面和路面间隙内。如图2所示。

图2 路面-水膜及轮胎关系

考虑微积分思想，将轮胎无限微分，轮胎与路面接触处，轮胎与路面的倾角非常小且趋于零，轮胎的胎面为平面。

从水膜体中取一个形为六面体的微元体，微元体边长分别为δx、δy和δz，在运动过程中它们保持不变。此微元体形心M位于坐标(x，y，z)，M点上动水压强为p，流速为(vx，vy，vz)，设水膜体为均质的，密度为ρ。受力分析如图3所示。

不考虑水体的粘滞力，因此微元体不存在切向力，其只受到垂直于作用面的动水压力。质量力在三个坐标轴方向上的分量分别为fx、fy和fz。考虑作用于微元体上的压力及质量力分力作用，根据欧拉法得到方程

(1)

(2)

(3)

质量力有势，则存在势函数U(x,y,y)，将式(1)、(2)、(3)化简得到

(4)

路面和轮胎面的后端(即路面与轮胎接触点)拦住了从前方进入的水，水从轮胎面的两侧流出，这时水的流线如图4所示。

图3 水膜微元体受力分析

图4 轮胎下的水膜流线

在水流的停滞点处将产生动水压力。动水压力根据式(4)计算得到

(5)

式中：P——动水压力(Pa)；

ρ——水的密度(1000kg/m3)；

v——行车速度(m/s)。

变换(4)式中的单位可得：

p=0.66v2

(6)

式中：p——动水压力(水头高度m)；

v——车辆的行驶速度(m/s)。

为了较好地比对动水压力理论值与实测值，同济大学通过自主研发的试验设备对路面动水压力与车速的关系进行了实地测量，得到了实测路面动水压力与车速的关系曲线，如图5所示，并进行了数值回归，动水压力与车速的关系式为：

(7)

式中：P——动水压力(水头高度m)；

v——行车速度(km/h)。

图5 动水压力的实测回归曲线

由图5可以看出，在中、低级道路上，由于行车速度的限制，行车荷载所造成的路面动水压力也不大，常规沥青混凝土路面能够承受其加载的作用力。但对于行车速度都在110km/h以上的高等级道路，所造成的动水压力则远高于普通道路，甚至能达到普通道路3倍之多。随着行车速度的提高，强大动水压力使得水分逐渐渗入沥青混凝土路面结构内部，并直接作用在沥青与集料的界面上，极易造成沥青与集料的剥离，最终导致混合料的松散与路面结构的破坏。由此看来，如在南方一些潮湿多雨地区，路面长期受到如此大的动水压力作用，雨水通过空隙或裂缝进入路面结构内部、造成路面损坏是在所难免的。

实测的动水压力与理论推导相比，在几何图形上都显示出动水压力值随行车速度的提高呈几何增长的趋势；回归分析与理论推导方程表达式也是相似的，即动水压力与行车速度的平方成正比。但是实测动水压力数值却远低于理论推导值，这是由于实测路面、轮胎胎面与水膜厚度等情况较理想值不同所造成的。

3 动水压力对沥青混凝土路面破坏机理

沥青路面具有噪声低、无接缝、平整、耐磨、行车舒适等许多优点，因此在我国公路建设中得到了广泛的应用。但是随着我国公路等级的不断提高，交通量急剧增长，尤其高速公路上重载、超载的现象频现，甚至载荷超过了额定荷载的2～3倍，加剧了沥青路面的水损坏。在高速重载交通作用下，路面水形成局部高压、高速水流以及车轮离开时形成的真空负压作用，不断侵蚀裹覆在集料表面的沥青膜，水分逐渐渗入沥青与矿料的界面或沥青内部致使结构内部的细小集料颗粒随空隙水挤出路面，对路面结构造成了严重破坏。

在符合规范要求的沥青路面中，其粘结力一般表现为路面经过外荷载碾压后的整体性。在动水压力作用下，粉料的逸出将造成沥青胶浆粘度降低，从而对集料的粘结力减弱，加速沥青从集料表面剥离。在多雨地区，尤其在交通量较大的沥青路面上，路面长期受到动水压力的冲蚀与冲刷作用，更容易导致沥青路面结构的损坏，因此水损害是沥青路面损坏的一个重要肇因。

4 结论

(1)基于欧拉法，对水膜微元体受力分析，得到了动水压力的理论计算方法。

(2)动水压力实测的数据回归分析与理论推导解析解规律相同，动水压力值随行车速度的提高呈几何增长的趋势，动水压力正比于行车速度的平方。

(3)通过对实测结果分析，指出了潮湿多雨地区高等级道路易发生水损坏的原因。

(4) 揭示了动水压力作用致使沥青混凝土路面结构粘结力减弱，从而诱发水损坏。

参考文献：

[1] 欧金秋.沥青路面水损坏的动水压力驱动机理研究 [D].济南：山东大学，2012.

[2] 高海波.高速公路沥青路面早期水损害机理分析及预防措施[J].工程建设与设计,2012(7):169-171.

[3] 季天剑，高玉峰，陈荣生.轿车轮胎动力滑水分析[J].交通运输工程学报,2010,10(5):57-60

[4] 周长红,陈静云,王哲人,等.沥青路面动水压力计算及其影响因素分析[J].中南大学学报：自然科学版, 2008,39(5):1100-1104.

[5] Hoven J M．Measurement and analysis of pore water pressure in thawing pavement structures subjected to dynamic loading[D].Minneapolis: The University of Minnesota, 1997．

[6] Cho J R, Lee H W, Sohn J S. Numerical investigation of hydroplaning characteristics of three dimension patterned tire[J].European Journal of Mechanics A/solids, 2006, 25(6): 914-926．

[7] 钟建,周青莲.公路沥青路面水损坏原因及防治对策[J].公路交通技术,2005(4):49-51.

[8] 孙立军．沥青路面结构行为理论[M]．北京:人民交通出版社，2005:204，215．