车辆动荷载作用下对沥青路面的衰变规律研究

潘 杰

车辆动荷载作用下对沥青路面的衰变规律研究

潘 杰

潘 杰

新乡市公路管理局

潘杰，女，1981.09.07，新乡市公路管理局，现任交通类工程师，主要从事公路工程、监理、试验等方面工作。

随着高等级公路施工技术的不断发展，沥青路面衰变研究也取得了一定成效。本文将从不平整度研究入手，借助于4自由度的1/2车辆振动模型，结合车辆振动理论与系统动力学知识来进行沥青路面动载荷衰变研究。考虑到实际公路荷载与环境的综合影响，采用Shell永久变形理论进行修正，从而计算并得出沥青路面在动荷载作用下产生形变的衰变规律。通过对某公路路面平整度检测，参考相关质量规范及要求，结果表明，该方法不仅能够较好地计算和预测出沥青路面的使用寿命，还能够从路面使用品质及评价中为制定费用-效益最佳养护方案提供技术依据。

公路施工技术及检测技术的不断发展，对于沥青路面的施工及养护工作带来了技术支撑，并取得了长足可喜的研究成果。随着新技术、新工艺、新设备的不断投入，一方面增强沥青路面的使用寿命，另一方面也给整个沥青公路施工质量控制提供了参考依据。本文将从车辆动荷载作用机理研究入手，对沥青路面的永久变形及平整度衰减问题展开研究，采用车辆振动理论和系统动力学知识，来探讨动荷载作用下的沥青路面的形变规律及影响因素。由于在实际公路施工及管养过程中，对于公路环境复杂性影响采用Shell永久形变修正，以得出沥青路面实际使用寿命。在传统沥青路面衰变规律研究中，多以车辆动力学为基础，针对路面平顺性问题进行研究，以随机分布的外界激励措施来得出路面的影响因素，而本文将从路面受力分析上，以车辆的动荷载作用为主，综合考虑沥青路面使用过程中的性能变化的关系，采用正弦波形函数来计算不平整度，采用4自由度的1/2车辆模型来分析车辆的动态荷载，初步建立了动荷载作用下的沥青路面剩余寿命计算与预估的方法，为沥青公路路面结构设计及后期养护管理提供科学参考依据。

1 沥青路面不平整度计算模型

对于路面的不平整度的计算，主要是针对路面基准平面，依据M W Sayers理论来计算器偏离值的方法。假设其函数表示为：q（x）=Asin（ωx），对于函数q表示为路面纵向高程，对于A表示为波形振幅，对于x表示为水平位移量，其中x=vt，式中v表示为车辆的速度，t表示为车辆的行驶时间，式中的ω表示为角频率，也就是说角频率ω=2π/λ。在连续式平整度仪的测量中，其基准长度为3m，其轮距为e=1.5m，为了能够从更长的路面范围内进行准确的平整度测量，本例选择1km为计算区间，并对每一Xn定义为10cm，则得到一个N为10000的平整度测量模型，其仿真计算模型如下：

由此可知，结合对公路沥青路面进行实测，并结合模拟的正弦函数进行平整度均值，以及平整度标准差计算，可以得出沥青路面的平整度均值Y，代入路面波长λ，利用Matlab编程方法得出路面的波形函数振幅A，再借助于模拟仿真函数Y，计算出实际平整度。

2 基于4自由度的1/2车辆振动模型

利用系统动力学及车辆振动原理，在对车辆动载荷模型的构造中，以简化的4自由度模型为基本，可以得出系统动力学方程为：MZ+CZ+KZ=Q（t）。式中的M表示为由于在动荷载作用下，车辆各轴的荷载又分别有轴簧和轮胎支撑，m表示为轴簧质量，m1f、m1r表示为前后轴轴簧质量，k1f、k1r表示为前后轮胎刚度，k2f、k2r表示为前后悬架刚度，c1f、c1r表示为前后轮胎的阻尼值，c2f、c2r表示为前后悬架的阻尼值，a、b表示为前后轴到质心的距离，z1f、z1r表示为前后轴的非簧载位移，θ为车身俯仰角，Jc为车身转动惯量。

3 基于车辆动载荷下沥青路面衰减评估

在对沥青路面进行动载荷条件下衰减规律分析中，主要从以下几个指标来着手。一是对于路面平整度模型的测算，以沥青路面平整度模型来进行实测，构建波形函数q0（x）=A0sin（ωx），结合车辆动载荷计算模型，来计算出车辆对沥青路面的影响指标值Pf和Pr。通过分析来看，对于路面永久变形的计算通常有三种：即经验法、半理论半经验和理论法。对于理论法由于其通用性强，计算精度较高而广为应用。如利用弹性层状体系理论来计算路面的应力情况，并从沥青混合料的永久形变与应力关系上来得出变形特征。为了突出沥青路面实际荷载及周边自然环境的影响，通常需要借助于Shell法来进行优化，以年为单位来分析交通增长量与路面变形的关系，从而得出实际测量值。沥青路面在动载荷条件下所形成的形变特征，以波形路面为常见，各路面点所承载的载荷也不同，在纵向截面上也会出现不同的永久形变，从而加剧了沥青路面的不平整度。我们从不平整度模型的波形函数中可知，当经过1a变化后，对应的Xn处将得到一个变形值ΔH（Xn），则其波形函数为q1（Xn）=Asin（ωx）-ΔH（Xn），根据平整度检测仪可以进一步得到偏移量Δi，即Δi=q（Xi）- ½［q（xi- e）+q（xi+3）］。从而可以得出经过1a后沥青路面的平整度的均值及标准值，随着公路使用年限的增加，逐步形成路面在动载荷条件下的衰变规律。

4 以某高等级公路为例来计算衰变规律

通过对沥青路面在动载荷条件下的变形特征的计算，可以从其永久变形及波形函数中获得路面的实际不平整度值，进而来为路面的整修提供科学参考依据。本例以某高等级公路进行实测分析，并通过计算来得出沥青路面的变形规律和预估使用寿命。路面结构如下：上层为4cm中粒式沥青混凝土；下层为8cm粗粒式沥青混凝土；基层为20cm二灰碎石层；底基层为22cm二灰层。以路表弯沉来测算其弹性模量为91.638MPa，实测平均值为1.4320mm，平整度标准差为0.3220，日车道通过轴数为2114.3，选取车辆作用时间t0=0.015s，车速v=20m/s，λ值为7m，则可以得出路面的总荷载P，

依据Matlab可以得出路面平整度标准差及幅值变化规律。根据沥青路面衰减规律，其临界平整度幅值为3cm，而只有路面波形幅值小于3cm时才会影响到使用寿命，一旦超过3cm则可知路面结构已损坏，需要翻修或改建。通过对实例路面数据进行分析与计算，得出该路段剩余使用寿命为13a，该路面平整度标准差及波形函数幅值随着使用年份的增长而衰减变化具有一致性，初期衰减差值较小，呈现线性平缓状态，随着使用年限的不断延长，当标准差和波形振幅超过某一范围值时，其平整度标准差迅速加大，呈现陡峭增长趋势，说明该路面进入翻修或改建期。同时，由于沥青路面初期养护管理工作量较少，但也应该给予必要的重视，特别是当路面平整度标准差σ≤1.0，路面振幅A≤5.0mm时，沥青路面变形衰减较为缓慢，可以为路面管养提供参考依据。

5 结语

当前沥青公路建设进程发展迅速，而积极从公路动载荷下进行路面衰减分析，对于提高沥青公路的使用效率及管养水平意义重大。在动载荷条件下沥青路面的变形与平整度衰减规律的计算，可以从路面载荷及环境变化的综合分析中，采用简化4自由度1/2车辆振动模型，运用系统动力学理论来进行求解与分析，从而更为准确地反映沥青路面在不同使用年限内的衰减变化规律。需要强调的是，对于沥青路面不平整度检测来说，由于路面实测数据，特别是交通量状况、地理气候环境等资料的差异性，对于条件假设及动载荷计算需要进行必要的修正，从而优化路面不平整度模型，为得出更为符合实际路面的检测结果提供科学参考。

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.02.059