交通流荷载对沥青路面车辙的影响分析

丁和平，何　杰，宋　亮（.宿州学院　经济管理学院，安徽　宿州　34000；.东南大学　交通学院，江苏　南京　0096）



交通流荷载对沥青路面车辙的影响分析

丁和平1，何杰2，宋亮1
（1.宿州学院经济管理学院，安徽宿州234000；2.东南大学交通学院，江苏南京210096）

摘要：车辙是沥青路面特有的主要破坏现象之一.本文选择郑漯高速，观察交通流量和车辆轴载，考虑垂直力和水平力，就交通流荷载对沥青路面剪切和压密变形的影响进行分析，选取几种不同轮胎接地压强下沥青面层内部不同深度处的剪应力和压应力进行计算，分析交通流荷载对沥青路面车辙病害的影响规律，验证车辙形成机理.

关键词：半刚性基层沥青路面；车辙；有限元分析；交通流

本文选择郑漯高速，观察它的交通流量和车辙，研究路段的结构为半刚性基层沥青路面，用ANSYS有限元分析软件建立该路段的结构模型，车辆对路面的力作用分为垂直力和水平力，观察交通流荷载对沥青路面剪切和压密变形的影响并进行分析，选取几种不同轮胎接地压强下沥青面层内部不同深度处的剪应力和压应力进行计算，分析交通流荷载对沥青路面车辙病害的影响规律，验证车辙形成机理，探讨以车辙作为沥青路面设计指标之一的可行性.

1　车辙的成因

汽车荷载作用于沥青路面，产生竖直方向的变形，时间一久，就会产生路基、基层和面层的永久变形，这就形成了车辙，但是目前我国等级较高公路的基层大多数采用的是半刚性，因为半刚性基层的刚强度比较大，而且汽车荷载的应力扩散到路基的比较小，所以路基的受力及变形也很小，可以忽略.这样路基和基层的永久变形占车辙总量的比例就很小.通过大量的实地调研和研究分析，车辙的90%是由于路面面层的变形引起的，所以，车辙产生的主要原因是沥青面层的永久变形.

2　观测路段交通流量与车辙调查

2.1观测路段交通流量调查

郑漯高速距离约143km，起始郑州，行至漯河，是国家南北公路大动脉京珠国道主干线的重要区段，也是京港澳主干线的重要组成部分，已成为国内车流量最大的高速路段之一.

郑漯高速公路交通量资料来自河南中原高速公路网，表1是该高速路的年平均日交通量.

表1　交通流量表

2.2车辙调查

郑漯高速公路全线路面均发生车辙病害，采用激光车辙测试仪检测行车道和超车道车辙深度，由于测得的数据繁杂，故每隔八个桩号取一个代表车辙深度，全线车辙分布如图1～图2所示.

根据各个国家公路要求的车辙深度，依据我国路面的状况，路面车辙不会发生积水是在车辙的深度小于10毫米时，当车辙的深度大于25毫米时，车辆就会颠簸不稳，人们坐车就会感到不舒适.所以，车辙的深度不应该超过10毫米到25之间.

由图1和图2可知，郑漯高速整段都有着不同程度的车辙，而且行车道的车辙比超车道严重的多，车辙比较严重的路段集中在许昌至漯河路段，最大车辙深度达35mm.

图2　下行行车道与超车道车辙分布图

图1　上行行车道与超车道车辙分布图

3　半刚性基层沥青路面三维有限元分析建模

3.1粘弹性路面结构模型

据我国《公路沥青路面设计规范》[1]，将本研究路段的路面结构简化为四层，每一层都具有自己的特点，具体特点可用表2中的参数体现.

表2　路面模型的参数

该路面模型长为6m、宽为4m、高为1.58m，分析粘弹性路面模型时用Burgers模型和8节点solid185单元，因为计算精度的问题，路面模型的车辆行驶的地方的网格划分比较密集，其他区域的网格比较粗化，总共有44800个单元，车辆运行方向见下图3[2].

图3　路面模型

3.2边界条件的确定

考虑到推导方程及求解的复杂性，为了便于有限元分析，需对该路面作若干的假设：

（1）假设路面是完全的粘弹性、材质均匀的材料.那么该材料全部符合三维的本构方程，即线粘弹性，参数可以是常数.

（2）假设路面是全部连续、无负荷应力为零的材料，即路面的初始的应力是零.

（3）假设路面受力后会发生很小的变形，所以层状粘弹性体系的力学中的代数、微分方程都可以简化成线性方程.

（4）假设该路面的无穷的远处位移、变形和应力是零.

文章通过试算采用以下边界条件：路面ANSYS有限元分析模型中平行于X轴的面的单向固定约束为X，和Y轴平行的面的单向固定约束是Y方向，路底的面用全部固定的约束.

3.3加载及求解

Beer M是南非学者，他研究了一些型号的轮胎作用在路面上的压力，结果发现，在一定的载荷范围内，轮胎中部（大约为整个轮胎宽度的60%）的压力几乎是不变的，增加的压力则在轮胎的两侧，如下图图4示，因此文章P0取0.717Mpa，P1分别0.673Mpa、0.705Mpa、0.723Mpa、0.738Mpa，根据研究结果回归出来的接地压力分布公式为：

P1=-0.53F2+57.46F-534.05

P0=0.86P+175（2）

式中：F为轮胎负载(KN)，适用范围为20～ 50kN；P为轮胎胎压(KPa)，适用范围为420～720kPa.P0和P1分别为轮胎荷载接地印迹内的中心区压力和边缘区压力.

图4　轮胎荷载接地印迹及压力分布图(x方向为行车方向)

模型采用阶跃式负荷来模拟车辆的动负荷，轮胎和地面接触的地方取为矩形.每个轮胎的接地的矩形面积取24cm×16cm，在ANSYS中该模型正好覆盖了16个单元，取两个轮胎的负荷，车速为70km/h，车轮负荷在一组单元上行驶持续0.003s，向前移动一个单元的时间为0.003s，这样车轮在每个单元上的持续行驶时间为0.012s，ANSYS中自带有Full法和瞬态求解器求解，分析点取路中央的垂直各层节点，因为该处是路面最大的受力位置[3].

4　关于交通荷载对路面面层的应力的影响的计算结果

交通荷载对路面的影响主要是作用时间的延长和应力的增大.郑漯高速的基层是半刚性的，沥青路面的物料会发生流动粘滞，对基层有一定的压实作用，所以它的车辙主要是失稳型的和压密型的，现分析交通荷载对沥青路面的剪切和压密变形的影响.

根据计算结果得到几种轮胎不同的接地压力下，不同的计算点，不同深度处的最大压应力和剪应力值与深度的关系，如图5、图6所示：

图5　不同轴载下沥青层内不同深度的最大压应力

从图5可得，随着荷载的增加，沥青面层的压应力增大，轮胎接地压强为0.723MPa时，沥青表面层压应力为349329Pa，轮胎接地压强为0.738MPa时，沥青表面层压应力达到了418129Pa，增大了20%.

从图6可得，随着荷载的增加，沥青层内的剪应力逐渐变大，剪应力的峰值在轮胎边缘处的路表下15mm处，轮胎接地压强为0.723MPa时，沥青表面层剪应力为124853Pa，轮胎接地压强为0.738MPa时，沥青表面层剪应力达到了144409Pa，增大了15.7%.

图6　不同轴载下沥青层内不同深度的最大剪应力

5　结论

由此可见，水平力是沥青路面破坏的主要因素.而在现实中车辙的形成影响因素是非常繁杂的，在路面研究中，怎样有效的考虑水平力的影响还需进一步探究，而且怎样应用到路面的结构设计及路面材料的设计等，这样才能预防车辙，预防路面破坏.

参考文献:

〔1〕中华人民共和国行业标准.公路沥青路面设计规范.JTG D50-2006[M].北京:人民交通出版社,2006.9-10.

〔2〕丁和平,何杰,赵池航,陈一锴.非均布动载荷下沥青路面粘弹性有限元分析[J].武汉理工大学学报,2011,33(2):68-69.

〔3〕丁和平,何杰,陈一锴,刘霞.重型货车联轴间距对沥青路面的影响[J].公路交通科技,2011,28(7): 43-44.

收稿日期：2015-11-25

中图分类号：U416.217

文献标识码：A

文章编号：1673-260X（2016）01-0076-03