旧水泥混凝土路面沥青罩面层力学响应与车辙分析

姚新宇，周胜波，潘飞利，覃丽梅

(1.广西交通科学研究院，广西　南宁　530007；2.广西道路材料与结构重点实验室，广西　南宁　530007)



旧水泥混凝土路面沥青罩面层力学响应与车辙分析

姚新宇1，2，周胜波1，2，潘飞利1，2，覃丽梅1，2

(1.广西交通科学研究院，广西南宁530007；2.广西道路材料与结构重点实验室，广西南宁530007)

摘要：文章采用有限元软件ANSYS建立车辙预估模型，分析不同轴载下及改变结构层厚度时旧水泥混凝土路面沥青罩面结构层的压应力、剪应力分布特点。计算分析结果表明，压应力是车辙形成的敏感因素和拟定结构层厚度的重要参考指标，同时罩面层抗车辙设计还需考虑剪应力的分布特点。

关键词：道路工程；沥青罩面层；旧水泥混凝土路面；力学分析；车辙

0引言

我国早期高速公路与城市道路建设中大多采用水泥混凝土路面，但由于沥青混凝土路面具有与汽车轮胎良好附着，减震明显，低噪不扬尘，施工养护工序不繁琐等诸多优点[1]，现今国内水泥混凝土旧路改造广泛采用沥青混凝土罩面。由于水泥混凝土面板刚度大，我国车辆超载严重交通渠化明显，车辙均发生在罩面层且为沿行车轮迹产生的纵向带状“W”型凹槽[2][3]。

国内外学者对沥青混凝土面层结构力学响应与车辙预估均做了较深入研究，英国TRL的Nunn等人[4]调查分析了英国沥青道路的路面结构层厚度与车辙平均厚度之间的关系，发现沥青混凝土结构层越薄越容易发生车辙。Weissman，S.L，Harvey，J.T和L.Popescu等人[5]研究指出沥青路面发生永久变形的主要深度区域基本集中在100 mm-150 mm范围内，而最大剪应力则大约在距路面顶面以下5 cm处左右。王翼、孙立军等人[6]考虑了沥青混凝土的热敏感性拟合的车辙预估模型是以剪切变形为主要控制因素。因此结合理论对水泥混凝土路面沥青罩面结构层进行力学分析具有重要意义，为设置罩面层合理厚度与车辙成因研究提供参考依据。

1参数设定与模型建立

1.1路面尺寸与边界条件拟定

依托市政道路检测工程，根据设计图纸建立长宽高3 m×3 m×5 m立方体，其中下承层与路面总厚度为5 m(路面总厚度为64 cm，包括上中下面层分别为AC-16、AC-20、AC-25，厚度分别为5 cm、6 cm、7 cm，以及26 cm的水泥混凝土路板与20 cm水泥稳定碎石基层、土基6部分组成)。

图1　网格划分图

采用有限元软件ANSYS单元SOLID45进行离散处理，单元格划分如图1所示。约束立方体四个侧面的水平方向位移，允许垂直方向的位移以及任意方向自由转动，立方体底部进行完全约束，立方体上表面为自由面。鉴定各结构层之间的接触条件是良好的，因此采用GLUE粘结和下层建立联系。

1.2车辆轴载

在考虑100 kN标准轴载的同时，还要考虑160 kN、200 kN、240 kN和300 kN轴载4种超载情况进行路面结构力学分析，分析路面各结构层应力状况及特点，轮胎与路面的接触压力随轮重及胎压而变并不是一个定值。轮重越大，则需要的胎压就越大，而轮胎与路表面的接触压力随轮重的增大而增大[7]。轮胎的接地压力用Ikeda给出的经验关系式得到[8]，对于不同轴载条件下的轮宽、轮高和胎压如表1所示。

p=0.004 2 P′+0.29 pi+0.145

(1)

式中：p——轮胎接地压力(MPa)；

P′——双轮重(kN)；

pi——轮胎内压(MPa)；

其中：pi=0.004 6P′+0.517。

表1　轴载与轮压关系表

1.3材料参数

沥青混合料是一种粘弹性材料，且具有较强的高温敏感性，强度和模量都随着温度的升高而有明显的降低。由式2计算沥青路面各亚层内平均温度[9]。

年有效气温MATTeff≥20 ℃时：

Teff=(2.63-0.51 lgh)MATTeff+4 lgh-12.6

(2)

年有效气温MATTeff<20 ℃时：

Teff=(2.1-0.33 gh)MATTeff-1.1

(3)

式中：h——路面各结构层层底到路表厚度(mm)；

Teff——各结构层内平均温度(℃)；

MATTeff——年有效气温(℃)。

通过调查该地级市2014年平均气温，并搜集该市气象部门资料，可以计算得出年有效加权气温MATTeff为26.75 ℃。如表2所示。

表2　沥青各结构层平均温度表

据《沥青路面强度变化规律及养护》[10]中的公式：

(4)

式中：Et——t温度下的模量；

Ec——标准温度C下的模量，C一般取20 ℃。

层位平均温代入上述公式中，根据该市地区夏季高温季节温度特征，考虑温度对路面沥青混合料模量的影响，利用公式4根据该市沥青路面结构各沥青亚层层内的平均温度计算各亚层的回弹模量，所选路面各结构层材料参数进行力学分析，如表3所示。

表3　各层材料参数与厚度表

2不同轴载下路面结构应力与车辙计算分析

2.1压应力与车辙预估分析

沥青路面轮迹带下压密变形主要来源于车辆轮载的竖向压应力。正确计算沥青结构层压应力及其分布是分析路面表面车辙的重要手段。通过实验室得出的材料试验参数结合车辙预估模型，能够比较准确地计算出车辙的深度。

通过ANSYS计算截取轮下横向节点压应力发现最大值在轮胎正中心，同时轴载与胎压的大小影响压应力的扩散，胎压越大压应力分布由轮胎下中心位置向两边扩散就越明显。轴载的大小密切影响着沥青路面结构层垂直方向的应力分布。在进行车辙深度预估计算时，根据面层的上、中、下面层，将每一结构层的顶层、底层的应力取数值平均作为此结构层的平均应力。面层内的压应力计算结果见表4。

表4　沥青路面面层各结构层平均应力值表　(单位：MPa)

当载荷传递向下传递时应力的扩散范围作用明显但是压应力的消减显著，压应力传递到土基顶面时已经特别小，作用范围不断增大，压应力消减非常明显，到土基顶面已经很小。在此仅列出面层的应力值。由上面的结果可知，面层压应力随着车辆载荷的增大而明显增大，标准轴载作用下的上面层压应力仅为超限200%时的35%。本文根据公式5车辙预估模型[11]计算车辙深度。

(5)

式中：n——沥青结构层层数；

hi——i层厚度，单位mm；

aTi——第i层温度修正系数；

σi——i层平均应力；

σlab——应力水平(根据室内蠕变试验)；

εvp(t)——黏性应变(在加载时间t条件下)。

其中：εvp=a(t)b

(6)

式中：t——加载的时间；

a，b——回归系数。

其中a取0.003，b取0.23，均为室内混合料黏性参数模型系数。分别取5种工况下的载荷累积总用次数107、5×107、108和109，卡车速度一般在50 km/h，其轮胎作用于地面的时间约为0.015 s。σlab由试验得出，上中下面层混合料分别取0.4 MPa、0.39 MPa、0.37 MPa。试验温度的确定由现场实测。

沥青混合料黏性应变由公式(6)计算。结果如表5所示。

表5　沥青混合料黏性应变表

再通过公式5计算沥青混凝土面层的车辙。在100 kN标准轴载作用下以及超载200%条件下，以荷载累计作用次数为横坐标，以车辙作为横坐标，可以得到下图2。可以看出车辙深度与荷载累积作用次数具有很好的指数关系。

由该市干道交通量调查数据结果，左幅日平均当量轴次为1 873.93次，在15年设计寿命内，标准轴载与200%超载条件下交通增产率与永久变形关系见表6。

表6　15年设计寿命交通增长率和路面永久变形关系数值表　单位(mm)

(a)100 kN轴载交通量与车辙的关系

(b)超载200%交通量与车辙的关系

由表6可知，超载对永久变形深度具有很大影响，不同交通增产率下，200%超载条件下车辙深度均超过标准轴载条件下深度的5.7倍。

2.2剪应力分析

分别对不同轴重下路面结构中各层的剪应力进行分析，由ANSYS取断面节点应力观察，剪应力最大值一般出现在轮迹外边缘，计算结果如图3所示。

图3　不同层位剪应力随轴载变化情况曲线图

由图3可知无论在标准轴载还是在轴载超重的情况下，剪应力值出现最大的范围均在下面层底和中面层顶的范围内，因此提高上、中面层混合料的抗剪性能和高温稳定性是抵御车辙的较好方法。但随着轴载的增大，剪应力峰值下移，剪应力较大值范围区间增大且中下面层剪应力增长幅度较大，轴载从100 kN增长到300 kN过程中，下面层剪应力增幅分别为29.2%、30.2%、11.1%、86.2%，上面层剪应力增幅分别为29.1%、15.1%、11.2%、69.8%。

3不同结构层厚度应力分析

3.1压应力分析

行车荷载作用产生的压应力的累积会使路面结构产生竖向压密变形，若施工控制不严(压实度不达标)，材料设计不当(级配不合理等)，基层、底基层整体性或板体性欠佳，下承层强度不够等，在压应力的作用下都会使路面结构发生不均匀的竖向位移最终导致路面破坏。但是结构层厚度不同，压应力不同，且累计变形也有所不同。选取路面结构中的面层厚度作为影响因素，均采用100 kN标准轴载分析其变化对路面结构受力的影响。路面结构层厚度如表7所示。5种路面结构类型在不同深度的压应力如图4所示

表7路面结构层厚度表

单位(cm)

图4　不同面层结构类型最大压应力曲线图

由图4所示，从左至右压应力曲线分别为路面结构一至五。路面结构越厚相同深度压应力越小。尤其是随着深度的增加，路面层越厚，压应力减小幅度越大。如路面结构五的总厚度为18 cm，路面结构一总厚度为12 cm，他们在10～11 cm深处压应力差距最大，路面结构厚度从12 cm增加到18 cm，相应压应力减小7.4%。

3.2剪应力分析

5种路面结构类型在不同深度的最大剪应力如图5所示

图5　不同面层结构类型最大剪应力曲线图

由图5可知，随着厚度的增大，同深度的剪应力略有增大，峰值最大增幅仅6.3%。剪应力的峰值随着厚度增大而下移(厚度从12 cm增大到18 cm，峰值下移1 cm)，但是峰值下移幅度没有厚度的增加值大。所以路面结构一(12 cm)剪应力峰值出现在中面层，路面结构二(13.5 cm)-路面结构四(16.5 cm)剪应力峰值出现在上面层与中面层结合处，路面结构五(18 cm)剪应力峰值出现在上面层。

表8为不同路面结构上、中、下面层最大剪应力值，下页表9为中、下面层最大剪应力与上面层最大剪应力比值。

表8　不同路面结构上、中、下面层最大剪应力值表

表9　中、下面层最大剪应力与上面层最大剪应力比值表

如表9所示，面层厚度越薄，上、中、下面层的最大剪应力差距越小，面层更容易发生整体横向剪切流动或竖向剪切破坏。面层厚度越厚，上、中、下面层的最大剪应力差距越大，同时剪应力峰值出现在上面层，仅容易在上面层发生横向剪切流动。

4结语

(1)随着轴载的增大，中下面层的压应力增长的倍数大于轴载增长倍数。且永久变形深度增加倍数大于轴载增加倍数，压应力是车辙形成的敏感因素。

(2)剪应力峰值出现在上面层，随着轴载的增大，剪应力峰值下移且中下面层的剪应力增长速率增大，对于超载路段应同时重视中下面层的抗车辙能力。

(3)随着罩面结构层厚度增加，同深度的压应力减小，可减少集料压密压碎现象；但是厚度的增加也会造成累积变形的增加。可根据罩面层不同深度压应力与累积变形综合考虑拟定合理的厚度。

(4)随着结构层厚度增加，同深度的剪应力略有增大。但罩面层越厚，上、中、下面层最大剪应力值差距越大。

参考文献

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Analysis on Mechanical Response and Rutting of Old Cement Concrete Pavement Asphalt Overcoat layer

YAO Xin-yu1，2，ZHOU Sheng-bo1，2，PAN Fei-li1，2，QIN Li-mei1，2

(1.Guangxi Transportation Research Institute，Nanning，Guangxi，530007；2.Guangxi Key Laboratory of Road Materials and Structures，Nanning，Guangxi，530007)

Abstract：This article established the rutting estimation model by using the finite element software ANSYS，and analyzed the stress and shear distribution characteristics of asphalt overcoat structure layer of old cement concrete pavement under different axis load and when changing the structure layer thick-ness.Calculation results showed that the compressive stress is the sensitive factor for the rut formation and the important reference indicator to determine the structure layer thickness，while the overcoat layer anti-rut design shall also consider the shear distribution characteristics.

Keywords：Road engineering；Asphalt overcoat layer；Old cement concrete pavement；Mechanical analysis；Rut

收稿日期：2015-12-20

文章编号：1673-4874(2016)01-0027-06

中图分类号：U416.216

文献标识码：A

DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2016.01.007

作者简介

姚新宇(1989—)，助理工程师，硕士，从事道路结构与材料研究工作；

周胜波(1979—)，工程师，博士，从事道路结构与材料研究工作；

潘飞利(1986—)，助理工程师，从事试验检测档案管理工作；

覃丽梅(1975—)，助理工程师，主要从事道路工程试验检测工作。