考虑路表负水压的沥青路面动水作用分析

李宇 高世柱 李秀君

摘 要：为研究路表负水压力对沥青路面动水分布的影响，基于Biot固结理论，采用ANSYS建立路面的三维有限元模型，通过施加移动荷载获得各结构层内部动水压力分布。数值模拟结果表明，移动荷载在路面內产生正负交替的动水压力，随着轴载与车速的增加，正负动水压力峰值均显著提升;路面动态弯沉在卸载后并不能瞬时完全恢复;路表负水压力的施加会使水流产生自下而上的定向流动，与轮前正水压力形成正负交替的冲刷作用。

关键词：沥青路面;水损害;数值模拟;动水压力

中图分类号：U416         文献标识码：A            文章编号：1006—7973（2021）06-0151-04

1 引言

在降水较为集中的夏季，南方地区的沥青路面常处于饱和浸水状态，受车辆荷载作用产生的动水压力对沥青混合料产生冲刷作用，使沥青与集料之间的粘结强度下降，最终引发路面松散、坑槽、唧浆等水损害。姜旺恒[1]研究了高温条件下定向冲刷对沥青料的影响，结果表明经高温水冲刷后沥青胶浆的粘度降低，混合料更容易产生剪切破坏。王英[2]设计了一种新型动水冲刷装置，借助CT扫描试验发现动水冲刷作用会导致混合料内部孔隙增多，并加剧了混合料力学性能的衰退。相关现场实测表明，车辆荷载在路面内部产生正负交替的动水压力，在轮胎前后分别产生“挤压”与“泵吸”作用，加速了水损害的进程[3～5]。

影响路面动水压力的因素主要有车速、车载、路面材料、路面结构等，随着超载车辆的增多，路面材料变形增加，孔隙水受挤压作用更加剧烈，而当车速较快时，界面处水压来不及消散，使得车速与路表动水压存在相关性[6]。目前部分研究中通过施加半正弦荷载的方式模拟车辆荷载对路面的脉冲作用，这与实际中的移动荷载并不完全一致，并且未考虑轮胎前后挤压与抽提产生的水压。因此本文将采用ANSYS软件中的CPT流固耦合单元，考虑轮胎前后的动水压力，建立更符合实际的流固耦合计算模型，并通过施加移动荷载，探讨轴载、车速等因素对动水压力分布的影响。

2 计算模型与参数

2.1计算模型与边界条件

目前对路面进行流固耦合分析时，多基于Biot固结理论[7～8]，该理论将沥青混合料视为多孔介质，当混合料发生体积变形时，对孔隙中的水分产生挤压作用，从而产生动水压力。为简化模型计算，假定路面各结构层为均质、各向同性的理想弹性体，孔隙水及所有路面材料均不可压缩，且孔隙率分布均匀。

此处采用有限元软件ANSYS中的CPT216流固耦合单元与SOLID186实体单元建立路面三维有限元模型，并选取典型的路面结构，具体路面结构分层见图1。路面模型的长为8m，宽为6米，面层采用CPT216单元划分，其他结构层采用SOLID186实体单元。边界条件为：沥青层与基层间不透水，荷载施加处不透水，其余边界均为透水边界。

沥青路面结构模型如图1所示。

2.2 荷载施加

车辆行驶过程中，轮载以脉冲的方式作用于沥青路面上表面。动态荷载的施加方式主要有两种：一是在轮载作用面处施加半正弦形式的周期荷载，这种加载方式无法反映车载的移动效应，另一种是在模型表面施加移动荷载，这与实际中车辆对路面的作用更为接近，此处采用第二种加载方式。为方便有限元模型中移动荷载的施加，将双圆均布荷载（BZZ-100）转化为等效矩形荷载，单个矩形荷载长为24cm，宽为15cm，纵向网格尺寸为4cm。当车速为60km/h时，矩形荷载在每前进4cm时，停留时间t=0.0024s，由于移动荷载每一步的停留时间与移动距离很小，因此模拟移动车辆时结果的收敛性较好。

当车速较快时，轮胎与地面的接触时间短，车轮挤压路面产生的瞬时水压力不能及时消散，使得车速与正水压力存在相关性[5]。当车轮驶离时，轮胎后方会产生负动水压力，该数值与车速及轮胎花纹存在关联，并且负水压力峰值要小于正水压力峰值[4]，此处取负水压力值为1/2正水压力峰值。

荷载组合方式为动水压力+车速+轴载，具体见表1。

2.3 材料参数与路面结构

路面结构的面层为沥青混合料，基层与底基层采用水泥稳定碎石，具体材料参数如表2。

3 结果分析

3.1 动水压力时程变化分析

图1为移动荷载作用下A点下方不同结构层动水压力的时程变化曲线。从图3-a中可以看出，由于路表部分结构变形大，并且额外施加的正动水压力也作用在路表，使得正动水压力的峰值出现在路表处，并且随着深度增加其峰值逐渐降低。当轮载移动时，轮后部分受荷载作用较小，却产生了负水压力峰值，这表明轮后路面变形的恢复是产生负水压力的主要原因。当基于Biot固结理论时，水分发生流动的同时路面产生固结变形，使得卸载后路面变形并不能瞬时完全恢复，最终负水压力峰值要小于正水压力峰值。

对比图3-a与图3-b，车速从60km/h提升至120km/时，各层正水压力峰值均增加了约一倍，并且负水压力峰值也呈现出相同规律，这是由于车速提升时，轮胎对路面的作用时间缩短，使得水分不能及时排除，水分承受更多的轮载作用，从而产生更大的动水压力。对比图3-b与图3-c，当轴载从0.7MPa变为1.1MPa时，路表正负水压峰值增加约38%，并且动水压力作用时间也出现了增长，这是因为超载车辆的轮胎接地处会产生更大的横向与竖向变形，使得动水压力的作用范围进一步扩张，这会导致重载交通下路面的水损害更易发生，并且病害面积更广。

前三种荷载组合下负水压力峰值均出现在上面层底部。当在路表施加负水压力作用时（图3-d），路表负水压力峰值增加，并且随着深度增加不断递减，呈现出与正动水压力相似的规律。

路面动水压力变化总体上呈现出正负交替的特点，当沥青路面频繁受到动水作用时，必然会引发松散、脱落等病害，对车辆的轴重与车速有效规范，可以減缓沥青路面水损害的发生。

3.2 路面动态弯沉

路面弯沉值通常在车辆处于静止状态下采用贝克曼梁弯沉仪测得，为反映移动荷载对路面竖向变形的作用，此处以动态弯沉值对比分析干湿状态下的路面变形。干燥状态下路面整体采用线弹性模型，在除水头边界后，其余条件与饱水状态下相同。

图4为路面沿行车方向测量点A竖向变形的变化曲线。从图中可以发现，由于干燥状态下路面采用的为线弹性模型，沿行进方向路面竖向变形呈对称分布，车胎后方路面变形会在卸载后瞬时完全恢复。分析荷载组合A，B，C可以看出，随着车速与轴载的提升，测量点A处动态弯沉值增加，而当移动荷载驶离后，该点的竖向变形并未完全恢复，呈现出排水固结的状态，与Biot固结理论较为一致。荷载组合D中尽管施加了负水头压力，但对路面动态弯沉值影响较小，因此饱和状态下沥青路面动态弯沉值与车速以及轴载具有更明显的相关性。

3.3 动水压力分布

由于车轮与路面接触处产生的动水压力受车速与轮胎花纹的影响，为比较不同负水压力大小对路面动水分布的影响，选取0、1/2正水压力峰值、正水压力峰值三种大小的负水压力施加在轮胎后方，分别对应下方①、②、③三种云图。

动水压力分布从侧面反映了水流的运动方向，当没有施加额外负水压力时，负水压在接近路表处迅速衰减，水流方向为四周向路表下约3cm处中心点汇聚。随着负水压力的施加与提升，负水压力峰值从内部逐渐与路表连通，负水压的流动方向由下至上，可以反映出轮胎后方对路表水膜的抽提作用。此时胎前正水压力与胎后负水压力分布形状基本一致，这表明动水压力对于路面存在着上下往复的定向冲刷作用，在胎前将水分挤压进路面结构中，在胎后将水分抽提至路表。由于冲刷与抽提在作用方式上存在明显差异，在室内试验中若仅考虑正向的冲刷作用存在明显不足，因此设计一种正负交替的动水冲刷装置是可行的，能够很好地反映路面受动水冲刷情况。

4结论

（1）路面各层动水压力变化呈正负交替特点，轴载与车速的提升均会增加正负水压力，并且轴载的增加会扩大水压力作用范围，使路面水损害面积更广。

（2）基于Biot固结理论时，轮后变形在卸载后并不能瞬时完全恢复，车速的提升会增加路面的动态弯沉，轴载的提升则会使卸载后的变形值更大，而负水压力的施加对动态弯沉影响较小。

（3）路表负水压力的施加会使负水压力的分布发生改变，使其呈现出自下而上的定向流动，考虑到轮前位置处水分受挤压作用，因此室内试验需采用能反映正负交替水压的动水冲刷装置。

参考文献：

[1]姜旺恒，张肖宁，李智.基于动水压力模拟试验的沥青混合料水损坏力学机理[J].中国公路报，2011，24（04）：21-25.

[2]王英，李萍，念腾飞，姜继斌.基于动水冲刷作用的沥青混合料短期水损害特性[J].吉林大学学报（工学版），2020，50（01）：174-182.

[3]汤潍泽，欧金秋，崔新壮，楼俊杰，肖溟，张炯，黄丹，侯飞.车载引起的沥青路面内动水压力现场试验研究[J].山东大学学报（工学版），2015，45（06）：84-90+106.

[4]王文涛.多因素耦合动态孔隙水压力对沥青路面破坏的影响研究[D].北京科技大学，2020.

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

[6]崔新壮，黄丹，刘磊，蓝日彦，吕海波，赵艳林，曹卫东，常成利.沥青路面病害力学研究进展[J].山东大学学报（工学版），2016，46（05）：68-87.

[7]张建军，李万百，张少庆，纪元.基于Biot理论的透水沥青路面使用性能研究[J].中国市政工程，2017（02）：108-111+130.

[8]刘富强，滕旭秋，王起才.沥青路面流固耦合作用对面层畸变能的影响[J].铁道科学与工程学报，2017，14（04）：711-715.