探讨高模量沥青混凝土路面抗车辙功能的结构力学

董涛 张延伟 刘东 蔺召

陕西华山路桥集团有限公司 陕西 西安 710016

引言

当前高温天气频繁出现，重载车辆也在持续增加，车辙损耗问题也愈加严重。同时对比水损坏﹑开裂等诸多问题，车辙维修更加困难，需要投入的维修成本也愈加高昂，所以，沥青路面养护中的车辙处理是需要及时进行解决掉的问题。高模量沥青混凝土属于是新兴的路面材料，其抗车辙性能更为优良，为了能够有效规避车辙问题产生的不良影响，道路工作者开展了积极的研究，对路面模量进行改善的高模量沥青混凝土于道路界被更多人所认可。通常情况下，高模量沥青混凝土都被应用在沥青面层，提升其弹性模量能够强化提升路面的荷载变形抵抗能力，提升路面的抗车辙性能，对道路工程应用年限进行有效提升，压缩后期维护所投入的成本资金[1]。而我国依然处于应用初期，欠缺高模量沥青混凝土路面抗车辙功能方面的研究，国家既有路面结构与国外高模量混合材料的路面结构﹑形式存在一定差异，需要分析传统路面结构的受力情况，并且将高模量沥青混凝土路面和普通路面中的受力特点变化找出来，对其抗车辙性能进行深入探析。

1 车辙形成的具体情况

道路工程在长期使用过程中，会产生种类不同的各种车辙问题，其不仅会对交通运输过程中的舒适性产生影响，更会对道路工程实际应用中的安全性﹑可靠性等产生严重影响。

1.1 种类

车辙损坏属于是沥青路面较为突出的一种损坏形式，如果车辙深度较大，会因为车辙积水影响汽车制动性，甚至会产生交通事故。

1.1.1 失稳型。如果气温较高，如果沥青混合料物质的高温稳定性存在不足，行车荷载的持续影响之下，沥青路面会出现失稳型车辙。具体表现是轮机位置的沥青混合材料产生流动变形，继而出现横向位移，在轮迹两侧会产生隆起。

1.1.2 结构型。结构型车辙一般是基层路面结构层﹑路基的强度存在不足，行车荷载的影响之下，路面结构层极限抗剪强度会比表层剪应力要小，导致路面出现永久性的剪切变形影响。结构型车辙横断面是凹型的，宽度较大，两侧不存在隆起[2]。

1.1.3 磨耗型。沥青路面有车辆通行的时候，轮胎会同路面产生摩擦，因为恶劣天气所产生的磨损问题就是磨耗型车辙。特别是为了确保行车安全，很多车辆会使用防滑﹑胶钉轮胎，同时重载﹑超载情况也会致使车辙问题产生。

在诸多车辙类别当中，最为严重的就是失稳型车辙问题与磨耗型车辙。沥青路面产生车辙问题，主要就是沥青面层所出现的变形问题，要着重探析失稳型车辙问题。

1.2 车辙形成原因

外力会对沥青混合料产生一定影响，内部材料实质骨料与沥青胶结料会产生变形，沥青混合料具有良好的黏弹塑性﹑流变性以及温度敏感性，外界荷载大小﹑作用时间会对变形大小产生影响。应力应变关系具有曲线性与不可逆性，同时弹性极限并不明显。

1.2.1 压密时期。当沥青混合料路面被压路机进行碾压的时候，混合料中的骨料﹑空气位置﹑沥青等会重新排列。高温作用影响之下，沥青材料属于是半流动状态，实际碾压中胶浆﹑骨料会出现移动，胶浆碾压后会进入到矿料间隙中，骨料会形成骨架结构。沥青路面在通车之后，路面会因为行车荷载实际作用逐渐密实。

1.2.2 流动时期。外界温度变化会影响沥青混合料的性能，沥青﹑沥青胶浆因为高温﹑行车荷载共同作用会出现流动。流动沥青会对骨架空隙进行填充，也会出现自由移动，会破坏骨架稳定性，致使沥青路面行车荷载区域因为压缩而产生变形。

1.2.3 矿质骨料因为破坏而重新排列。温度较高的时候，沥青混合料属于是半流动的状态，行车荷载的影响之下，沥青﹑沥青胶浆会产生移动，这个时候承载外界载荷的主要就是骨料骨架。坚硬的骨料颗粒因为沥青润滑作用会在骨料间滑动，让沥青和沥青胶浆向混合料自由面流动。

最初产生车辙是因为沥青混合料结构特性方面产生了变化，其中包含沥青骨料的压密以及高温状态下沥青的流动，致使骨架出现失稳问题。沥青路面出现永久变形是因为车辆重载﹑超载﹑高温等外界因素的相互作用。因此，为了确保沥青混合料本身的稳定性，规避路面车辙问题的实际产生，以免高温状态下沥青混合料出现流动变形的问题[3]。

2 高模量沥青混凝土路面抗车辙功能的结构力学

在沥青混凝土路面中，距离路面最近的上面层﹑中面层，会直接被外界气温所影响，温度变化极为剧烈，和外界的气温变化情况基本一致。伴随路面结构深度的持续增加，外界气温变化所产生的影响也在持续弱化，而外界因素对底基层的影响非常小，其温度通常都出处在27℃上下。不同时间段，各个面层的温度也不同，其中上面层的温度最低，伴随深度持续增加，温度也随之持续上升，底基层温度最高且最为稳定。同时还要明确，车辆荷载的加载位置，其路面会产生凹陷，因为车轮中心位置的路面承受着轮胎竖向压力，所以会产生极大的凹变变形。因此对高模量沥青混凝土路面结构的力学性能进行比较与分析，对比不同车辆荷载作用之下的力学性能，对于车辆行驶的安全性﹑稳定性﹑舒适性来讲极为关键。

2.1 路面结构的力学性能比较

选择和高模量沥青混凝土路面结构一致的普通沥青混凝土路面，因为高模量沥青混凝土路面处在中面层，对比普通沥青材质的路面，把中面层材料改变成为常规材料，其他结构层不会产生变化。为了确保对比所得经过是精准﹑有效的，一定要明确中面层材料黏弹性参数数值，保证上面层﹑下面层黏弹性参数数值不变，基于同样的方式进行测量﹑计算和建模。分析高模量沥青混凝土路面的动响应结果，分别基于路表面竖向应力﹑应变﹑位移，下层面﹑基层的剪应变参数进行力学性能的比较与分析，能够获悉，因为移动载荷的影响，两种路面类型当中所选择的五个参数变化幅度不大，对比常规模量的混凝土材质路面，高模量沥青混凝土路面当中的压应力﹑剪应力都变大了，压应变﹑竖向位移以及剪应变都降低了，并且和应力变化进行比较，应变变化非常突出[4]。

竖向应力最大数增加应变数值明显减少，与平台沥青混凝土路面进行比较，高模量沥青混凝土路面的竖向变形抵抗能力更为优良。

荷载变化研究过程中，剪应力产生突变，高模量沥青路面产生移动荷载的时候，剪应变数值会明显减少，也就是说，剪应力﹑剪应变会对高模量沥青混凝土路面产生巨大影响，其能够降低因为剪应力所产生的应变变形问题，规避路面产生剪切破坏的问题。移动荷载产生作用的时候，显著降低了高模量沥青混凝土路面的竖向位移，在中面层设置高模量沥青混凝土路面，能够强化提升面层的刚度，承担起车辆的荷载作用，更能够降低荷载的下行传递，降低土基的位移数值。

2.2 对比不同车辆荷载作用之下的力学性能

与车辆行驶速度方面的改变进行对比，车辆承重增加会严重影响到路面结构的力学性能，为了能够考验车辆在其中变化情况，在高模量沥青混凝土路面与常规沥青混凝土路面结构方面所产生的不同影响，对同一行驶速度下的不同接地压力所形成的力学指标进行对比，纵向剪应力与剪应变数值选择最大正值，高模量沥青混凝土路面与常规沥青混凝土路面在力学相应的变化趋势方面基本一致，数值都会伴随接地压力持续增加而显著增加，两种路面当中的竖向位移﹑应力﹑剪应力数值在增加速度方面的差值并不明显。可是在初始数值增加到最大数值的时候，高模量沥青混凝土路面的竖向应变﹑剪应变数值比常规沥青混凝土路面的数值小，竖向应变﹑剪应变数值增加速度地域常规的沥青混凝土材质路面。

也就是说，移动荷载的影响之下，各个路面层在应力﹑位移与应变方面都存在瞬时性，行车荷载到达上方附近的时候才会产生显著变化。竖向﹑横向﹑纵向应力的最大数值存在一定差异，都产生于表面层，数值会伴随路面深度持续增加得到显著降低，到基层的时候应力值基本为零。横向应力与纵向应力则表现出交变特性，荷载在研究点上方附近的时候，数值都会产生突变。而水平﹑竖向剪应力于行车荷载研究中，其数值会呈现出正负值变化，最大的水平剪应力在表面层，水平剪应力主要作用在沥青上面层与中面层。中面层所承受的竖向剪应力是最大的，把高模量沥青混凝土设置在中面层，能够强化提升其抗剪强度，更能够规避因为剪应力交变性所产生的路面损坏问题。

在高模量沥青混凝土路面受外界的移动荷载时，沥青面层三向应变比较小，应变较大部位处在底基层与土基。竖向应变于路面结构层的表现就是压应变，横向应变与纵向应变之间的变化规律基本上一致，都具备抗压交变的特殊属性。伴随移动荷载的持续接近，每个层的位移持续增加，表面层竖向位移数值最大，深度持续增加，车辆荷载会导致竖向位移数值的持续降低，基于土基至沥青面层，位移变化数值的差距较小，因此土基所产生的竖向位移属于路面弯沉问题的主要原因。载重相同但车速不同，车速持续提升，高模量沥青混凝土路面结构层所承受的五个参数数值逐渐减小，所以说，适当地提升车辆的行驶速度，能够减少其对路面所产生的破坏影响。车速相同而载重不同，车辆载重增加，高模量沥青混凝土路面所承受的各项参数数值也随之增加。也就是，说超载会对沥青路面产生压密变形与剪切破坏，需要相关部门高度重视超载治理问题，同时积极探析具有针对性的解决对策[5]。

移动荷载的影响之下，高模量沥青混凝土路面与常规沥青混凝土路面当中的参数数值变化趋势大致相同，对比常规的沥青混凝土路面，高模量沥青混凝土路面的压实力﹑剪应力持续变大，但是压应变﹑竖向位移以及剪应变持续减小。对比应力变化来讲，压应变﹑剪应变有显著降低，所以说高模量沥青混凝土路面可有效规避路面的竖向变形与剪切破坏，移动荷载处在研究位置的时候，高模量沥青混凝土路面所出现的竖向位移显著降低，其强化提升了路面平顺度。

在高模量沥青混凝土路面﹑常规沥青混凝土材质路面上施加不同的车辆荷载，其力学相应数值会伴随接地压力增加显著增加，可是高模量沥青混凝土路面形成的竖向应变﹑剪应变数值对比常规沥青混凝土材质的路面得以降低，也就是说其能够规避重载交通对路面产生的变形影响。

3 结束语

综上所述，对沥青黏弹性﹑入编变形相关理论进行探析，不同应力应力最大值出现时候，数值会因为路面深度增加持续减小，横向应力与纵向应力属于是交变特性，伴随深度持续增加，车辆荷载形成逐渐变小，其也是致使路面出现弯沉问题的关键性因素。对比传统形式的沥青混凝土路面，高模量沥青混凝土面层中所有结构层都会产生蠕变应变与永久变形，因为接地压力持续增加，其车辙问题得到明显降低，有助于车辆行驶过程中的安全性与舒适性。