哈尔滨工业大学交通科学与工程学院，黑龙江 哈尔滨

收稿日期：2022年9月25日；录用日期：2022年10月15日；发布日期：2022年10月26日

摘要

为了研究典型路面结构的抗车辙性能及其影响因素，基于黏弹性本构理论及ABAQUS软件，建立了路面结构车辙变形分析的力学模型，对比分析了五种典型路面结构的抗车辙性能，研究了温度及材料模量对路面结构抗车辙性能的影响。研究表明，常规的半刚性基层路面结构的抗车辙性能优于全厚式沥青路面结构。随着温度的升高，路面结构的抗车辙变形能力降低，当温度超过50℃时，抗车辙能力下降得更为显著。适当的提高中面层材料模量可以提升路面的抗车辙性能，过大的材料模量对进一步提高路面结构的抗车辙能力有限。

关键词

路面结构，车辙，温度，模量

Research on Anti-Rutting Performance of Typical Pavement Structure and Its Influencing Factors

Yunliang Li, Xu Li

School of Transportation Science and Engineering, Harbin Institute of Technology, Harbin Heilongjiang

Received: Sep. 25^th, 2022; accepted: Oct. 15^th, 2022; published: Oct. 26^th, 2022

ABSTRACT

In order to study the anti-rutting performance of typical pavement structures and the influencing factors, a mechanical model for rutting deformation analysis of pavement structures was established based on viscoelastic constitutive theory and ABAQUS software. The anti-rutting properties of five typical pavement structures were compared and analyzed, and the effects of temperature and material modulus on the anti-rutting properties of pavement structures were studied. The research shows that the anti-rutting performance of the conventional semi-rigid base pavement structure is better than that of the full-thickness asphalt pavement structure. With the increase in temperature, the anti-rutting deformation ability of the pavement structure decreases, and when the temperature exceeds 50˚C, the anti-rutting ability decreases more significantly. Appropriately increasing the material modulus of the middle surface layer can improve the rutting resistance of the pavement. Excessive material modulus is limited to further improve the rutting resistance of the pavement structure.

Keywords:Pavement Structure, Rutting, Temperature, Modulus

Copyright © 2022 by author(s) and Hans Publishers Inc.

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1. 引言

沥青作为一种温度敏感性材料，在高温条件下沥青的流动性增强，抗变形能力降低。这导致在夏季高温条件下，沥青路面的车辙变形已成为一种典型的高温病害形式。因此沥青路面的车辙是一种普遍存在的路面病害形式。路面车辙产生以后，会影响到路表的平整度，显著降低路面的服役性能。较大的车辙变形，会引起路面的结构性破坏，只能通过结构性大修才能解决较大的车辙病害，使道路养护成本显著增加。因此如何有效地控制及防治车辙病害是道路领域长期存在的一个重要技术问题。

目前，对沥青路面车辙的形成机理、影响因素、预测模型等方面进行了大量的研究工作。Liu Gang等对沥青路面车辙形成的影响因素进行了研究，分析了不同车辙预测模型的预测效果，确定了模型的选用方法 [1]。郑涛辉等对沥青路面车辙病害的形成机理进行阐述，探讨了影响车辙病害的因素，并在此基础上从沥青混合料材料特性和施工工艺两个角度对车辙防控进行分析 [2]。洪正强等基于车辆动力学理论，采用CarSim仿真软件，建立了典型车辆模型及车辙道路模型，验证了模型建立的准确性，提出了不同行驶条件下的沥青路面车辙阈值定量指标 [3]。陈磊磊等研究了车辙深度对路面结构的影响，建立了车辆跨越车辙时的动荷载计算模型，研究了车辆荷载作用下路面结构的内部损伤，探索了不同车辙深度下路面使用性能的衰减规律 [4]。徐敬业等对车辙统计方法的合理性与其发育机理进行了研究，基于车辙深度统计数据，拟合车辙深度分布图得到相应期望值，对比车辙深度平均值进行差异性分析，分析了高速公路车辙深度与车辆轴载之间的相关性，探讨交通荷载作用下沥青路面车辙深度的发展规律 [5]。李文良通过室内静态蠕变试验和Prony级数转化，得到了满足有限元计算的黏弹性材料参数，对气温和路表温度进行分析，开展了不同月份车辙的贡献率研究，基于Burgers模型建立了温度和荷载耦合的三维有限元模型，构建了轴载、荷载作用次数及年均路表代表高温温度的3因素车辙预估模型 [6]。李喜等研究了路面温度场与实际交通荷载分布下的车辙发展规律，分析了温度与荷载实际耦合作用对沥青路面车辙的影响，建立不同月份下的车辙预估公式，并通过室内试验分析了温度对不同类型沥青混合料的车辙影响程度 [7]。付新新等基于ABAQUS软件，从弹性模量和使用年限两个角度对全寿命沥青路面车辙进行了力学分析，并得到车辙变化规律 [8]。

本研究基于ABAQUS软件，建立了5种典型的沥青路面结构，对比分析了不同路面结构的抗车辙性能，研究了温度及材料模量等因素对路面结构抗车辙性能的影响。

2. 典型路面结构及分析方法

2.1. 典型路面结构及材料参数

为了研究不同路面结构的车辙形成过程及其抗车辙性能，根据路面常见结构的应用现状，选取5种不同的典型路面结构进行研究，路面结构型式如图1所示。结构I、II、III是全厚式路面结构、结构IV、V为常见的半刚性基层路面结构及柔性基层路面结构。

图1. 路面结构

2.2. 车辙模拟有限元模型

基于ABAQUS软件，建立二维车辙分析模型。根据图1所示的5种路面结构，模型深度取7000 mm，宽度取6000 mm。边界条件为模型底部固定，左右两侧水平方向固定，载荷为标准轴载，有限元模型如图2所示。

在载荷作用范围内，模型横向上网格宽度为20 mm，载荷作用范围外为50 mm；纵向根据各结构层厚度变化确定网格尺寸。采用CPE8R八结点双向二次平面应变四边形单元进行网格划分。

采用ABAQUS软件中Bailey-Norton蠕变模型，即时间硬化模型。该模型能够很好地反映沥青混合料在高温环境下的流动变形。Bailey-Norton蠕变模型利用材料的杨氏模量和泊松比来表征材料的弹性特征，运用蠕变参数A，m，n来表征材料的蠕变特征，其具体公式为：

$\stackrel{\dot{}}{\epsilon }=A{\sigma }^m{t}^n$ (1)

式中： $\stackrel{\dot{}}{\epsilon }$ -蠕变应变率； $\sigma$ -等效应力； $t$ -载荷累计作用时间； $A$ 、m、n-蠕变参数。

3. 路面结构抗车辙性能对比分析

采用图2所示的车辙分析模型对不同路面结构的抗车辙性能进行研究。标准轴载的作用时间为60,000 s。计算得到的路表车辙变形如图3所示。从图中可以看出，由于考虑了材料的黏弹性，因此在载荷的长期作用下，路表出现了较为明显的流动型车辙变形。在载荷区域内竖向变形为负值，变形向下；在两轮载荷中间和旁边为正值，变形向上。模型顶面竖向变形呈W形。实际路面上的车辙病害呈现为沿轮迹带中部较深的凹槽以及沿轮迹带两侧突出的隆起变形，可见模拟结果符合车辙变形规律。

图2. 车辙分析有限元模型

图3. 车辙变形(结构I)

为了分析路表车辙竖向变形规律，取路表的竖向变形随路表横向位置的变化曲线，如图4所示。由5种结构模型顶面竖向变形曲线可以看出，轴载作用部分竖向变形很大，两侧数值很小可以忽略，中部竖向变形变化很大。对于5种结构，每种结构顶面取3个竖向变形数值，分别为轴载处最大竖向变形、轴载外侧最大竖向变形、两轮中间最大竖向变形为对比值，所提取的数值如表1所示。

表1. 路面结构竖向变形(mm)

可以看出，对轴载处的最大竖向变形，结构III最大，结构II次之，结构I和半刚性结构IV、结构V变形稍小，但差别不大；对于轴载外侧最大竖向变形，结构III最大，其他4种结构差别较小。而结构V中间处最大变形最大，结构IV与之相近，结构I最小。此外，结构IV与结构V结构相似，因各处竖向变形的差异也不大，可认为两种结构抗变形能力大致相同。在工程实践中，一般取车辙深度为指标，即本模型中的轴载处竖向变形，由此可以看出，结构IV的抗车辙能力较好，和结构I、II、V的抗车辙能力较为接近，结构III的抗车辙能力最差。通过对比分析可知，常见的半刚性基层路面结构具有较好的抗车辙性能，而对于全厚式路面结构，由于其沥青结构层较厚，因此其在相同的载荷作用下，产生的竖向变形较大，相以而言抗车辙能力较差。

图4. 路面结构竖向变形

4. 温度对车辙变形的影响

车辙的产生与路面的温度密切相关，路面结构层的温度对车辙变形的大小有着显著的影响。为了分析温度对不同路面结构车辙变形的影响，选取温度分别为20℃、30℃、40℃、50℃、60℃。不同温度条件下，沥青混合料的蠕变参数如表2所示。

表2. 材料参数

依据图2所示的车辙分析模型，得到不同路面结构车辙变形随温度的变化如图5所示。从图中可以看出，5种路面结构在不同温度下的最大竖向变形规律大致相同，随温度的增加，路面结构的车辙变形增大。值得注意的是，在20℃~50℃时5种路面结构的车辙变形增长缓慢，而当温度超过50℃时，5种路面结构的车辙变形迅速增大。60℃时的车辙变形约为50℃时的3到4倍。在夏季高温季节，沥青路面的温度将达到60℃以上，60℃的温度已经超过了绝大多数沥青的软化点，在这么高的温度条件下，沥青会明显软化，抵抗变形的能力明显降低，变形恢复能力下降，塑性变形增大，变形的长期积累即会产生车辙病害。

通过图5可以对比分析5种路面结构在不同温度下的车辙变形。在高温条件下(60℃)，结构IV和结构V的变形曲线基本重合，在不同温度条件下，两种结构的抗车辙性能基本相同。结构III的变形最大，结构I次之，结构II处于结构I与结构IV之间。所以与前面的分析结论相同，在高温条件下(60℃)，半刚性基层路面结构与全厚式路面结构相比，同样具有较好的抗车辙性能。

5. 材料模量对车辙变形的影响

沥青混合料的模量对路面的车辙变形存在较大的影响。在通常情况下，可以提高沥青混合料的模量来提高路面结构的抗车辙性能。通常情况下，车辙变形集中产生在中面层，因此可以通过提高中面层的材料模量来提高路面结构的抗车辙性能。根据图1所示的5种路面结构，通过提高AC-20的材料模量，来分析中面层模量对路面结构抗车辙性能的影响。将AC-20杨氏模量分别设为1000MPa-20000MPa进行模拟，得到5种路面结构的车辙变形随AC-20材料模量的变化曲线如图6所示。

图5. 路面结构不同温度下最大竖向变形

从图6可以看出，随着AC-20材料杨氏模量的增加，各结构的车辙变形均呈减小的趋势。当模量由1000 MPa增加至10,000 MPa时，车辙变形减小幅度较大，随着模量继续增加，车辙变形减小的幅度降低。说明适当提高中面层的材料模量，对结构的抗变形能力是有利的，会提升结构的抗变形能力。随着模量的提高，中面层抵抗变形的能力增强，因此随着中面层模量的提高可以减小车辙变形，但是上面层也会产生一定的车辙变形，中面层材料模量过大时，对路面结构抗车辙能力的提升作用有限，因此通过提高中面层材料模量的方式降低车辙变形是有一定的限度的，过大的提高中面层材料模量对路面抗车辙能力的提升有限，反而会增加建设成本。

图6. 路面结构车辙变形随模量的变化

6. 结论

本文基于沥青材料的黏弹性本构，建立了5种典型路面结构的车辙分析模型，对比分析了不同路面结构的抗车辙性能及其影响因素。常规的半刚性基层路面结构的抗车辙性能较好，对于全厚式沥青路面结构，由于其沥青层较厚，所以其抗车辙变形能力相对较差。随着温度的升高，沥青路面的车辙变形增大，尤其是当温度超过50℃时，沥青路面的车辙变形迅速增加，路面结构的抗车辙能力显著下降。随着中面层材料模量的提高，路面结构抗车辙变形能力增强，但当中面层材料模量超过10,000 MPa时，材料模量对路面结构抗车辙能力的提升有限，因此应当适当提高中面层的材料模量，过大的中面层模量对路面结构的抗车辙性能的影响较小。

文章引用

李云良,李 旭. 典型路面结构抗车辙性能及其影响因素研究
Research on Anti-Rutting Performance of Typical Pavement Structure and Its Influencing Factors[J]. 土木工程, 2022, 11(10): 1112-1119. https://doi.org/10.12677/HJCE.2022.1110123

参考文献