沥青路面车辙力学机理研究

沥青路面车辙力学机理研究

申超月

重庆交通大学 土木工程学院 重庆  400074

摘要：我国公路大多采用的是沥青路面，而在我国南方高温地区，沥青路面破坏的主要形式是车辙。车辙的产生不仅会影响路面行车的舒适性，还会引发其它病害的产生，这就会使沥青路面的寿命周期缩短。因此预防车辙的发生是十分必要的。而沥青混合料它是一种黏弹性材料，具有多尺度、多组分的特点，它的受力是十分复杂的，这给不少学者的研究工作带了不少的难度，本文针对道路条件复杂、超载严重的现状，梳理了目前主要的车辙预测方法和沥青路面永久变形的研究成果，以期为后期研究工作者提供参考依据。

关 键 词：沥青路面；车辙；力学分析

0  引言

我国公路总里程已经达到了528万公里，其中沥青路面占比达到95%以上，在我国建设发展初期，道路大量建设，目前我国公路大都进入了养护维修阶段，公路建设已由“建设为主”逐步过渡到“建养并举”和未来“以养为主”的发展阶段。而借助力学手段揭示路面病害产生机理，并提出有效的病害防治技术，是养护工作的重中之重，具有重要的工程和社会意义。

目前我国路面主要利用层状弹性体系理论进行设计，这种理论对新建路面的力学分析是适用的。但是，路面病害的力学机理非常复杂，涉及到多种力学理论，层状弹性体系理论远不能满足工程要求，需要建立路面病害力学理论体系。例如，为了更好地预测全寿命周期内沥青路面的弯沉和变形，需要借助弹塑性和黏弹性力学。为此，本研究从破坏力学的角度，对沥青路面车辙病害的力学机理进行了概括性分析，对国内外与路面病害有关的力学研究进行了简要论述,希望对路面病害力学体系的建立起到一定的指导作用。

1  沥青路面车辙病害的形成机理

   在行车荷载反复作用下，沥青路面结构层竖向会积累永久变形，该永久变形与土基、基层的变形和沥青混合料的特性都有一定的关系[1]。

  一般将车辙[2]过程分为如图1所示的3个阶段。

图1 沥青路面车辙形成过程示意图

第一阶段: 开始压密的过程。沥青、矿粉组成的胶浆以及半流体状的沥青填充进矿料缝隙内，此外，粗骨料和细骨料也被碾压，排列形成了一定的骨架结构。

第二阶段: 沥青混合料流动的过程。在高温状态下，沥青混合料呈现出半固体状态，此时它主要以黏性为主。在大荷载的作用下，沥青、沥青胶浆产生黏性流动，导致沥青混合料密实的骨架结构失稳。

第三阶段: 矿质骨料的重新排列及矿质骨料的破坏过程。在荷载作用下，沥青、沥青胶浆发生流动，半固态的骨架结构承担了大部分的荷载作用，在沥青润滑和荷载的双重作用下，沥青、沥青胶浆最终流向沥青混合料的自由面，从而发生破坏和失稳。

2  沥青路面车辙预测方法

车辙病害对沥青混合料的危害是十分严重的，为了延长路面的使用寿命，降低车辙病害对沥青路面的危害，建立科学合理的车辙预估模型是十分必要的。 下面将简要论述国内外发展的主要车辙预测方法[3]。

2.1 理论方法

  1979年HUSCHE提出了修正的模型以表征混合料的黏弹特性；它假定了应力应变是线性关系，依据车速，将静态应力、应变转变成时间的函数。计算公式如下：

该方法是基于黏弹性层状体系提出的，考虑了时间硬化作用，可以反映侧向流动，但黏弹性应力是由车速转换而来。

2.2 经验方法

   经验方法出现时间较早，也可以把它看成一种统计。

    近年来，Bailey-Norton蠕变规律被广泛用于计算路面变形，表达式为：

2.3 力学-经验方法

力学-经验法计算应力和应变通常采用弹性或者黏弹性层状体系理论。

KENISWJ提出了基于力学计算和单轴重复加载试验的沥青路面车辙预估方法[4]：

3  结论

与水泥混凝土路面相比，沥青路面具有很好的路用性能，这使得我国公路建设中多采用沥青路面作为面层使用。然而，车辙是沥青路面的经常性病害尤其是在我国南方地区。本文从沥青路面车辙的形成机理出发，介绍了车辙病害的预测方法：理论法在参数的确定方面有很大经验性且较为复杂，经验法是通过试验得到的材料参数计算车辙深度，力学-经验法经过修正完善，考虑的因素较为全面，但依然具有局限性，需要进一步探究。这使得不少读者对沥青路面车辙病害形成了系统的认识，以期为后期研究工作者提供参考依据。

参考文献(References)：

[1]张久鹏，黄晓明，赵永利.沥青路面车辙处沥青迁移规律及其粘弹性力学机理[J]. 武汉理工大学学报（交通科学与工程版）,2008, 32(4):596-598.

[2]MATTM.Guide for mechanistic-empirical design of new and reha- bilitation pavement structure[R].IIIinois,USA:National Cooperative Highway Research Board and National Research Council，2004: 12.

[3]廖剑辉.基于黏弹性力学理论的沥青路面车辙机理研究[J].交通世界，2018,20(7):33-35.

[4]KENIS W J．Predictive design procedures a design method for flexible pavements using the Vesys structural subsystem．Proceedings［C］/ / 4th International Conference on the Structural Design of Asphalt Pav- ements，1977．