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摘要：车辙是高温地区半刚性基层沥青混凝土路面典型破坏形式之一。本文以数值模拟为主导，采用大型商用有限元软件ABAQUS对车辙产生过程中沥青混凝土面层蠕变应变的发展规律以及车辙产生后路面变形状态进行了研究。结果表明，轮心附近路表发生下陷变形，轮隙附近及轮缘外侧路表发生向上隆起。路面在卸载后残余变形随时间变化不大，车辙变形是永久变形。由路表向下沥青混凝土面层横向蠕变应变和竖向蠕变应变均先增大后减小，峰值蠕变应变和横向峰值蠕变应变大致相等。车辙变形主要发生在路面中下面层，减小车辙量应该加强中下面层尤其是中面层抵抗永久变形的能力。
引言
车辙是渠化交通下高等级公路沥青混凝土路面的主要破坏形式之一。车辙发展到一定程度会使得车辆变道时方向失控。雨天会产生车辙内积水，引发路面的水损害以及车辆的漂滑。研究成果表明，我国高速公路养护费用中有90%用在了车辙上。因此研究车辙的产生机理可以指导沥青混凝土路面的结构设计。在正常情况下，沥青路面的车辙包括结构型车辙、流动型车辙及磨损型车辙三种类型。在我国，由于基层多采用半刚性材料，强度较大，结构型车辙很少。沥青路面的永久性变形基本上都属于沥青混合料的流动变形。因此，车辙主要为第二类流动型车辙。为了延缓车辙的产生，主要应从提高沥青混合料高温稳定性着手。
1 ABAQUS蠕变本构[5]
在ABAQUS中，沥青混合料的蠕变本构可以表征如式（1）。
（1）
式中：—蠕变应变率；
σ—等效应力；
t—荷载累计作用时间；
A、m、n—与材料相关的参数。
将式（1）对时间积分得到应变、应力以及加载时间的关系如式（2）。
（2）
通过蠕变试验得到的试件蠕变应变与时间的关系曲线，拟合参数A，m，n，拟合结果见图1及表1。
2 路面模型的建立与检验
文献[6]论证了二维平面模型在车辙模拟中的可行性。本章采用二维平面应变模型对车辙产生过程中沥青面层蠕变应变的发展规律以及车辙产生后路面变形状态进行研究，见图2。荷载简化方式参考文献[6][7]将双圆荷载简化为双矩形荷载，见图2。加载时间取125000s，相当于重交通路面按设计使用期累计标准轴次2000万次/车道、车速64km/h计算路面使用中期荷载累计作用时间。沥青面层上面层模量取为180.55MPa，下面层模量取为120MPa。对于半刚性基层路面，车辙主要出现于沥青面层，基层以下部位变形量较小，可以假定基层以下部位均为弹性材料，材料参数取值见表2。经过反复试算并考虑到计算条件限制，确定模型尺寸为2.6m×5.0m；采用四边形8节点单元CPE8R，面层加密，从面层底部到土基底面单元尺寸逐渐加大，整个模型共划分为4920个单元；边界条件为约束左右边界水平位移和下边界竖向位移；局部网格划分及边界约束条件见图3。
3 计算结果分析
经过比较，路面在卸载后各时间点残余变形变化不大，卸载80000s时的变形完全可以看作路面的永久塑性变形见图4。轮载反复作用下，沥青面层发生缓慢的塑性流动，路面不同位置由于所处应力环境不同表现出不同的变形状态。轮心附近路表所受竖向压应力最为明显，因而发生下陷变形；轮隙附近受车轮横向挤压作用明显，向下的变形又受到限制，因此发生向上隆起；轮缘外侧同样受水平挤压，但是挤压作用没有轮隙处明显，隆起量小于轮隙处。轮心处最大车辙变形量为3.315mm，轮隙处最大隆起量为3.092mm，外轮缘处最大隆起量为1.624mm，见图6。下面层相对变形量要大于上面层相对变形量，见图7。轮载作用面下方上面层最大相对变形为0.033，下面层最大相对变形为0.060，较上面层增大了81.8%；轮隙处上面层最大相对变形为0.022，下面层最大相对变形为0.053，较上面层增大了140.9%。因此，车辙变形主要发生在路面中下面层，减小车辙量应该加强中下面层尤其是中面层抵抗永久变形的能力。
由图8、9，横向蠕变应变和竖向蠕变应变首先发生在路表以下一定深度，而不是路表。外轮缘处蠕变变形首先发生在轮载作用面外侧偏向轮心以下一定深度范围，内轮缘处蠕变变形首先发生在轮载作用面内侧偏向轮心向下一定深度范围，轮隙处蠕变变形首先发生在轮隙中心向下一定深度范围，随加载时间增长蠕变变形区域逐渐向四周扩展。由于外轮缘处相对于轮隙处约束较弱，外轮缘处蠕变变形最为明显。轮载作用面下方和轮隙处是蠕变变形相对集中的两个区域，因此，利用ABAQUS后处理中的路径功能对这两个区域的蠕变应变进行详细分析。路径选择见图5，其中路径1为轮心到半刚性基层顶面垂直距离，路径2为轮隙中点到半刚性基层顶面垂直距离，路径3为上面层底部向下5mm处轮隙两侧一定范围水平距离。
由图10、11，路表向下沥青面层横向蠕变应变和竖向蠕变应变均先增大后减小，轮心往下距路表大约45mm，即上面层底部往下5mm处达到峰值，轮隙往下距路表大约50mm，即上面层底部往下10mm处达到峰值，以后随深度增加逐渐减小，在沥青面层和半刚性基层的结合处减小为0。竖向峰值蠕变应变和横向峰值蠕变应变大致相等，轮隙下部峰值蠕变应变出现的深度较轮心下部峰值蠕变应变出现的深度大。沿路径1竖向蠕变应变均为负值，水平蠕变应变均为正值，说明轮心下部路面竖向应变为压应变，水平应变为拉应变；沿路径2竖向蠕变应变均为正值，水平蠕变应变均为负值，说明轮隙下部路面竖向应变为拉应变，水平应变为压应变。在路表附近，由于轮心处直接承压，轮心下部蠕变应变值明显大于轮隙下部，峰值点往下二者趋于一致。轮心下部蠕变应变值直接关系到路面车辙量的大小，轮心下部最大蠕变应变出现于上面层底部往下5mm处，见图5中A点。对路径3的蠕变应变分布以及A点处蠕变应变在整个加载过程中的发展作进一步研究。
沿路宽方向，竖向蠕变应变和水平蠕变应变方向相反，蠕变值大致相等。蠕变应变的三个峰值点分别位于轮隙处、外轮缘偏向轮心内侧、外轮缘外侧。在外轮缘偏向轮心内侧水平蠕变应变和竖向蠕变应变均达到最大值，外轮缘外侧峰值蠕变应变值相对较小。内轮缘处蠕变应变值和轮隙处蠕变应变值大致相等。由外轮缘外侧沿路宽方向蠕变应变值逐渐趋近于0，见图12。在加载前40000s内水平蠕变应变和竖向蠕变应变均发展较快，以后蠕变曲线趋于平缓，见图13。因此，路面车辙往往出现在通车初期，以后车辙发展速率会相对减慢。
路面变形可以分为弹性变形和非弹性变形两部分，在加载瞬间产生瞬时弹性变形，以后的变形为由粘性变形和塑性变形耦合的蠕变变形。
（1）轮载作用面下方和轮隙处是蠕变变形相对集中的两个区域，横向蠕变应变和竖向蠕变应变首先发生在路表以下一定深度，而不是路表。由路表向下沥青面层横向蠕变应变和竖向蠕变应变均先增大后减小，轮隙下部峰值蠕变应变出现的深度较轮心下部峰值蠕变应变出现的深度大。竖向峰值蠕变应变和横向峰值蠕变应变大致相等。因此，减小车辙量应该加强中下面层尤其是中面层抵抗永久变形的能力。
（2）轮心下部路面竖向应变为压应变，水平应变为拉应变；轮隙下部路面竖向应变为拉应变，水平应变为压应变。路表附近，轮心下部蠕变应变值明显大于轮隙下部，峰值点往下二者趋于一致。
（3）沿路宽方向，竖向蠕变应变和水平蠕变应变方向相反，蠕变值大致相等。在外轮缘偏向轮心内侧水平蠕变应变和竖向蠕变应变均达到最大值。
（4）在前40000s内水平蠕变应变和竖向蠕变应变均发展较快，以后蠕变曲线趋于平缓。表面路面车辙变形主要发生在道路建成通车初期。
参考文献：
[1]邓学均.路基路面工程[M].北京：人民交通出版社.2000.
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[6]黄菲.路面永久变形数值模拟及车辙预估（硕士学位论文）.南京：东南大学，2006.
[7]黄晓明，赵永利，高英.高速公路沥青路面设计理论与方法.北京：人民交通出版社，2006.
作者简介：
李秀飞，男，1982年9月，工学硕士，一级注册结构工程师。
论文作者:李秀飞, 张娇
论文发表刊物:《基层建设》2015年24期供稿
论文发表时间:2016/3/16
标签：应变论文; 面层论文; 车辙论文; 路面论文; 沥青论文; 峰值论文; 外轮论文; 《基层建设》2015年24期供稿论文;