纵坡路段沥青路面车辙预估分析

【摘要】长大上坡路段，载重汽车行驶速度降低，路面经受荷载的作用时间增长，产生大量车辙。通过建立蠕变速率模型，预估沥青混凝土路面车辙形变，结合工程实例验证了该模型的适用性。

【关键词】车辙 ； 蠕变；长上坡路段

[Abstract] the continuous uphill sections, the truck speed decreases, pavement subjected time load growth,produce a lot of rut. Through the establishment of creep rate prediction model, the deformation of rutting of asphalt concrete pavement, combined with the engineering example validates the applicability of thismodel.

[keyword] rutting; creep; long uphill section

中图分类号：U416.217文献标识码：A文章编号：2095-2104（2013）

0. 引言

大量的车辙调查发现，我国高速公路沥青路面的车辙大量地发生在长大纵坡路段，由于我国的许多载重汽车的车况较差，上坡能力很差，车速迅速降低，使车辙迅速产生。沥青材料作为一种粘弹性材料，遵从流变学的一般规律及温度与时间的换算法则。粘弹性物体在变形时，其应力不仅与荷载及形变大小有关，而且与形变速度有关。粘弹性物体的形变与弹性物体不同，其形变经常滞后于作用力，当作用力消除后，形变并不立即完全消失，要经过一段时间才能逐渐恢复，这一现象称为推迟高弹或粘弹。沥青在固定的应力作用下能产生随时间而形变增加的特性，即形变随着时间的增长而继续发展的现象，称为蠕变。蠕变可能是由于组成物体的分子由卷曲状态逐渐改变其构象而伸直，也可能是由于某些分子发生位移而导致不可逆塑性变形的结果。沥青的结构、环境温度及作用力的大小等都对蠕变有影响[1]。

1. 蠕变速率模型

沥青混凝土是一种时间、温度、应力依赖性的材料，在重复荷载作用下，产生弹性、塑性、粘弹性、粘塑性响应。其中，弹性变形可以恢复，弹性响应对于路面的永久变形并无贡献，以弹性模量和泊松比表征即可；塑性变形部分将在荷载的反复作用下不断累积造成永久变形，可用一蠕变模型进行表征

(1-1)

其中，为蠕变速率，为车轮对路面的接触压力，t为车轮在路面同一点上的作用时间，C、m、n为与与材料性能，包括集料颗粒尺寸、棱角性、沥青粘度等相关的常数。

将式(1-1)积分计算得：

(1-2)

其中，为永久变形量。荷载作用时间t取决于轮迹的长度和车速，轮胎的接触压力与荷载和轮迹的作用面积有关，研究表明，轮胎的接触压力近似等于轮胎压力。

对于参数C、m、n，H. Huang和Jeff Hua[2]通过路面加速试验APT(Accelerated Pavement Testing)，利用蠕变模型进行了研究，该方法能够充分模拟现场的车辙。研究发现，对于直接引起车辙的路面层次，他们建议C取0.84×10-5，m取0.8，n取-0.5；对于劲度较大、性能较好的层次，C值是破坏层的1/160甚至还小，所以可以忽略其他层次的车辙。因此，该车辙模型的表达式为：

(1-3)

2. 蠕变速率模型应用

而在经济不很发达的国内，超重载车辆随处可见，数据表明，一些主要干道上，超载车辆的比例超过了50%，有的地区高达70%~100%，超载率很多都在80%~120%。单轴轴重超过l0t的车辆超过24.34%，甚至超过20t的车辆也有1%；双轴轴重超过20t的车辆约为88.51%。超限超载必然引起胎压的上升，根据广州某路段的调查[3]，49%的载货货车后轮轮压超过了1.1MPa，远远超出了国内沥青路面设计规范0.7MPa的设计接地压力。超载现象十分普遍，而且超载车的比例以及超载量呈逐年恶化的趋势，巨大的载重和交通量对路面结构造成极为严重的损坏[4]。

在较大纵坡上行驶时，载重汽车车速能降低到设计速度的一半以下，如设计时速为80 km/h，意味着其在纵坡上的平衡车速低于40 km/h。计算时以典型的载重车额定载荷为例，轮胎接地压力为标准轴载接地压力0.7MPa，坡上平衡速度为40 km/h。轮胎接地时间除与车速密切相关外，还与轮迹有关。一般把轮胎接地形状简化为矩形，矩形的面积和轮胎的规格、荷载、胎压等因素有关。

俞淇[5]研究了轮胎的接地因数L/B(轮胎接地面积中长轴L和短轴B之比)，当轮胎承受的荷载和胎压变化时，接地因数随之改变。12.00-20 18PR(12.00为轮胎宽度、20为轮胎公称内径，单位是in, 18为轮胎层级数)重卡轮胎在不同荷载不同气压下的接地因数如表2-1所示。

表2-112.00-20 18PR轮胎的接地因数

由上表可以看出，随着胎压的增大，接地因数减小；随着轮胎荷载的增加，接地因数增大。以载货车超载一倍为例，在标准气压810 kPa下，其接地因数为1.585。计算得车辆未超载时接地矩形的宽度、长度为：

由此可得，在平路上车辆按照80 km/h速度行驶时，轮胎对地面某点的作用时间为

在纵坡路段，载重车速度降到正常行驶速度一半以下时，以40km/h计算，忽略纵坡对轮胎荷载变化、接地因数的影响，则纵坡上轮胎接地作用时间t1为；

车辆超载时，上坡速度较额定荷载时还要小，当超载一倍时，为方便起见，以额定荷载时的60%速度即24 km/h计，作用时间为：

在如上三种作用时间下，忽略其它因素的影响，采用公式(1-3)，按照接地压力0.7MPa, 0.9MPa, 1.1MPa, 1.3MPa分别计算车轮作用后的永久变形量，结果见表2-2。

表2-2不同接地压力下的永久变形

可见，同一车辆在纵坡上行驶时对路面造成的蠕变大于平路。超载重车在纵坡路面上减速行驶，当超载使得轮胎接地压力从0.7MPa涨到1.3MPa时，由其引起的永久变形量从1.6510-6涨到5.5810-6，为正常情况下的3.38倍。当然，这些数字并不能说明超载对实际路面造成的破坏程度，超载超限对沥青路面的破坏远大于此，不仅蠕变引起的永久变形量，车辆启/制动、加速时附加的作用力，将加速沥青路面的剪切破坏，尤其是在纵坡路段上。

3 小结

应用蠕变速率模型可以预估沥青路面的车辙形变，尤其适于分析超/重载及慢速行驶车辆对沥青路面的破坏。

参考文献

[1].沈金安等，沥青及沥青混合料路用性能[M]，北京:人民交通出版社, 2001.1

[2].H. Huang, T.D. White, Modeling and analysis of accelerated pavement tests. Transportation Research Record, Transportation Research Board-National Research Council, Washington, DC,1998.

[3].黄文元, 工旭东.公路货运超载运输现状及对策的建议[J]. 公路交通科技, 2003, 20(2):148~152.

[4].傅珍, 超载运输对路面结构的损伤研究[D]. 硕士学位论文, 长安大学, 2004

[5].俞淇, 丁剑平.轮胎的承载能力分析[J].轮胎工业,2000