荷载作用次数与温度耦合对路面抗滑性能衰减规律研究

荷载作用次数与温度耦合对路面抗滑性能衰减规律研究

隆友彬

中国水利水电第七工程局有限公司 成都 611730

摘要：本文通过ANSYS建立了公路沥青路面抗滑模型，以车辙深度和构造深度为评价指标，分析荷载作用次数与温度耦合对路面抗滑性能的影响。研究表明：同一温度下，随着作用次数的增加，车辙深度逐渐变大，同一磨耗次数下，随着温度升高，车辙深度逐渐加深，磨耗次数200000时，温度为70℃的比-40℃的车辙深度大9.05mm。从构造深度来看，随着磨耗次数的增加，构造深度逐渐下降，达到一定磨耗次数后趋于稳定，温度越大，衰减速度越快，因此在夏季温度较高时应该重点预防车辙病害。

1引言

随着我国道路交通事业的发展，国民经济的进步，公路里程数和汽车保有量不断增长的同时，交通事故也在不断增长。其中，抗滑性能是影响行车安全最重要的因素。由于沥青路面具有震动噪音小，行车舒适度高，施工周期短，维修养护便捷等优点，使得近年来我国大多数新建道路以沥青路面为主，沥青在高温下会变软，在低温下变脆，温度是影响沥青路面性能的重要因素，温度和荷载的双重作用下，加快了对路面的磨耗作用，使得路面变得光滑，降低了路面的抗滑性能，是诱发交通安全事故的重要隐患。为研究温度和荷载耦合作用下路面抗滑性能衰减规律，本文通过ANSYS建立了公路沥青路面抗滑模型，以车辙深度和构造深度为评价指标，分析荷载作用次数与温度耦合对路面抗滑性能的衰减规律。

2、荷载作用次数-温度耦合对路面抗滑性能影响

2.1抗滑模型

通过ANSYS建立了公路沥青路面抗滑模型，评价指标为车辙深度和构造深度，其中构造深度假设待测路面构造的最高点所在平面为铺砂平面，以路面构造最低点所在平面为底面，看作一个包含了所有路面宏观构造在内的矩形盒子。在这个由砂子和路面构造组成的盒子中，路面宏观构造的变化直接影响砂子的体积，如图1所示。传统的铺砂法就是计算覆盖在宏观构造上的这一部分砂体的平均高度，在模型中，可以通过计算盒子中路面部分的体积来反映砂体体积的变化情况。

图1由砂平面和路面构造组成的方盒

由于路面模型中的所有单元都是在 ANSYS 中通过定尺寸的扫掠方式划分生成的六面体单元，因此，每个单元的体积都可以通过8个角上的结点坐标计算得到。在算例模型中随机选择一定数量的路面单元样本，计算得到六面体单元样本的体积均值为V=0.025265mm3，样本标准差为-0.00117因此可以认为每个单元体积的变化误差忽略不计。根据路面模型上表面的所有有限元节点坐标，可以计算得到整个铺砂盒子的体积，而路面构造模型部分的体积可以根据组成模型的单元数量和单元平均体积求得，用整个铺砂盒子的体积减去路面构造模型的体积，就是模型构造深度(以下简称MTD)。其计算方法与铺砂法类似，为:

(1)

式中h1为路面最高点的高度坐标值；h2为最低点的高度坐标值；N为路面模型单元数量；V为六面体单元体积均值；S为路面模型投影面积。

2.2磨耗次数与温度耦合对路面车辙深度的影响规律

不同作用次数及温度下车辙变化规律如图2。

图2不同作用次数及温度下车辙变化规律

从图中可以看出，同一温度下，随着作用次数的增加，车辙深度逐渐变大，以70℃为例，作用次数50000到200000时从4.89mm增加到9.43mm，变化较大。同一磨耗次数下，随着温度升高，车辙深度逐渐加深，原因是，温度升高后，沥青混合料的模量下降，抗变形能力降低。磨耗次数200000时，温度为70℃的比-40℃的车辙深度大9.05mm，因此在夏季温度较高时应该重点预防车辙病害。

2.3磨耗次数与温度耦合对路面构造深度的影响规律

图3磨耗次数和温度耦合作用下构造深度的衰减规律

由图3可知，随着磨耗次数的增加，构造深度逐渐下降，达到一定磨耗次数后趋于稳定，温度越大，衰减速度越快，原因是温度升高后沥青粘度降低，混合料模量降低，抗磨耗性能下降，在车辆荷载的作用下更容易被压平，导致构造深度下降，温度较小时，沥青混合料模量大，抗磨耗性能强，试验过程中温度不同导致抗滑衰变终值和衰变速率有所不同，为了进一步的分析试验温度对抗滑衰变的影响，本文采用抗滑衰减率对其进行定量分析，衰减率公式如下：

(2)

式中：Hv-抗滑衰减率 (%)；h0-抗滑初始数值；hi-抗滑衰减终值。

表1衰减率计算表

从表中可以看出路面构造深度在-40℃时衰减率在49.1%左右，当温度达到30℃时衰减率在64.0%以上，70℃时衰减率在82.0%以上，从构造深度指标来看，温度升高，抗滑衰减值越大。另外，温度并不会改变构造深度的衰变规律，不同温度下抗滑衰减规律与之前保持一致。

3结论

本文研究了磨耗次数和温度耦合对车辙深度以及路面构造深度的影响，结果表明：

（1）同一温度下，随着作用次数的增加，车辙深度逐渐变大。同一磨耗次数下，随着温度升高，车辙深度逐渐加深，温度升高后，沥青混合料的模量下降，抗变形能力降低。

（2）随着磨耗次数的增加，构造深度逐渐下降，达到一定磨耗次数后趋于稳定，温度越大，衰减速度越快，原因是温度升高后沥青粘度降低，混合料模量降低，抗磨耗性能下降，在车辆荷载的作用下更容易被压平，导致构造深度下降。

参考文献：

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[3]余苗,曾俊森,罗延生等.基于室内磨耗试验的沥青表面纹理演化规律分析[J].重庆交通大学学报(自然科学版),2023,42(12):31-36+44.

作者简介：隆友彬 (1974.2-)，男，中国水利水电第七工程局有限公司，市政路桥方向高级工程师