沥青混凝土路面剖面图(关于沥青路面水平内力性质的讨论)

文章来源：微信公众号”沥青路面“

葡萄牙沥青路面专家认为，沥青路面的车辙主要原因是沥青混凝土路面在重复荷载作用下的剪切流动。我国的文献资料也很多，几乎全部资料都是讲：车辙是由水平剪应力引起的剪流变造成的，并且认为，基层模量越高，沥青路面水平应力越大。对此，笔者有不同意见。

悖论

汽车轮胎对路面的作用力是垂直向下的(其他论文、资料也是分析静止状态)压力，在这个压力作用下，路面材料内部压力增大，产生泊松效应，产生向四周膨胀的趋势，因此对周围材料产生水平压力，即横向力。显然，这个横向力的性质是压力而不是剪力。在这个横向力的作用下，路面材料产生水平位移，有部分位移卸载后不能恢复，即产生水平压流变，使得轮迹下的路面材料减少，形成车辙。这个水平压力再次产生泊松效应，产生的次级横向力是竖直向上的，它造成了轮迹带两侧路面的隆起。剪应力没有泊松效应，所以，剪力说无法解释路面隆起现象。

笔者认为，基层模量越高，沥青路面内部剪应力越大，车辙越严重的说法是错误的。力是物体与物体之间的作用，对于沥青面层与基层而言，作用力是从上往下传递的，面层对基层的压应力是由汽车轮胎压力和沥青面层的应力扩散特性决定的，与基层模量无关；面层的作用力决定了基层的反作用力，而基层对面层的反作用力不能影响面层的作用力；面层内部的水平内力是由相应位置的竖向压应力产生泊松效应后产生的横向力，“基层模量越高，沥青路面水平应力越大”的说法不符合物理常识。

并不是说基层模量对面层没有影响，笔者在《沥青路面的砧锻效应》一文中，分析了基层对汽车冲击能的吸收与反射对沥青路面车辙的影响。基层模量越高，对冲击能吸收越少，反射越多，更多的冲击能要靠沥青面层变形做功来转换，变形过大，超过了弹性变形的范围，就需要产生部分塑性变形，就会出现车辙。这里讲的是能量分配问题，而不是力的分布规律。冲击能是以波的形式存在并对路面作用的，不能够用静力的方法、规律来解释。

另有资料介绍，当沥青面层厚度为5cm时，柔性基层的沥青路面最大剪应力比半刚性基层沥青路面最大剪应力大35.3%。这一结论与“基层模量越高，沥青面层内部剪应力越大”的说法相悖。

水平力的分布

横向力的大小与分布

超限车轮胎对路面的压力可达1.1MPa，沥青混凝土的泊松比为0.25。进入沥青路面后，轮胎压力经路面材料扩散后呈线性衰减，夏天高温季节沥青混凝土的应力扩散角大约为30°。

反作用力

轮胎下面的路面材料产生泊松效应后产生横向力时，轮胎的摩擦和基层的摩擦和黏结提供反作用力。轮胎与沥青路面的摩擦系数为0.5，所以，在沥青路面表面，摩擦力F2可以完全抵消由泊松效应产生的水平力F1。

路面材料不会产生水平位移。摩擦力F2对路面的作用是剪力，目前还查不到剪应力在沥青混凝土内部衰减规律的文献报道，但是，可以肯定，剪应力进入路面以后衰减较快，比竖向压应力的衰减快一些，否则路面就不会产生车辙。路面基层对面层也有摩擦力和黏结力，使用改性乳化沥青作为面层与基层的黏结材料，黏结力可超过1.0MPa。所以，良好的结合可以完全抵消沥青路面层底的横向力。

沥青面层内部的合力

对于沥青面层而言，横向力虽然是材料的泊松效应产生的次生力，但它的产生和大小是由轮胎的压力和材料性质决定的，所以可以看做是外力，轮胎的摩擦力和基层对沥青面层底面的摩擦力(包括黏结力)也是外力。水平压应力沿路面深度分布是不均匀的，相邻层面的压应力差值才是剪应力。

剪力说的由来

沥青路面车辙病害的剖面上能够明显看到剪切面，所以人们把车辙病害的产生机理说成是剪应力产生的剪流变造成的，这是错误的。因为任何物体的破坏只有拉破坏和剪破坏两种形式，受压物体的破坏也是一样，其破坏形式都是剪切形式，就像水泥混凝土强度试块受压破坏一样，受压破坏时能够明显地看到剪切面。球面均匀受压的物体只会缩小体积，增加密度，不会破坏，就像地球一样，地心的压力达到180　000MPa而不会破坏。实际上，并不是在所有的车辙病害剖面上都能看到剪切面，看不到的情况更多，只有车辙特别严重，沥青混凝土已经失稳时才能看到。这一点也能说明车辙是由压应力产生的压流变造成的，如果是剪应力造成的，那么车辙形成的初期，剖面上就应该看到剪切面，事实上显然不是这样。

目前有关沥青路面内力的分析几乎全部停留在有限元计算上。并且普遍采用六面体单元，8节点法。也就是说，把六面体单元的8个角当作8个节点，把单元体所受的力分配到8个节点上，单元之间的相互作用由8个节点完成。节点是只有位置没有大小的点的概念，点上的力只有大小和方向，没有剪力和压力之分，这样就把计算结果中的水平力当成了剪力。

讨论的意义

对水平应力性质的认识就是对车辙形成机理的认识，直接影响着控制车辙的技术指标的制定和实验方法的确定，如果是剪应力，就应该控制沥青混凝土的高温抗剪强度，施工单位很难做到，剪应力造成车辙的说法也比较费解；如果是压应力，就应该控制沥青混凝土的高温抗压稳定性，一般施工单位都能做到。压应力使得路面材料产生部分不能恢复的塑性水平位移，使得轮迹下路面材料减少，形成车辙，这样讲很好理解，控制指标和实验方法都容易确定。

结语

(1)沥青路面的水平内力是由于沥青路面受到汽车轮胎竖直向下的压力，路面材料内部压力增大，产生泊松效应，产生向外膨胀的趋势，对周围材料产生水平压力而不是剪力。

(2)在汽车轮胎竖直向下的压力作用下，路面材料产生泊松效应后产生的水平压应力再次产生泊松效应，产生的次级横向力使轮迹带两侧路面向上隆起，剪应力没有泊松效应，所以，剪力说无法解释车辙轮迹带两侧路面隆起现象。

(3)路面内部某一点的水平压应力的大小是由轮胎压力、轮胎对表面的摩擦力、基层对沥青面层底面的摩擦力和黏结力作用到该点的力合成的，呈非线性分布。

(4)由于材料的抗剪实验非常难做，所以，如果按照剪应力理解，既费解，又很难找到直接的控制指标，设计和施工中不好控制；如果按照压应力理解，直接控制抗压稳定性即可，在设计和施工中也很好控制。