摘要
行车荷载产生的动水压力作用是沥青路面水损害的主要原因之一。为深入剖析沥青路面动水压力的作用机理，该文分析了动水压力研究方法，总结了动水压力的影响因素，对中国国内沥青混合料水稳定性评价方法和动水压力研究现状进行了评述，并对动水压力的作用机理进行了展望。
关键词
沥青路面
水损害
动水压力
水损害机理
水损害是沥青路面早期损害的主要类型之一。国内外对沥青路面水损害产生原因及作用机理的研究主要以路面材料、行车荷载以及道路沿线环境影响因素为主。行车荷载产生的动水压力是造成沥青路面水损害的重要原因之一，研究动水压力的作用机理对减缓路面水损害、延长路面使用寿命具有重要意义。
动水压力是指车辆在行进过程中，轮胎与路面之间的水膜受到挤压来不及从轮胎两侧和轮胎花纹间排出，而使水在挤压下产生的一个动态瞬时的水压力。从同济大学用简易的测量装置测得了动水压力与车速的关系，到光栅传感器与压电传感器等高灵敏度测量装置的应用，动水压力的实测试验得到了很大的发展，再加上数值分析方法研究的补充，使得行车荷载作用下的动水压力变得有规律可循。但是动水压力的研究还仅在理论层面上，而且理论数据和实测数据的较大差异也使动水压力的实际作用机理并不明确。
为了深入剖析行车荷载作用下动水压力对沥青混凝土路面的作用机理，该文对国内外沥青混合料水稳定性评价方法和动水压力的研究现状进行评述，分析动水压力研究方法，总结动水压力的影响因素，以期为沥青路面水损害研究提供参考。
动水压力分析方法
国内外是以模拟沥青混合料不同使用阶段的水稳定性能来评价其水稳定性的，多用不同水侵蚀强度和冻融循环的方式来实现，没有模拟实际路况中车辆荷载作用下所产生的反复动水压力作用。研究人员期望通过改进室内试验设备以把动水压力这一因素考虑进去，提出荷载、水及温度耦合的动水试验装置，现场测试也提供了更直观的形式用以分析动水压力。
动水压力的理论分析方法有两种：理论计算和数值分析。
结合水力学与汽车轮胎学，根据伯努利理论可以得出动水压力与车辆行驶速度的关系为ｐ＝ρｖ^２／２，转换单位可得：
由式（1）可知：动水压力的大小受行车速度ｖ的影响，并随行车速度ｖ呈级数增长。将理论计算数据与实测数据进行对比，如图1所示。
由图1可知：实测得到的动水压力也随车速的增大而增长，但与理论计算数值相差较大。实测数据3和4分别为光栅传感器和压电传感器测得的结果，较实测数据1和2大，随着测量装置的不断更新，动水压力的测量也会越来越准确。
由式（1）求得的动水压力主要忽略了道路因素（道路条件、水膜厚度和路表温度等）和轮胎因素（轮胎材料与表面特性和荷载压力等），而数值分析方法较好地弥补了这些缺陷。
由于动水压力的直接测量比较困难，中国国内研究者多采用数值分析方法研究动水压力。董泽蛟等基于饱和多孔介质理论对不同车速、荷载和渗透性条件下的饱水沥青路面进行了孔隙水压力的时程变化分析；崔新壮等基于Biot固结方程进行了Lagrange有限差分分析；董强柱等采用数值模拟方法（CFD）建立动水压力模型，研究了轮胎花纹深度、水膜厚度、行车速度与动水压力的关系。
总之，动水压力作用机理的分析方法尚处于理论层面，研究成果主要集中在数值模拟方面，且缺乏系统性，准确模拟实际路况还需进一步研究。
动水压力作用机理
目前，针对动水压力作用机理的研究主要有３种观点：①在行车荷载作用下产生的正压力使水分挤入沥青路面的孔隙中，形成的高速水流反复冲刷沥青路面，使得沥青从集料表面剥离；②水侵入沥青混凝土的动力来源由行驶车辆产生的“真空泵吸”作用提供，侵入路面内部的水分在轮前气压和荷载产生的瞬时压力下对沥青膜反复冲刷，造成沥青膜的剥落；③路面饱水时，车辆荷载作用使孔隙受压，水分排出，路面结构受到负孔隙水压力，当荷载卸去，水分回流，路面结构受到正孔隙水压力。
从以上３种观点以及相关研究可以总结出动水压力主要受内部和外部两方面因素影响：内部因素即路面本身特性，包括沥青路面的空隙率、渗透率等；外部因素即气候和车辆荷载，其中车辆荷载因素包括行车速度、荷载大小以及交通量。路面饱水状态则是内、外因素共同作用的结果，对动水压力有直接的影响。动水压力的影响因素及其相互关系如图２所示。
外部因素对动水压力的影响
外部因素中，起决定性作用的因素为车辆荷载。理论和实测数据都表明：动水压力随行车速度呈几何增长。在动态车辆荷载作用下，路面内部的孔隙水压力由正转为负，具有波动性。而且，随行车速度的增加，轮胎作用面积与作用时间减少，沥青路面的渗水量也随之减少。
王松根等通过测量沥青混合料试件在不同压力下的饱水程度，提出水侵入沥青混凝土的动力来源是行驶车辆产生的“真空泵吸”作用。试验时发现即使很小的负压也可以使试件达到最大饱和度，而较大的环境压力却不能使试件达到饱和。试验结果如图3所示。
研究表明，在标准轴载（0.7ＭＰａ）作用下，沥青路面面层层间孔隙水压力的变化范围一般为～ｋＰａ。如图４所示，当孔隙半径为定值时，在超载条件下（0.7～1.26ＭＰａ），层间孔隙水压力是随荷载的增大呈线性增长的，上面层与中面层之间的孔隙水压力增长显著，荷载为1.26ＭＰａ下的孔隙水压力较0.7ＭＰａ下的孔隙水压力增加了约70％，较标准轴载（0.7ＭＰａ）车速为１００ｋｍ／ｈ时可能产生的最大孔隙水压力（～ｋＰａ）增加了％～％。由此可知，超载是造成高孔隙水压力的重要原因之一。董泽蛟等也认为沥青路面在有水存在的条件下，标准轴载下的动水压力作用对沥青路面性能的影响不明显，而重载下动水压力的破坏作用非常显著。
交通量对动水压力的影响主要表现在荷载作用次数上。郭乃胜等采用有限元法分析了黏弹性面层的上面层与下面层和下面层与基层间的孔隙水压力峰值随加载次数的变化。发现随着轮载作用次数的增加，路面变形随之减小，孔隙水压力终将趋于稳定。
内部因素对动水压力的影响
（1）孔隙结构
罗志刚等采用轴对称有限元法分析了不同层间的孔隙水压力随孔隙半径的变化规律。提取车辆荷载为0.7ＭＰａ时，上－中面层和中－下面层层间的不同空隙半径所对应的孔隙水压力数据见图5（ａ），孔隙半径分别为2.5、4和6ｍｍ时，不同荷载所对应的上－中面层层间孔隙水压力见图5（ｂ）。
由图5（ａ）可知：上－中面层和中－下面层层间的孔隙水压力都是随着孔隙半径的增加而近似呈二次曲线增长。孔隙半径由2.5ｍｍ变为6ｍｍ时，上－中面层层间的孔隙水压力增长了约22.3％，中－下面层层间的孔隙水压力增长了35.2％。
沥青混合料拌和不均匀和离析使得内部孔隙的半径各不相同，空隙率小的沥青混合料也很可能存在半径较大的孔隙，而这些孔隙极有可能成为路面结构的薄弱点。在动水压力的作用下，水分有可能会通过这个薄弱点侵入路面结构内部，最终造成路面局部坑洞等病害。从宏观上讲，较多的大半径孔隙使得沥青混凝土路面具有较大的空隙率，而空隙率和渗透性有很好的相关性。
（2）沥青路面的空隙率与渗透性
沥青路面的空隙率对动水压力有直接的影响。国内外研究表明，当沥青路面的空隙率小于8％（相当于设计空隙率4％、压实度96％）和大于15％时，水在路面结构内部分别以毛细水和流动水的形式存在，在车辆荷载作用下一般不会产生大的动水压力，也不易造成水损坏；但当路面实际空隙率为8％～15％时，水易进难出，在车辆荷载作用下易产生较大的动水压力。
空隙率是一个可以在一定范围内控制的因素，但却不能反映路面中孔隙分布的真实情况。根据交通部公路科学研究院对各种级配的空隙率和渗水系数回归分析的试验结果得到图6。
从图6可以看出：各种级配沥青混合料的渗水系数总体随空隙率增加而增大。当空隙率大于一定的数值时，渗水系数会出现急剧增大的情况；当空隙率小于一定数值时，沥青混凝土在理论上可以不透水。
但实际上，在空隙率不大的路段也有可能因为混合料的离析产生局部坑槽。因为空隙率并不能反映路面的微观结构分布状况，且这个指标本身具有变异性。这使得路面结构中出现的个别大孔隙不能得到体现，而这种大孔隙又可能成为路面的薄弱点，行车荷载作用下形成的动水压力会使路表水通过薄弱点进入到路面结构中，动水反复冲刷孔隙结构使其破坏。
渗水系数与路面内部连通孔隙的多少是直接相关的，对于空隙率相同的路面，渗水系数不一定相同。当路面的空隙率在易受动水破坏的范围内（8％～15％），渗水量越大，路面内部承受动水作用的部分越多，越容易产生水损破坏。
相反，动水压力对沥青路面的渗透性也存在重要影响，在动水压力作用下路面的渗透性将急剧增长。高俊启等通过沥青混合料动静态渗透试验系统，测量发现沥青混合料的透水量随水压力的增加呈近似线性增加。但是动态水压力下沥青混合料的透水量远小于静态水压力下的透水量，为静态透水量的48％～75％。然而采用路面渗水量计算模型得出的渗水量（表1）却随水压力的增加而减少。
由于动水压力是由车速和车辆荷载决定的，可以得出低速和重载可使沥青混凝土的透水量增大，对路面造成更大的破坏。同等荷载条件下，在一定范围内荷载作用时间越长，渗水量越大，即低速重载条件下破坏作用显著。
路面饱水状态对动水压力的影响
动水压力作用在不同渗透性的沥青路面结构上其结果是不同的，饱和沥青路面存在最不利情况。
郭乃胜等将路面饱水状态分为表面层饱水（SSL）、面层饱水（SAL）和路面完全饱水（SP）3种状态，分析动载作用下不同饱水状态路面的动水压力，发现路面饱水状态对面层间的孔隙水压力影响不大，面层饱水对沥青面层内部损害较大，路面完全饱水对面层内部损害较小。
行车荷载作用下的动水压力作用机理
动水压力作用过程可分为两个阶段：第一阶段为路表作用，即水侵入路面内部的过程；第二阶段为路面内部作用，即已侵入路面内部的水分在行车荷载作用下直接对路面内部结构进行破坏。由上述研究数据可知，对动水压力作用影响较大的是行车速度、车辆荷载和沥青路面的渗水性3个因素。车辆荷载的大小是动水压力作用大小的决定性因素之一。无论沥青路面渗水性的大小，较大的重载都会产生高孔隙水压力，使水分更易侵入路面结构内部。
动水压力分为两个部分，一是行车荷载产生的正压力过程；二是“真空泵吸”产生负压力的过程。
当路面结构中没有水分存在时，由于沥青混凝土空隙内气压的栓塞作用，行车荷载产生的正压力只会使部分路表水挤入路面的开口空隙中，使其承受法向力和剪切力，形成的高速水流有可能侵入沥青与碎石之间黏结面的薄弱处。行车荷载产生的“真空泵吸”形成的局部真空与沥青路面孔隙内气压产生的压力梯度，与荷载产生的正压力相比更易使水进入到路面结构内部；当路面结构中有水分存在时，行车荷载产生的动水压力会与超孔隙水压力叠加，对路面结构造成的损坏更严重复杂。
现状评述
中国国内沥青混合料水稳定性评价方法的不足
（1）缺少对试件空隙率的控制
空隙率是沥青混凝土水稳定性的主要影响因素，也是影响动水压力的因素之一。实际调查认为沥青面层的空隙率与初期损坏之间存在极为密切的关系，但中国现行规范中并没有对空隙率作明确的规定。标准马歇尔试件的成型方法与实际碾压的路面有差别，而且无法控制空隙率，现场调查与试验研究发现，规范中标准试件成型方式比实际工程竣工后的路面空隙率小，水分很难进入到混合料内部，由此得出的试验结果并不是在沥青混凝土处于最不利状态下测得的。研究发现，油斑泛油和内部松散现象与沥青和集料的黏附性密切相关，而沥青和集料的黏附性受混合料空隙率的影响很大。所以，在沥青混合料水稳定性的评价中，有必要对混合料的空隙率进行控制。
（2）缺少对动水压力的考虑
浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验采用的是恒温常压水浴，没有模拟实际路况中高速运转的轮胎所产生的反复动水压力作用。而且，冻融循环过程产生的孔隙水压力是通过温度变化引起的，与实际有很大的差距。董泽姣等通过室内水、温、荷载综合作用试验发现动水作用和冻融作用对集料－结合料界面的破坏机理是不同的。中国地域辽阔，各个地区的气候条件差异很大，高温、多雨的南方气候条件对沥青混凝土的水稳定性有更大的考验。因此，沥青混合料水稳定性评价的条件应分别考虑。
目前，尽管很多研究人员意识到了这一问题的关键性，但现有的研究模拟方法与动水压力实际作用的情况还相差很多。
动水压力研究评述
（1）模拟试验装置需要改进
车辆以20～80ｋｍ／ｈ的速度行驶时，动水压力作用时间为0.04～0.ｓ，车速越高，动水压力作用时间越短。但现有的试验装置模拟的正负动水压力时间差较大，这种差异使得室内试验得到的结果与真实情况有所差距。
（2）动水压力实测存在困难
测量沥青路面的动水压力具有理论和工程意义，但是，想要得到精确的实测结果具有一定难度。随着测量装置的不断改进，这一困难将会逐渐克服。
（3）缺少对低速重载条件下动水压力的作用机理
研究低速重载作用下产生的动水压力对路面的破坏很大，尤其是在路面饱水的情况下。这一部分的研究对减缓路面水损害、延长路面使用寿命具有重要意义。
结论与展望
（1）动水压力的研究成果主要集中在数值模拟方面，准确模拟实际路况还需进一步的研究；实测装置尚未完善。
（2）中国现行规范中的沥青混凝土水稳定性评价方法缺少对试件空隙率的控制和对动水压力作用的考虑。
（3）动水压力主要由行车速度和车辆荷载决定，低速和超载是造成高孔隙水压力的重要原因，低速重载条件下动水破坏显著；车辆荷载的大小是动水压力大小的决定性因素之一。无论沥青路面渗水性的大小，较大的重载都会产生高孔隙水压力，使水分更易侵入路面结构内部。
（4）展望。基于以上观点，为进一步研究考虑动水压力影响的沥青路面损伤机理，可进行以下几个方面的研究：①通过CT扫描技术从微观角度研究动水对沥青－集料界面体系的作用，进而推导出沥青混合料黏结力损失规律与路面裂缝扩展过程；②改进动水压力模拟发生装置，研究动水压力实际作用过程；③建立沥青路面饱水状态有限元模型，分析低速重载条件下动水破坏机理。
参考文献：
［１］李少波，张宏超，孙立军．动水压力的形成与模拟测量［Ｊ］．同济大学学报：自然科学版，２００７（７）．
［２］孙立军．沥青路面结构行为理论［Ｍ］．北京：人民交通出版社，２００５．
［３］陈昊，高俊启，季天剑．光栅传感器测量沥青路面动水压力的试验研究［Ｊ］．江苏航空，２００８（Ｓ１）．
［４］蒋泽民，高俊启，季天剑，等．压电传感器测量路面动水压力研究［Ｊ］．传感器与微系统，２０１２（４）．
［５］ＳｉｌｖｉａＣａｒｏ，ＥｙａｄＭａｓａｄ，ＡｍｉｔＢｈａｓｉｎ，ｅｔａｌ．Ｍｉｃｒｏｍｅ－ｃｈａｎｉｃａｌＭｏｄｅｌｉｎｇｏｆｔｈｅＩｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆＭａｔｅｒｉａｌＰｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｎＭｏｉｓｔｕｒｅ－ＩｎｄｕｃｅｄＤａｍａｇｅｉｎＡｓｐｈａｌｔＭｉｘｔｕｒｅｓ［Ｊ］．ＣｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎａｎｄＢｕｉｌｄｉｎｇＭａｔｅｒｉａｌｓ，２０１０，２４（７）．
［６］ＦｗａＴＦ，ＯｎｇＧＰ．ＴｒａｎｓｖｅｒｓｅＰａｖｅｍｅｎｔＧｒｏｏｖｉｎｇＡ－ｇａｉｎｓｔＨｙｄｒｏｐｌａｎｉｎｇⅡ：Ｄｅｓｉｇｎ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＴｒａｎｓｐｏｒｔａ－ｔｉｏｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２００６，１３２（６）：４４１－４４８．
［７］丛波日，张晓春，李春勇．动载下沥青路面超孔隙水压力分析［Ｊ］．交通科技，２００７（５）．
［８］周长红，陈静云，王哲人，等．沥青路面动水压力计算及其影响因素分析［Ｊ］．中南大学学报：自然科学版，２００８（５）．
［９］ＭｃｃａｎｎＭ，ＳｅｂａａｌｙＰ．ＱｕａｎｔｉｔａｔｉｖｅＥｖａｌｕａｔｉｏｎｏｆＳｔｒｉｐ－ｐｉｎｇＰｏｔｅｎｔｉａｌｉｎＨｏｔ－ＭｉｘＡｓｐｈａｌｔ，ＵｓｉｎｇＵｌｔｒａｓｏｎｉｃＥｎｅｒｇｙｆｏｒＭｏｉｓｔｕｒｅ－ＡｃｃｅｌｅｒａｔｅｄＣｏｎｄｉｔｉｏｎｉｎｇ［Ｊ］．Ｊｏｕｒ－ｎａｌｏｆｔｈｅＴｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎＲｅｓｅａｒｃｈＢｏａｒｄ，２００１，１７６７（１）：４８－４９．
［１０］潘宝峰，邵龙潭，王哲人．沥青路面水损害研究新方法［Ｊ］．武汉理工大学学报：交通科学与工程版，２００９（２）．
［１１］姜旺恒，张肖宁，李智．沥青混凝土的动水压力模拟试验［Ｊ］．公路交通科技，２０１１（１０）．
［１２］谭忆秋，李晓琳，胡斌．动水作用对沥青混合料低温抗裂性的影响［Ｊ］．哈尔滨工业大学学报，２０１０（１）．
［１３］朱唐亮，谈至明．沥青混合料抗冲刷性能的试验研究［Ｊ］．公路交通科技，２０１５（５）．
［１４］刘朴，凌宏伟，韩骥，等．沥青路面超空隙水压力的测试［Ｊ］．上海公路，２００２（４）．
［１５］吕栋，胡小弟，周永莲，等．基于五维光纤传感器的沥青路面动水压力测量的研究［Ｊ］．武汉工程大学学报，２０１６（３）．
［１６］高俊启，盛余祥，张世铎，等．动水压力作用下沥青路面渗水量影响分析［Ｊ］．南京航空航天大学学报，２０１３（２）．
［１７］董泽蛟，谭忆秋，曹丽萍，等．水－荷载耦合作用下沥青路面孔隙水压力研究［Ｊ］．哈尔滨工业大学学报，２００７（１０）．
［１８］崔新壮，金青．轮载作用下饱水沥青路面的动力响应［Ｊ］．山东大学学报：工学版，２００８（５）．
［１９］ 董强柱，李彦伟，石鑫，等．道路表面动水压力的计算和分析［Ｊ］．长安大学学报：自然科学版，２０１３（５）．
［２０］ 王松根，张宏超，毕玉峰．车辆空气动力参与路面损坏的机理［Ｃ］．中国公路学会２００７年学术年会论文集（下），２００７．
［２１］ 罗志刚，周志刚，郑健龙，等．沥青路面水损害分析［Ｊ］．长沙交通学院学报，２００５（３）．
［２２］ 郭乃胜，谭忆秋，赵颖华．动荷载下饱水沥青路面黏弹性分析［Ｊ］．土木工程学报，２０１２（２）．
［２３］ 沈金安，李福普，陈景．高速公路沥青路面早期损坏分析与防治对策［Ｍ］．北京：人民交通出版社，２００４．
［２４］ Ｂｕｔｌｅｒ Ｄ Ｐ，ｅｌｉｋｂｕｔｌｅｒ Ｚ，Ｊａｈａｎｚｅｂ Ａ，ｅｔ ａｌ．ＭｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｅｄＹＢａＣｕｏ Ｃａｐａｃｉｔｏｒ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ ａｓ Ｕｎｃｏｏｌｅｄ ＰｙｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃＩｎｆｒａｒｅｄ Ｄｅｔｅｃｔｏｒｓ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ，１９９８，８４（３）：１ ６８０－１ ６８７．
［２５］ 刘志明，王哲人．沥青路面水损害与车辙的分析研究［Ｊ］．公路交通科技，２００４（８）．
［２６］ 陈景，孙澎涛，李福普，等．沥青混合料渗水系数的研究［Ｊ］．公路交通科技，２００６（１）．
［２７］ 路贺伟，张宏超，孙立军．水－荷耦合作用下的沥青混合料永久变形研究［Ｊ］．建筑材料学报，２０１２（６）．
［２８］ 周纯秀，王抒音，董泽蛟．沥青混合料水损害评价方法中试验条件的研究［Ｊ］．东北公路，２００３（４）．
［２９］ 孙立军，张宏超，刘黎萍，等．沥青路面初期损坏特点和机理分析———重交通沥青路设计方法之一［Ｊ］．同济大学学报：自然科学版，２００２（４）．
［３０］ 董泽蛟，谭忆秋，胡斌，等．水－荷载耦合作用下沥青混合料性能变化分析［Ｊ］．中国科技论文在线，２００８（１０）．
［３１］ 高俊启，陈昊，季天剑，等．沥青路面动水压力光纤传感测量研究［Ｊ］．传感器与微系统，２００９（９）．
全文完。
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