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东南大学 硕士学位论文 沥青路面长大纵坡段车辙性能研究 姓名：李凌林 申请学位级别：硕士 专业：道路与铁道工程 指导教师：李昶 20080903 摘要 沥青路面长大纵坡段车辙性能研究 摘要 研究生：李凌林 导师：李昶副教授 ( 东南大学交通学院江苏南京2 1 0 0 9 6 ) 随着我国高速公路事业的发展，公路交通量的增加和重载车辆的增多，公路沥青路面的 车辙已经成为人们普遍关注的问题，车辙形成规律成为世界各国研究的热点论文之一。在长 大纵坡段汽车行驶困难，速度下降，路面内部剪切应力加大，荷载作用时间延长。大量的工 程实践表明在长大纵坡段沥青路面的车辙病害要比平坡路段严重。 本文是在短期温度场模拟的基础上，利用“四单元五参数”的流变学模型分析沥青路面 长大纵坡段的车辙形成规律。 从汽车动力学的角度出发，结合路面的车辙特性，文章给出了长大纵坡的具体定义，并 且在此基础上，分析了不同坡度、超载条件的汽车行驶速度。 借助增量有限元的基本理论，考虑了有温度应力、卸载的材料本构关系。在此基础上， 通过a b a q u s 友好的二次开发接口，实现了子程序u m a t 的开发。 在已有实测气象参数的条件下，利用a b a q u s 的用户子程序d f l u x ，实现了温度场 的日变化分析和连续七天的高温分析，同时还分析了对应的温度速率变化规律。 针对各面层沥青混合料，分别进行了不同应力、不同温度条件下的蠕变试验和抗压回弹 试验，通过数据处理及回归分析，确定了变温条件下车辙模拟计算的材料模型及参数。 根据选定的路面结构，通过试算收敛的方法确定了有限元模型的几何参数。并根据 研究的需要，设定了不同超载水平。在此基础上，得到了坡度水平、荷载水平、荷载作用时 间的三者关系。 以车辙大小、竖向蠕变应变、最大剪应力为研究指标，通过不同坡度水平相同超载水平 和不同超载水平相同坡度水平的对比分析，归纳总结出了长大纵坡条件下的车辙形成及发展 规律。分析结果表明：沿着行车方向的剪切力对车辙的影响很小；竖向蠕变应变的绝对值最 大值都发生在沥青路面结构层的中面层，这说明了对行成车辙作用最大路面层位是中面层： 长大纵坡降低了重车的行驶速度，使得车辆对沥青路面的作用时间大大增加，这是导致长大 纵坡上的车辙大于平坡路段的最重要原因，基于此得出控制长大纵坡上的车辙，最有效的手 段是控制坡度和坡长。 关键词：长大纵坡段；温度场；四单元五参数；数值模拟；车辙 a b s t r a e t r e s e a r c ho nr u t t i n gr e s i s t a n c eo f t h el o n ga n ds t e e ps l o p e a s p h a l tp a v e m e n ts a b s t r a c t m s cc a n d i d a t e ：l il i n g - l i n s u p e r v i s o r ：a s s o c i a t ep r o f l ic h a n g ( s c h o o lo f t r a n s p o r t a t i o n ，s o u t h e a s tu n i v e r s i t y , n a n j i n g ，j i a n g s u2 1 0 0 9 6 ，c h i n a ) w i t l lt h ei n c r e a s i n gt m f t ca n do v e r l o a d i n gv e h i c l e s t h er o t t i n go fa s p h a l tp a v e m e n t sh a s b e c o m ear e m a r k a b l ea n du n i v e r s a lp r o b l e m l o t so fe n g i n e e r i n gp r a c t i c e si n d i c a t et h a t 血e r u t t i n go fl o n ga n ds t e e ps l o p ei sm o r es e r i o u st h a nt h eo r d i n a r yh i g h w a y i ti sd i f f i c u l tf o r o v e r l o a d i n ga u t o m o b i l et os t e e r ，m e a n w h i l e ，t h es h e a rs t r e s si sl a r g ei nt h el o n ga n ds t e e p s l o p eh i g h w a y b a s e do nm es h o r tt h e r m o m e t e rs i m u l a t i o n ，t h i st h e s i sa n a l y s e st h er e g u l a t i o n o fr u t t i n go nt h el o n ga n ds t e e ps l o p eh i g h w a yw i t ht h em o d i f i e db u r g e r sm o d e l f r o mt h ef a c e to fa u t o m o b i l ed y n a m i c sa n dt h er u t t i n gt r a i t ，t h i sa r t i c l eg i v e sad e f i n i t i o n o ft h el o n ga n ds t e e ps l o p e m o r e o v e r ，t h es p e e do fa u t o m o b i l ei nd i f f e r e n ts l o p ea n do v e r l o a d i n gr a n k si sa n a l y z e d t h et h e r m a ls t r e s si sc a l c u l a t e di nt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e ns t r e s sa n ds t r a i nc o n s i d e r i n g u n l o a d i n gc o n d i t i o n i nv i e wo ft h ea b o v e ，s t r e s sa n ds t r a i nr e l a t i o n s h i p ，t h es u b r o u t i n eo f u m a ti sc a r r i e do u tb yt h ej o i n to fa b a q u s u s i n g t h ed a t am e a s u r e di nt h eh a n g q i a nh i g h w a ya n dd e f l u xw h i c hi sas u b r o u t i n eo f a b a q u s ，t h i sa r t i c l ea n a l y s e st h er u l eo ft e m p e r a t u r ef i e l di no n ed a ya n ds e v e nd a y s t h e c o r r e s p o n d i n gt e m p e r a t u r ev e l o c i t ya r ea l s oc a l c u l a t e d a sf o rt h ea s p h a l tm i x t u r e so fa l ls u r f a c ec o u r s e s ，t h ec r e e pt e s t sa n dc o m p r e s s i o nt e s t s u n d e rd i f f e r e n tt e m p e r a t u r e sa n dp r e s s u r e sw e r ec a r r i e do u t b yr e g r e s s i o na n da n a l y s e so ft h e t e s td a t a ，t h ep a r a m e t e r sf o r t h em o d e l b u i l d i n gi nt h er u t t i n gs i m u l a t i o nw e r eg a i n e d t h eg e o m e t r yp a r a m e t e r so ft h ef m i t ee l e m e n t sm o d e la r ec o n f o r m e df o rc e r t a i n p a v e m e n ts t r u c t u r e s u p p o s i n gd i f f e r e n to v e r l o a d i n gl e v e l ，t h er e l a t i o n s h i pa m o n gs l o p e ，l o a d a n dt h et i m ea s s o c i a t e dw i t ht h e1 0 a da r eo b t a i n e d i nv i r t u eo f g u i d e l i n eo f r u t t i n g ，t h ev e r t i c a lc r e e ps t r a i na n dt h em a xs h e a rs t r a i n ，t h e r e g u l a t i o no fr u t t i n go nt h el o n ga n ds t e e pa r es u m m a r i z e d k e yw o r d s ：t h el o n ga n ds t e e ps l o p e ；t e m p e r a t u r ef i e l d ；f o u re l e m e n t sa n df i v ep a r a m e t e r s ； n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；r u t t i n g i i i 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特另0 加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本文所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢 意。 研究生签名： 考盔盗日期：趟：z ： 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复 印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和 纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布 ( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办 理。 日期： 东南大学硕士论文 第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 改革开放以来，随着交通运输业的不断发展，公路建设的日新月异，道路在综合运输中 发挥着越来越重要的作用，尤以高速公路发展更为迅速，与此同时对公路行驶质量的要求也 越来越高。沥青路面由于具有施工便利、施工期短、行车平稳舒适、噪音低且易于维修养护 等优点，在国内外公路和城市道路中作为高等级路面的主要结构类型而广为应用。近年来， 道路上重载和超载车辆日益增多，行车密度迅速增加，渠化交通等都对沥青路面的抗永久变 形能力提出了更高要求，特别是南方高温地区。加上我国地处欧亚大陆板块的东部，东临太 平洋，北靠寒冷的西伯利亚和北极，西部有世界上最高的青藏高原，是季风气候最典型、最 强烈的地区，冬季寒冷，夏季炎热，年温差大。这一气候条件对于沥青路面极为不利，不少 高速公路沥青路面在建成不久就产生了早期病害。其中最主要的病害之一就是车辙。 车辙是指沿道路纵向、在车辆集中通过的路面轮迹带产生的带状凹槽。在一个行车道上 它总是成双出现，使路表呈现凹陷，如w 的形状。车辙的形成受多方面因素的影响，包括道 路交通条件、气象条件、路面结构、材料组成及施工方法等。车辙形成的根本原因是不可恢 复的粘塑性变形。除影响行车舒适性外，车辙还对交通安全有直接影响。例如车辆在改变车 道时操作困难；在气候条件恶劣时制动困难，研究表明，车辙深度达6 m m 时，就可以产生水 漂现象，大幅度降低路面提供的摩擦力。因此，车辙是导致沥青路面使用品质降低的一个重 要原因。 随着交通量的迅猛增长，交通的渠化，重载车辆的增多，特别是超载车辆数量的增多， 沥青路面的车辙已经成为人们普遍关心的一个问题，关于车辙的形成规律也已经成为国内外 道路工作者的研究热点之一。目前的研究大多依据恒定的温度条件，没有考虑路面结构的实 际工作状况，尤其是在高温、重载、较短时间间隔下的形成规律。虽然已有少量基于气象学 和传热学的基本理论，采用数值或解析方法建立路面温度场的预估模型，但尚无路面长大纵 坡处车辙的形成规律方面的研究，而这一点对于山区沥青路面的车辙研究至关重要。为此， 本论文将就典型的沥青路面结构，结合实际气候条件下的温度场状况，对车辙形成采用数值 模拟分析法，确定长大纵坡上、重载条件下的车辙形成规律，并提出相应的车辙预警方法与 标准。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 车辙形成机理 沥青路面的车辙由车轮反复碾压形成。它起因于沥青混合料的粘滞流动、土基的变形， 包括一定程度的压实作用和材料磨耗。半刚性基层沥青路面的车辙主要来源于沥青混合料的 粘滞流动和一定程度的压实作用【l j 。 沥青混合料的力学特性极为复杂，其粘弹性理论的基本假定与材料实际状况有着很大的 偏差。在高温下，由于车轮反复碾压，沥青层将产生横向剪切流动。这种流动已不再是经典 粘弹性理论中的微观层次上的流动，而是混合料结构不断调整，在细观层次上的流动【2 】。材 料本身的变形特性是产生这种细观流动的内在因素；具有一定横向分布的车轮反复碾压则是 产生细观流动的外界条件。 东南大学硕士论文 沥青路面长大纵坡车辙性能研究 1 2 2 车辙的类型和影响因素 ( 1 ) 车辙类型 根据车辙形成的原因不同，可将其分为五大类型1 1 失稳型车辙：这类车辙是目前研究的主要对象。它是由于沥青路面结构层在车轮荷载作 用下，其内部材料的流动产生横向位移而产生，通常发生在轮迹处。当沥青混合料的高温稳 定性不足时，在外力的作用下就会产生这种车辙。 结构型车辙：这类车辙是由于路面结构在交通荷载作用下产生整体永久变形形成。这种 变形主要由于路基变形传递到面层而产生。 磨耗型车辙：由于沥青路面结构顶层的材料在车轮磨耗和自然环境因素作用下持续不 断地损失形成，尤其在汽车使用了防滑链和凸钉轮胎后，这种车辙更容易发生。 水损害型车辙：由于沥青路面的中下面层产生明显的水损害，失去了沥青膜的粘结作用， 从而在荷载的作用下出现变形累积形成的车辙。 再压实型车辙：由于沥青混合料的压实度未达到规定要求，在行车荷载的反复作用下， 混合料局部的压实进一步增加，因而产生压缩变形，形成车辙。 ( 2 ) 车辙影响因素 影响沥青路面抗车辙性能的因素很多，归纳起来可分为沥青路面结构和沥青混合料本身 内在因素( 内因) ，以及气候、交通量及交通组成等外界因素( 外因) ，这些影响因素可以用 图1 表示。 图1 1 车辙的影响因素 1 2 3 沥青路面车辙预估方法有限元法 沥青路面车辙是由于铺筑材料的非线性特性而发生的，例如沥青混合料的粘弹性和粘塑 性，骨料和土的塑性等，所以车辙是路面结构不可恢复的塑性变形的结果。如何建立合理力 学模型以模拟沥青路面材料非线性特性，进行有效的车辙预估显得尤为重要。 作为理论法的数值发展有限元法，尤其是较为精确完善的粘弹塑性有限元方法，在 2 东南大学硕士论文第一章绪论 合理准确的力学模型下精度较高，没有通用性的限制，投入费用少，在计算机硬件技术飞速 发展的今天，在国内外沥青路面的车辙预估研究中将成为最有发展前途的手段。 国外在沥青路面车辙预估研究的初期阶段( 上世纪七八十年代) ，主要采用的研究方法 为【3 】：以观测的车辙性能为基础的统计方法；蠕变试验数据结合弹性理论分析的方法； 线粘弹性理论分析的方法。进入九十年代以后，随着计算机技术的进一步发展，有限元数 值方法开始兴起。国外对于沥青路面车辙预估的研究理论由线粘弹性向非线性粘弹塑性理论 转变。国内对于沥青路面车辙预估的研究起步较晚，始于上世纪九十年代。同济大学、东南 大学以及西安公路交通大学等单位均对车辙预估进行了研究，并提出了各自的预估模型。主 要是结合沥青混合料高温性能试验研究结果，通过弹性层状体系理论分析得出的。之后很多 研究者通过对表征沥青混合料永久变形特性理论模型的改进，编制有限元程序进行车辙预 估。由此可见，对于沥青路面车辙的预估，从理论研究方面来看，随着计算机技术和粘弹性 理论的发展，它的发展过程为从弹性理论到粘弹性理论，从线性粘弹性理论到非线性粘弹性 理论；从计算方法来看，它从弹性层状体系的解析解向着数值方法有限元方向发展。 有限元法可以在一个计算模型里应用多种本构关系，从而可模拟计算对象复杂的材料性 状，从而能够在一个模型中部分或全部模拟路面车辙的非线性特性并最终得到一个合理的车 辙预测结果，且使用有限元法可模拟整个车辙区域，是一种较为合理的预估方法。国外 j i a n f e n gh u a 利用粘弹性有限元法进行车辙预估并与a p t ( a c c e l e r a t e dp a v e m e n tt e s t i n g ) 和 p u rw h e e l ( p u r d u e 、e e l ) 试验结果进行对比，证明了有限元法预估车辙的有效性。另外， 堪萨斯州立大学的z h o n gw h 借助a n s y s 软件，利用有限元法模拟了沥青路面铺装材料的 特性，尤其是模拟s u p e r p a v e 的车辙变形，证明了粘弹性有限元法在路面结构分析和设计中 广泛应用的可行性。 目前，很多研究者多采用商用的有限元软件进行车辙分析。比较著名的商用有限元软件 有a b a q u s 、a n s y s 及a d i n a 等。这中间使用较为广泛的是a b a q u s 。因计算机硬件性 能的提升，使得这种方法更合理更经济。 通过以上分析可知：有限元法可以克服层状理论的缺点，能正确地确定路面的应力状态， 在各种复杂荷载组合作用下模拟整个车辙区域，并可以方便的计算和区分各种非线性应力和 变形是进行沥青路面车辙预估较为合理的方法。因此，本次研究将采用商用有限元软件 a b a q u s 进行沥青路面车辙分析。由于a b a q u s 有限元软件中采用的蠕变模型为 色= 彳。以”，此蠕变模型不能区分粘弹性变形和粘性流动变形，也即不能反映沥青混合料 的变形特性。为此，有必要对a b a q u s 中的蠕变模型进行改进，采用能够较好表征沥青混 合料蠕变特性的”四单元五参数”进行车辙分析。 1 2 4 沥青混合料蠕变试验方法 可用于沥青混合料高温蠕变性能试验的方法很多，包括圆柱形试件的单轴静载、单轴动 载、单轴重复试验、三轴静载、三轴动载、三轴重复试验，径向静载、径向动载、径向重复 试验，以及棱柱形梁试件的弯曲蠕变试验等【l 】。 ( 1 ) 径向试验 径向试验是拉伸试验，更多地反映的是沥青混合料中胶结料的特性，而不是混合料的现 场特性。因此不太适宜用其评价沥青混合料抗车辙性能。许多历史试验数据都显示，现有的 径向试验不适用于预测沥青混合料的抗车辙性能。 ( 2 ) 单轴试验 单轴试验用于预测沥青混合料性能最大的难题就是确定施加的荷载和温度水平。一般认 为，单轴试验的温度条件和荷载水平与实际路面的温度和荷载水平应该尽量一致，然而在试 3 东南大学硕士论文沥青路面长大纵坡车辙性能研究 验过程中的温度条件和施加的荷载往往低于路面实际状况，这是因为温度过高或荷载水平过 大往往会导致试件过早损坏而使试验无法继续。迄今为止，已有的历史试验数据与混合料性 能的相关性都比较小，而且缺乏规范化的试验标准，该类试验不宜直接用于评价沥青混合料 抗车辙性能。 ( 3 ) 三轴试验 三轴试验和单轴试验的区别在于试验过程中要对试件施加围压。通过在试验中施加围压 能更好地模拟路面材料的三维现实受力状态，防止试验过程中试件过早破坏。历史试验数据 显示三轴蠕变试验和三轴重复荷载试验结果与沥青混合料抗车辙性能的相关性较高。三轴蠕 变试验和三轴重复荷载试验已被证实有很大的潜力用于评价沥青混合料的抗车辙性能。这两 个试验也被包括在n c h r p 9 1 9 项目正在研究的试验方法之中，将来很可能被美国确定为评 价沥青混合料性能的标准试验方法。三轴试验的试件尺寸为# 1 0 1 6 m m 2 0 3 2 r a m 。试验 温度和荷载水平与无侧限试验相比，能够更好地模拟路面实际受荷情况，试验荷载更接近于 路面交通状况，试验还可采用不同的试件尺寸，且有成熟的试验标准可利用。 ( 4 ) 剪切试验 剪切试验主要是s s t ( s u p e r p a v es h e a rt e s t ) 试验。s s t 试验设备昂贵且操作复杂，到目 前为止还没有形成一个基于s s t 试验的可接受的评估沥青混合料性能的模型。该类试验目 前不适合作为控制沥青混合料质量的试验方法。试验的尺寸为；讲5 2 。4 m m x 5 0 8 m m 。采 用剪切应变模拟道路交通的影响，有a a s h t o 标准程序可供使用，用旋转压实仪成型试件。 ( 5 ) 弯曲蠕变试验 弯曲蠕变试验采用棱柱形梁试件，在试验过程中，在简支梁试件中部施加瞬时荷载，使 试件在荷载的作用下产生弯曲变形，然后维持该荷载，使试件在此恒载作用下产生蠕变变形。 梁试件的蠕变参数可通过测定试件中部的挠度来间接计算。由于梁试件的断面尺寸较小，为 使弯曲蠕变试验能在沥青混合料的线性变形范围内进行，通常要求施加的荷载应较小。对于 这种小荷载、小变形的情况，要求试验和检测设备具有较高精度和分辨率，能提供比较准确 的荷载和微小变形的测定能力。 ( 6 ) 经验试验 经验试验包括马歇尔稳定度和流值试验，维姆稳定度试验和g t m ( g y r a t o r yt e s t i n g m a c h i n e ) ，目前上述经验试验方法均不能作为评价混合料抗车辙性能的标准试验方法。马歇 尔试验和维姆试验己使用多年，但作为评价沥青混合料抗车辙性能的试验方法作用有限。 g t m 试验方法也已使用多年，该试验方法在一定程度上可用于评价沥青混合料抗车辙性能， 但目前还不足以作为评价沥青混合料抗车辙性能的标准方法。马歇尔试验试件尺寸为 研0 1 6 m m 6 3 5 r a m 或者# 1 5 2 4 m m 9 5 2 5 m m 。该试验程序己标准化，试验容易执行并 且试验时间短，许多试验机构都有该试验设备。维姆稳定度试验试件尺寸为 饥0 1 6 r a m 6 3 5 r a m 。试验方法有很好的理论基础，试验耗时少，试验采用三向荷载。g t m 试验用的是松散沥青混合料。试验模拟路面施工碾压时的情况，碾压过程中得到试验参数， 有现行标准可供利用。 ( 7 ) 局部三轴蠕变试验 局部三轴蠕变试验是由东南大学黄晓明提出的一种新三轴试验方法。它与常规的三轴蠕 变试验不同，侧向约束力由沥青混合料本身提供，这种侧向约束力会因沥青混合料的性能、 荷载的大小和温度的变化而变化，符合实际路面的侧向受力状况。常规三轴试验的侧向约束 4 东南大学硕士论文第一章绪论 力固定，和实际路面的侧向受力状况不符。同时，局部三轴蠕变试验能够克服常规三轴试验 围压施加困难需要密闭的三轴室，对试验设备要求高等缺点。局部三轴蠕变试验装置见圈 图i2 局部三轴蠕变试验装置 ( 8 ) 模拟试验 模拟试验主要是指轮碾试验。a p a ( a s p h a l t p a v e m e n t a n a l y z e r ) 试验、h 删h a m b u r g w h e e l t r a c k i n g d e v i c e ) 试验以及f r t ( f r e n e h r u t t i n g t e s t e r ) 试验都得出了一些与沥青混合料 性能相关的试验数据，这种相关性有助于这类试验方法的标准化。虽然轮碾试验是非力学试 验，但它确能够很好地模拟沥青路面发生车辙的过程。美国n c h i ( p 9 - 1 9 等项目将所研究的 力学试验结果与轮碾试验的结果进行比较来确定试验数据的可靠度，结论认为：推荐将a p a 、 h w t d 以及f r t q 试验作为沥青混合料设计和质量控制的标准试验方法。尽管这不会是最终确 定的标准试验方法但在更好的标准试验方法确定以前这是路面工程界的最好选群。 ( 9 ) 试验方法总结 由上可见，研究沥青混合料永久变形特性的试验方法很多，要根据自己的试验条件和仪 器设各情况，选择适宜的方法。其一方面，在选择试验方法和确定试验参数时，尽量考虑其 简单性、实用性、可推广性及对历史试验数据的可利用性等：同时要求试验方法本身尽可能 简单、实用，易于推广，包括试件制作容易，使用的材料少，试验费用低，设备简单，最好 能使用现场钻芯取样的试件等，另一方面，出于实用、有效的目的，选用的试验方法应尽可 能真实地反映沥青混合料的高温性能，使试验结果数据与实际路面永久变形响应有较好的相 关性、模拟性。因此，本论文结合试验室的条件。将采用能够较好的模扭路面受力状况的动 态局部加载的三轴压缩蠕变试验方法进行沥青混合料的蠕变试验，以确定沥青混台料的高温 变形特性。 1 2 5 国内外研究状况总结 从前文对国内外研究现状的综述可知，对于车辙的已有研究已经比较深入，但结合本论 文研究的长大纵坡沥青路面车辙方面，仍存在以下问题： 基本上都没有考虑路面坡度的影响，特别是对于山区公路来说，长纵坡对沥青路面车 辙的影响； 投有考虑车辆在特定路段上的特殊行驶状态，如：陡坡上车辆的频繁刹车、变坡点的 荷载冲击等； 缺乏对实际受力状态与室内试验模拟之间的深入分析比较。 综上所述，目前开展的研究其成果尚不能完善解秩长大纵坡上沥青路面车辙问题。本 论文将以目前研究成果为基础，按照有限元方法，并以已有预测方法为对照，结台室内试件 受力一变形特性的分析明确长大纵坡上车辙形成规律，并建立合理的室内材料试验检验模 e 肼避 东南大学硕士论文沥青路面长大纵坡车辙性能研究 型。 1 3 主要研究内容 本文主要针对典型的沥青路面结构，在其温度场分析和材料性能试验的基础上，研究在 长纵坡条件下，车辙形成规律与温度场之间的关系，分析高温、重载特殊条件下的车辙特性， 建立考虑连续变温的、反映与温度关系的短期车辙预估模型。并且提出在有纵坡、高温、重 载下的车辙形成规律。下面就长纵坡问题的特殊性和车辙计算模型进行简要的阐述。 根据本论文研究目标，需进行以下几方面的研究： ( 1 ) 长大纵坡荷载特性研究 在长大纵坡上行驶的车辆，其荷载特性和一般路面上的不同，具体表现在： 由简单的质点力学可以知道，在有一定大小的纵坡上行使的车辆对路面的压力不同于 在一般路面上行使的车辆。这主要是因为多了一个沿坡面方向的力； 在长大纵坡上行使的车辆，上坡时行车的速度比在一般路面上的行车速度小，这就增 加了车辆对路面结构的作用时间； 在长大纵坡上，由于车辆频繁的启动和制动，使得车辆对路面的水平剪切力要大于一 般的路面。 ( 2 ) 车辙计算模型的对比与改进，及有限元计算 车辙模型是本论文的研究重点之一，研究的思路是根据已有的研究成果，选择典型的 四单元五参数模型，进行有限元模拟； 对于有限元的计算，因为本论文中对于弹塑性变形的研究主要借用经典弹塑性理论中 的研究成果，所以研究的重点是根据选择不同的材料粘弹性模型分析材料变形中的粘性部 分。 ( 3 ) 车辙参数实验方法与现场状况对比研究 本论文结合实验室条件，将采用能够较好的模拟路面实际状况的局部加载实验进行沥青 混合料的蠕变试验。在具体的研究过程中，本论文将从室内试件受力一变形规律与现场规律 的对比，探讨试件形状、加载大小与时间、温度等取值问题，并且用有限元的方法，分析试 件的受力特点，以期与现场的实际状况进行比较。 ( 4 ) 长大纵坡沥青路面车辙形成规律 在温度场研究的基础上，结合实验室一现场实验得到材料参数，采用“四单元五参数” 蠕变模型，通过有限单元法，分析不同坡度水平和不同超载水平下的车辙形成规律。并且在 此基础上得到控制长大纵坡路段车辙的关键指标。 1 4 研究的关键技术路线 根据本论文的主要研究内容，制定如下的关键技术路线： ( 1 ) 温度场的研究 车辙主要由沥青混合料的蠕变引起：温度不同时，蠕变特性不同；因而温度场是车辙 形成的重要外部因素。本论文对温度场的研究将采用如下方法： 根据现有的研究成果，确定温度场研究的初值和边值条件，然后采用通用的有限元软件 模拟路面结构中温度的传递，得到与实际情况相符合的温度场分布，为后文的车辙形成规律 分析提供比较可靠的温度参数： ( 2 ) 长大纵坡荷载特性的研究 研究认为：沥青混合料剪切变形不仅与剪应力强度互有关，而且依赖于平均法向应力 6 东南大学硕士论文 第一章绪论 吒；剪切变形与夕乞相关，称变量夕乞为流动强度场；最终影响车辙变形的是沥青混合 i ， 料层内流动强度疋场。 ，um 这一点与有限元模型中的应变速率的描述是吻合的，因为在对于应变速率的描述中有球 应力吒。剪应力强度互其实是八面体应力，它是偏应力张量品的函数。所以：沥青路 面的车辙和是和剪应力有着很重要的关系。 在山区公路中，由于天然原因，不可避免会遇到长纵坡。在纵坡上，由于坡度角的出现， 汽车一系列的力学性能都有些许变化。 而在有长纵坡段的山区公路中，由于汽车爬坡减速，下坡由于速度快，需要制动等原因， 路面受到的剪应力要比平坡路段大。 ( 3 ) 对现有车辙预测模型的改进 从前面对车辙预测模型的阐述中可以看到，有一些不是很合理，而有些从理论上讲比较 合理，但是由于计算手段的限制，使之不能够很好的实现。但是已有的研究成果为今天的研 究提供了一个很好的平台。本论文将以大型有限元软件a b a q u s 为工具，借助它非常友好 的二次开发接口，研究长大纵坡的车辙问题。 7 东南大学硕士论文沥青路面长大纵坡车辙性能研究 第二章长大纵坡问题的界定 本章从汽车动力性能的角度出发1 4 ，分析路面坡度的限值，为后面有限单元几何模型和 荷载模型的建立提供依据。 鉴于本论文的研究对象是长大纵坡道路上的车辙病害，所以在对车型的考虑中，选取的 是典型的载重汽车，即中型载重货车e q l 4 0 。 2 1 车辆行驶受力分析 2 1 1 空气阻力 为简化计算，不考虑空气阻力产生的侧向力、纵摆力矩、横摆力矩、摇摆力矩对车辆纵 向行驶的影响。忽略气流速度，流入角按最不利情况时0 。计，空气密度为p 。气压的影响 用海拔修正系数考虑。 正向空气阻力为 足= 彳詈谚z 警 包， 空气的升力为 巴= 彳虿p 2z 面c a v 2 ( 2 2 ) 善= ( 1 2 2 6 x 1 0 弓h ) 5 3 ( 2 3 ) 式中：彳车辆的横截面积( m 2 ) ； 日海拔高度( m ) ； 孝海拔修正系数： c 岔正向空气阻力系数； c 蠡空气升力系数； y 车辆行驶速度( k m h 。1 1 。 2 1 2 滚动阻力 车轮荷载由静态荷载和动态荷载组成。考虑空气荷载升力巴影响后的车轮垂直荷载为 尸一艺辱等 泣4 ， 式中：g 汽车满载时的重量( n ) 。 在正常的道路行驶条件下，设滚动阻力系数为f ，约束阻力按滚动阻力5 计，则车轮 的滚动阻力为 8 - 东南大学硕士论文 第二章长大纵坡问题的界定 5 ( g 一等 厂 2 1 3 坡度阻力 设坡度为i ，汽车重量为g ，则坡度阻力只可简化为 2 1 4 惯性阻力 社( g 一警 ( 2 5 ) ( 2 6 ) 汽车做加( 减) 速运动且加速度为f l 时，设惯性力系数为万，作用于车轮上的阻力矩转换 为加( 减) 速阻力为 。eg j j26 一n g ( 2 7 ) 2 1 5 车辆牵引力 设变速箱的变速比为t ，主传动器的减速比f o ，传动系的机械效率为仇，负荷率为u ， 曲轴扭矩为丝，驱动轮未变形半径，驱动轮动工作半径为1 0 4 r 女， 则车辆驱动轮的牵 引力、速度可表示为 e2 等 矿：0 3 7 7r i n , k ( 2 8 ) ( 2 9 ) 2 1 6 汽车的运动方程 当驱动力与各种行驶阻力之代数和相等的时候，称为驱动平衡。其驱动平衡方程式为： =等+(g一等c105f+i14，詈如 旺 2 1 i 2 1 1 5 j 、 7 g 。 2 2 汽车的动力特性 汽车的动力性能是指汽车所具有的加速、上坡、最大速度等的性能。汽车的动力性能越 好，速度就越高，所能克服的行驶阻力也越大。 2 2 1 车辆的动力因素 由汽车的运动方程：( = 巴+ 疋+ b e ，得到：f 一乞= 最+ b c 。上式 9 东南大学硕士论文沥青路面长大纵坡车辙性能研究 等号左端称为后备驱动力，其值与汽车的构造和行驶速度相关，等号右端为汽车在道路上行 驶时的道路阻力与惯性阻力之和，其值主要与道路状况和汽车的行驶方式有关，将右端行驶 阻力表达式代入，得： e 一足= ( g 一警 ( 1 0 5 f + i ) 詈面 眨 将上式两边同时除以g ，得： 丛= f 1 一垡坐舢5 川) 鱼口 (212)g 2 11 5 g i 。 j 、 。7 g 上式左端为d ，即 d = 二r _ l( 2 1 3 ) d 称为动力因素，它表征某型汽车在海平面高程上，满载情况下，每单位车重克服道 路阻力和惯性阻力的性能。将有关公式代入式( 2 1 3 ) 得： d ：互生：丝盘查盈竺一生圭墨竺：( 2 1 4 ) g 1 0 4 r 。g 2 1 1 5 g 定义彳为动力因素d 的海拔荷载修正系数，其值为 名：f 三 ( 2 一1 5 ) 以= c ( ) 式中：g 汽车满载时的重量( n ) ； g 汽车实载时的重量( n ) 。 并且考虑到计算扭矩公式： 鸩= 丝嗍一鳟v l m - - r l e ) 2 ( 2 1 6 ) 式中：托一最大扭矩( n m ) 。 坼最大功率所对应的扭矩( n 聊) ； 疗肘最大扭矩所对应的转速( r m i n ) ； 最大功率所对应的转速( r r a i n ) ； 刀转速( r r a i n ) 。 可以得到在不同的海拔高度、实载率条件下 肚型1 0 4 r k g 卜一持( 一涨 2 - 筹他m 2 2 2 汽车的行驶状态 由式( 2 1 2 ) 可得： 1 0 东南大学硕士论文第二章长大纵坡问题的界定 口= 吾( 舾一 ( 2 1 8 ) 非缈一一中( 1 - 慧 c 1 0 5 f + i ，。 各排档的临界速度 某一排挡的最大速度 2 3 车辆的主要技术性能参数 本文中选取的典型载重货车是e q l 4 0 ，其主要的技术性能指标见表2 1 。 表2 1车辆的主要技术性能参数 车型 e q l 4 0 g | n9 1 1 3 5 r m i n 一1 1 3 0 0 r m i n 一1 3 0 0 0 q o 9 0 0 o 2 0 0 a m 2 4 1 8 5 r k m 0 4 6 0 6 3 3 丝一( n m ) 3 5 2 8 0 0 蛑( n m ) 3 1 5 9 0 0 仉 0 8 5 0 由表2 1 中的技术性能参数，求出e q l 4 0 的其他技术性能参数见表2 2 。 ( 2 1 9 ) ( 2 2 0 ) 导警 一 = = 峨 圪 圪 东南大学硕士论文沥青路面长大纵坡车辙性能研究 表2 2e q l 4 0 参数计算值 6 圪( 砌h 1 )( b n h q )( 棚j 。2 )( 聊s 。2 ) k 7 4 83 1 24 7 61 2 0 00 9 80 8 4 4 3 11 7 78 2 62 0 8 81 0 20 8 6 2 4 51 2 7 1 4 5 03 6 7 00 7 70 6 3 1 5 41 1 22 3 1 05 8 4 00 5 lo 3 7 1 0 01 0 7 3 5 6 09 0 0 00 3 00 1 2 2 4 理想的和不限长度的最大坡度 由文献【5 知道：理想的最大坡度是e q l 4 0 载重汽车在油门开度9 0 的情况下，持续以k 等速行驶所能克服的坡度。在低等级公路设计中，k 为设计速度，在高等级公路设计中，k 为e q l 4 0 载重汽车的最高速度。由于地形等条件的制约，对于山岭公路设计来说， 有必要 将车速由k 减速到，以克服较大的坡度。砭称为容许速度，当车速由k 逐渐减速到圪， 其减速度随车速的减少而减少，然后保持砭的速度等速行驶。求解理想最大纵坡、不限长 度最大纵坡的车速见表2 3 。 表2 3理想最大纵坡及不限长度最大纵坡的车速o n h 1 设计车速k 圪 1 2 01 0 06 0 1 0 08 55 5 8 07 05 0 6 05 54 0 求解理想最大坡度时，加速度a 为0 ，油门开度9 0 ，车辆满载，车辆以理想行车车速 行驶，道路阻力系数在设计车速v = 6 0 k i n h - 1 时取厂：0 0 1 5 ，其他设计车速时取厂= 0 0 1 。由 式( 2 1 8 ) 得 岫= ( - 一警 ( 1 0 5 川， 旺2 ， i 塞_ r 4 可得： 江名- 1 0 5 f 声理。1 。 2 1 1 4 g ( 2 2 2 ) 计算得到不同海拔高度的理想最大坡度，计算结果见表2 4 。由容许车速计算相对应的 坡度值为不限长度的最大坡度，计算结果见表2 5 。 1 2 东南大学硕士论文第二章长大纵坡问题的界定 表2 4 理想的最大坡度( ) 海拔高度日( 聊) 容许车速y o1 0 0 02 0 0 03 0 0 0 1 2 01 0 80 8 40 6 30 4 3 1 0 01 5 71 2 81 0 10 7 7 8 02 3 51 9 11 5 11 1 5 6 03 5 32 9 51 7 21 9 6 w e 5 不限长度的最大坡度之( ) 日( 聊) 矿 01 0 0 02 0 0 03 0 0 0 6 02 3 31 9 51 6 11 3 0 5 52 4 8 2 0 81 7 21 4 0 5 03 8 33 2 2 2 6 72 1 7 4 04 3 03 6 43 0 42 5 0 2 5 坡长限制 道路的坡度i 大于理想最大坡度称为陡坡，车辆将减速行驶，车辆的初始速度假设为 k ，终速度不得低于圪。因此，凡大于之的坡度，其长度应加以限制，即陡坡的最大长度。 道路的坡度小于的坡度属于缓坡。当陡坡的长度超过限制长度时，应安排一段缓坡，用以 恢复降低的车速。 汽车的加、减速度是行车速度的函数，由此可推出汽车在坡道上减速行驶的距离，从而 求出坡长的限制值。减速距离( 坡长) 与行驶车速有如下关系： s ：r 2 鲨：三r 婴 口3 1 6 2 躬口 1 2 丽l 附y ( 2 2 3 ) 由式( 2 2 3 ) ，采用数值分析中面积方法求积分，利用m a t l a b 来求解得出在不同坡度、 以不同速度行驶时的减速距离，如表2 6 所示。 2 6 坡度限制 利用2 4 节和2 5 节的分析结果，参照国外关于最大坡度的标准，本文中对长大纵坡坡度 值的选取如表2 7 所示。 1 3 东南大学硕士论文 沥青路面长大纵坡车辙性能研究 2 7 不同超载率下的车辆行驶速度 在长大纵坡道路上，载重汽车的超载情况比较普遍。在超载的情况下，车辆爬坡时的稳 定行驶速度一般不能达到满载时的稳定速度。在后文车辙计算中一共选取了三个负荷水平， 分别为：满载、1 0 0 以及2 0 0 。 由式( 2 1 0 ) 可以假设车辆爬坡时采用三挡，= 2 4 5 ，加速度口= 0 7 m j - 2 ，负荷 率u 分别为满载、1 0 0 超载、2 0 0 超载的情况下，车辆稳定行驶速度的变化规律。代入已 知参数可以得到计算结果，计算结果见表2 8 。 表2 6 坡道上的减速距离 h = 01 0 0 02 0 0 03 0 0 0 条件 l 五= 0 9 0 00 7 9 70 7 0 40 6 2 0 83 0 42 9 42 8 42 7 5 73 6 23 4 73 3 43 2 2 6 4 4 74 2 5 4 0 63 8 8 i55 8 75 4 95 1 64 8 8 48 5 67 7 57 1 06 5 7 31 1 9 7 9 3 5 7 7 7 6 7 0 2 o o 1 5 7 5 23 1 5 82 2 1 l 83 4 73 3 43 2 33 1 2 74 1 53 9 73 8 03 6 6 65 1 54 8 74 6 34 4 1 56 8 06 3 25 9 15 5 6 4 1 0 0 89 0 28 1 87 5 3 31 6 0 21 1 9 89 7 38 2 8 82 8 02 6 72 5 62 4 6 73 3 73 1 93 0 22 8 9 6 4 2 53 9 63 7 13 5 1 i 55 7 45 2 24 8 04 4 6 48 9 07 6 86 7 96 1