（岩土工程专业论文）高等级沥青路面车辙的非线性有限元分析.pdf

或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：”日 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可 以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：二坠导师签名 ：弭日期：丝绸一 l ：海大学硕上学位论文 上海大学工学硕士学位论文 高等级沥青路面车辙的 非线性有限元分析 姓名：董轶 导 师：彭妙娟 学科专业：岩土工程 上海大学土木工程系 2 0 10 年1 月 l v m a j o r ：g e o t e c h n i c a le n g i n e e r i n g d e p a r t m e n to fc i v i le n g i n e e r i n g s h a n g h a iu n i v e r s i t y j a n u a r y ，2 0 1 0 v 上海大学硕十学位论文 摘要 随着我国经济的发展，高等级公路所承载的交通量也随之增加。作为高等 级沥青混凝土路面主要的早期破坏形式，沥青路面车辙相关问题越来越受到人 们的关注。沥青混凝土作为一种粘弹塑性材料，其本身的力学性能极为复杂， 影响沥青混凝土路面车辙的因素也较多，目前利用实验对沥青路面车辙进行非 线性分析具有较大的局限性。利用有限元法对沥青路面车辙进行非线性分析， 是研究沥青路面车辙的非常有效的方法之一。本文利用大型通用非线性有限元 软件a b a q u s ，结合粘弹性层状理论，对高等级沥青路面车辙的影响因素等进 行了非线性分析。 对沥青路面产生车辙的机理进行了详细分析，对现有的沥青路面影响因素 做了对比总结，得到了本文对沥青路面车辙进行非线性分析所要考虑的各种因 素。 根据现有的沥青路面设计规范和我国常用设计结构，设计了两种用于车辙 分析的路面结构，确定了采用a b a q u s 中的d r u c k e r - p r a g e 蠕变模型模拟沥青 路面的高温变形特性，通过实验所得的数据得到了有限元软件中的材料参数， 确定了汽车荷载、轮胎胎压、荷载作用次数、温度等条件在有限元软件中的实 现方法。 建立了路面车辙分析二维有限元模型，利用有限元软件a b a q u s 分别对半 刚性基层路面和柔性基层路面车辙形成过程进行了模拟。采用改变单一参数的 方法研究了路面中面层厚度、中面层材料弹性模量以及粘弹性性质对路面车辙 的影响并进行了分析。 建立了路面车辙分析的三维有限元模型，利用有限元软件a b a q u s ，考虑 累积作用时间，分析了外部荷载对路面车辙变形和路面结构内剪应力的影响， 以及路面刹车、路面纵坡对路面车辙的影响。 研究结果表明：在高等级三层式沥青混凝土路面中，中上面层沥青混凝土 的高温性能以及路面结构，尤其是中面层沥青混凝土的材料性能和厚度对路面 车辙有着较大的影响；轮胎压力和汽车载荷大小等因素对路而车辙变形有着重 v i 上海大学硕+ 学位论文 要影响；超载、欠压、超压都会加速路面车辙变形的产生；在经常发生刹车的 路段容易出现较大车辙，而纵坡并不是造成路面车辙的主要原因。 基于上述研究结果，本文提出了几点关于高等级沥青混凝土路面抗车辙设 计的建议。 本文的研究可为我国高等级公路的设计和施工提供参考，促进沥青路面车 辙的研究进展。 关键词：沥青路面，车辙，非线性分析，有限元，粘弹性，影响因素 v i i 上海人 w i t ht h ed e v e l o p m e n to fc h i n a se c o n o m y , t h et r a f f i cv o l u m ec a r r i e d b y h i g h c l a s sh i g h w a y sh a sa l s os o a r e d a so n eo ft h em a j o rc a u s e sf o rt h ed a m a g eo f a s p h a l tp a v e m e n t s ，t h er e s e a r c h e r sh a v ep a i dm o r ea n dm o r ea t t e n t i o nt ot h er u t t i n g a n dt h er e l a t e dp r o b l e m s t h ea s p h a l tc o n c r e t ei sav i s c o - e l a s t o - p l a s t i c i t ym a t e r i a l ， a n di t sm e c h a n i c sp r o p e r t yi se x t r e m e l yc o m p l e x b e s i d e s ，t h e r ee x i s tal o to ff a c t o r s a f f e c t i n gt h er u t t i n go fa s p h a l tp a v e m e n t s t h e nt h ec u r r e n te x p e r i m e n t sh a v em a n y l i m i t a t i o n st oa n a l y z et h en o n l i n e a rp r o p e r t i e so ft h er u t t i n go fa s p h a l tp a v e m e n t s a n dt h e nu s i n gt h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o d ( f e m ) t od on o n l i n e a ra n a l y s i so ft h e r u t t i n go fa s p h a l tp a v e m e n t sb e c o m e sav e r ye f f e c t i v ea p p r o a c h i nt h i sp a p e r , v i s c o e l a s t i c i t yt h e o r yi se m p l o y e dt oe s t a b l i s ha na s p h a l tp a v e m e n tf i n i t ee l e m e n t m o d e li na b a q u s ，w h i c hi sag e n e r a ln o n l i n e a rf e m s o f t w a r e ，t h e nt h en o n l i n e a r a n a l y s e so nt h ei n f l u e n c ef a c t o r so nt h er u t t i n go na s p h a l tp a v e m e n ta r ed o n e t h em e c h a n i s mo ft h er u t t i n go na s p h a l tp a v e m e n ta r ed i s c u s s e di nd e t a i l ，a n d t h ec u r r e n ti n f l u e n c ef a c t o r sa r es u m m a r i z e d ，t h e nt h ei n f l u e n c ef a c t o r s ，w h i c hw i l lb e c o n s i d e r e di nt h i sp a p e rf o rn o n l i n e a ra n a l y s i so ft h er u t t i n go na s p h a l tp a v e m e n t ，a r e o b t a i n e d b a s e do nt h es p e c i f i c a t i o n sf o rd e s i g no fh i g h w a ya s p h a l tp a v e m e n ta n dt h e t r a d i t i o n a ls t r u c t u r e si nc h i n a ，t w or o a ds t r u c t u r e sa r ed e s i g n e df o rt h ea n a l y s i so f r u t t i n gi n t h i sp a p e r t h ed r u c k e r - p r a g ec r e e p i n gm o d e li na b a q u si su s e dt o s i m u l a t et h ev i s c o - e l a s t i c i t yp r o p e r t yo fa s p h a l tp a v e m e n t t h ep a r a m e t e r si nf e m a r eo b t a i n e df o r mt h ee x p e r i m e n t a ld a t a a n dt h em e t h o d st os i m u l a t et h el o a d ，t i r e p r e s s u r e ，l o a ds t e p sa n dt e m p e r a t u r ei nf e ma r ed i s c u s s e d t h e2 df e mm o d e li se s t a b l i s h e d ，t h e na b a q u si se m p l o y e dt os i m u l a t et h e f o r m a t i o np r o c e s so fr u t t i n go nh a r dr o a ds u r f a c ea n ds o f tr o a ds u r f a c e t h e s i n g l e - p a r a m e t e rm e t h o di se m p l o y e dt os t u d yt h ei n f l u e n c e so ft h et h i c k n e s so f r o a d m e d i u ml a y e r , t h ee l a s t i cm o d u l eo f r o a dm e d i u ml a y e rm a t e r i a la n dt h e v 1 1 i l o a dh a v ei m p o r t a n ti m p a c t so nt h er u t t i n gd e f o r m a t i o n ；t h a tt h eo v e r l o a d ，i n s u f f i c i e n t a n do v e r - s u f f i c i e n tt i r ep r e s s u r ew i l li n c r e a s et h er u t t i n gd e f o r m a t i o n ；t h a tt h er u t t i n g i sm o r ea tt h er o a ds e c t i o nw h e r eb r a k e sa r ef r e q u e n t ；a n dt h a tt h es l o p ei sn o tm a j o r i n f l u e n c ef a c t o ro nt h er u t t i n g b a s e do nt h ea b o v er e s e a r c hr e s u l t s ，s o m es u g g e s t i o n sa r ep r o p o s e df o rt h er o a d d e s i g nt oa v o i dr u t t i n gi nh i g h c l a s sa s p h a l tc o n c r e t ep a v e m e n t t h er e s e a r c h e si n t h i st h e s i sc a nb er e f e r e n c e df o rt h ed e s i g no fh i g h c l a s s a s p h a l tp a v e m e n t si no u rc o u n t r y , a n dt h e s em a yi m p r o v et h er e s e a r c h e so nt h e r u t t i n go fa s p h a l tp a v e m e n t s k e y w o r d s ：a s p h a l tp a v e m e n t ，r u t t i n g ，n o n l i n e a ra n a l y s i s ，f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ， v i s c o - e l a s t i c i t y , i n f l u e n c ef a c t o r i x 上海人 目录 摘 要 a b s t r a c t v i 第一章绪论1 1 1 沥青路面车辙研究的重要性1 1 2 沥青路面车辙的研究现状2 1 3 沥青路面车辙研究存在的问题5 1 4 本文主要研究内容和创新6 第二章沥青路面车辙产生机理及影响因素8 2 1 引言8 2 2 沥青路面车辙分类以及产生机理8 2 2 1 沥青路面卞辙及其分类9 2 2 2 沥青路面车辙产生机理分析11 2 3 沥青路面车辙影响因素1 3 2 3 1 材料对沥青路面车辙的影响一1 4 2 3 2 外部环境对沥青路面乍辙的影响1 7 2 4 本章小结19 第三章沥青路面车辙有限元计算模型和参数2 l 3 1a b a q u s 中沥青路面的分析模型2 1 3 1 1 有限元法概述2 l 3 1 2 a b a q u s 软件简介2 2 3 1 3 a b a q u s 中沥青路面的分析模型2 5 3 2 路面结构类型一2 7 3 2 1 国内现有设计规范及路面结构2 7 3 2 2 沥青路面车辙分析基本结构2 9 3 3 路面材料性质及参数3 0 3 3 1 沥青混合料参数3 0 x 卜海大学硕士学位论文 3 3 2 基层和土基参数。3 2 3 4 荷载及胎压参数3 3 3 3 4 1 荷载模型简化3 3 3 4 2 荷载作用时间转化3 4 3 5 温度环境参数3 5 3 6 本章小结3 6 第四章沥青材料对沥青路面车辙变形影响分析3 7 4 1 引言3 7 4 2 二维路面结构有限元模型3 8 4 2 1 二维有限元模型建立3 8 4 2 2 二维有限元模型分析4 0 4 3 不同路面结构对车辙的影响分析4 6 4 4 不同沥青材料对车辙的影响分析5 l 4 4 1 沥青弹性模鼍对沥青路面抗车辙能力影响分析5 1 4 4 2 沥青材料粘弹性对沥青路面抗车辙能力影响分析5 3 4 5 本章小结5 6 第五章外部荷载对沥青路面车辙影响分析5 8 5 1 引言。5 8 5 2 三维路面结构有限元模型一5 8 5 2 1 三维有限元模型建立5 8 5 2 2 三维有限元模型分析6 l 5 - 3 荷载作用次数对沥青路面车辙影响分析6 4 5 4 荷载及胎压对沥青路面车辙影响分析6 8 5 4 1 荷载及胎压对沥青路面车辙影响分析6 9 5 4 2 水平力对沥青路面车辙影响分析7 l 5 5 本章小结一7 4 第六章结论和展望7 6 6 1 结论7 6 6 2 展望7 8 一i ：海大学硕士学位论文 参考文献7 9 作者在攻读硕士学位期间公开发表的论文8 6 致谢8 7 x i i 上海大学硕上学位论文 第一章绪论 1 1 沥青路面车辙研究的重要性 在高等级公路中，沥青路面以其众所周知的良好性能受到世界众多国家的 青睐。它作为一种无接缝的连续式路面，有着良好的力学特性、平整耐磨的表 面、舒适的行车性能、无扬尘、振动小、噪音低、施工期短和养护简单等特点。 特别是2 1 世纪以来，随着我国国民经济的发展，道路所承受的交通量在迅速增 长，大吨位集装箱的运输，使车辆的载重在不断提高，轴载和轮压也在增大， 特别加之交通管理的改善使车辆行驶渠化以及沥青混合料的组成设计不合理等 因素，都加速了路面结构在较短的时间内产生了破坏，路面的使用性能大大降 低，事故率同时增大，造成了巨大的经济损失。 沥青混合料的永久变形( 车辙) 是柔性路面体系中最主要的几种破坏类型之 一。它不仅直接影响路面的平整度和使用性能，降低行车舒适性，更会对汽车 行驶的安全性造成危害。并且车辙深度随时间变化的不断积累，最终会造成路 面结构的严重损坏。实验表明：如果路面不透水，5 m m 的车辙深度是很危险的 水漂深度，对行车安全带来威胁n 1 。它造成路面破坏，大量维修、重修，以及行 驶安全和质量问题。 2 0 世纪7 0 年代术，美国各州公路局曾作过统计，共调查了4 4 条主要公路， 其中就有1 3 条公路的破坏是由于车辙引起的，占调查总数的2 9 5 。日本的高 速公路路面的维修和罩面，8 0 以上是由于路面产生了车辙。据统计，美国热拌 沥青混合料每年花费1 5 0 亿美元，若每个州路面的寿命能提高l ，每年可节省 2 0 0 万美元。在我国，1 9 8 8 年沈大高速、沪嘉高速公路的陆续通车，沥青面层 被越来越多的应用在高等级公路中。我国的高速公路，一方面由于交通量增长 迅速，远远地超过了设计预期的增长速度；另一方面，高速公路重车的比例在 不断提高，车辆超载现象非常普遍，这种交通条件对路面的破坏作用是非常严 重的，尤其会导致路面车辙的早期产生。每年用于沥青路面养护的费用也十分 可观，提高路面的使用寿命也能节省大量的资金。 沥青混合料作为一种粘弹性材料，其力学性能与温度及荷载作用时间等密 j ：海大学硕士学位论文 切相关。鉴于沥青混合料所具有的粘弹性以及影响沥青路面高温特性因素的多 样性，车辙的成因非常复杂。这也使得沥青混合料永久变形问题的研究得到世 界各国公路技术人员的关注，如何防治沥青路面车辙已经成为道路工程研究的 热点和难点之一。 1 2 沥青路面车辙的研究现状 1 9 6 0 年以前，对车辙问题很少有j 下式研究，美国当时采用的路面设计方法 都是用经验方法来估量路面的抗剪性能，通过在特定c b r 值的材料加上加铺足 够厚的沥青层，保证在设计年限内路面的车辙量大概在一个可以容忍的范围内。 1 9 6 2 年，美国a a s h t o 对实验路的研究时发现：永久变形主要是由于各结 构层厚度的减少，多发生在路面结构层( 面层3 2 、基层1 4 、底基层4 5 ) ， 土基仅占9 乜1 。在首届国际沥青路面结构设计会议上，s h e l l 公司提出了第一 个考虑车辙的路面设计方法。在这个方法中，通过限制路基顶部的垂直压应变 来控制车辙啊1 。从此，沥青路面车辙问题开始受到广泛的关注。 1 9 7 2 年，在第三届沥青路面结构设计国际会议上，b a r k d a l e 和r o m m n 提出 了层应变法预估柔性路面车辙h 引。这种方法的优点是考虑了沥青路面面层的变 形。h o n d a 通过实验得到，剪应变是形成车辙的主要因素，提高材料密度可以 减小剪切变形；沥青路面的车辙从上到下逐渐减小，表明车辙主要产生在沥青 层内，他推荐是用高强度的路面材料1 。 1 9 7 4 年，h i l l s 和v a nd el o o 提出了蠕变实验数据加上弹性分析来检测沥青 层的车辙口1 。 1 9 7 7 年，f i n n 等使用了回归的技术对常规的和全厚路面中的应力、表面弯 沉和重复荷载作用下的车辙进行了回归分析呻1 。k e n i s 应用了粘弹性理论来计算 车辙深度，建立了塑性应变和应力、温度、荷载时间、湿度之间的关系阳1 。h u s c h e k 结合蠕变实验，根据粘弹性理论提出了一种沥青面层车辙的预估方法n0 。在该 年的第四届国际沥青路面结构设计会议上提出了新的考虑车辙的设计方法，改 进方法包括限制表面车辙在制定的年限内的预估沥青粘结层或整个路面结构的 车辙量。 2 上海人学硕十学位论文 1 9 8 2 年，b o l k 利用粘弹性理论和蠕变实验来预估沥青路面的车辙，并且提 出了限制路基应变的标准1 。m o n i s m i t h 讨论了利用蠕变实验来预估沥青路面车 辙的方法n2 | 。第五届沥青路面结构设计国际会议以后，车辙问题的研究热点开 始转移到沥青层上来。 1 9 8 7 年，h u g h e s 对四种沥青混合料形成的路面进行了为期一年的实测，得 到以下结论：对早期车辙而言，级配和骨料的类型影响较大，而粘结料相对影 响较小；温度和密实度对早期车辙有较大影响n3 1 。h u b e r 对影响沥青路面车辙的 因素进行了研究，认为塑性变形是车辙形成的主要因素n 钔。e c k m a n n 研究了结 合动态蠕变实验和层应变分析预测足尺实验路面车辙，与观测结果符合很好n 鄹。 e i s e n m a n n 对各种轮胎荷载和压力下的沥青路面进行了足尺实验，并对实验结果 进行了回归分析n 引。 1 9 8 9 年，b r o w n 等对4 个已产生车辙的路面和1 个未产生车辙的路面进行了 研究，与实验室的实验结果进行对比，分析了影响车辙的因素n 。 1 9 9 0 年和1 9 9 4 年，在s h r p 的计划资助下，s o u s a 等对影响车辙的因素进 行了总结并做了大量相关研究，提出了确定沥青混凝土路面潜在永久变形的方 法和提出了一个粘弹塑性本构模型来分析沥青混凝土的永久变形n 8 舯1 。 1 9 9 5 年，c o l l o p 等提出了一个重复荷载作用下沥青混凝土的车辙计算方法， 这个方法把路面看成线性粘弹性体晗，并对影响车辙的因素进行了分析心射。 2 0 0 0 年，l u 做了蠕变和回复实验，将变形分为与时间无关和与时间相关两 部分，得到沥青混合料的粘弹性响应，在高温下应力对沥青混合料的粘性响应 影响较大心引。 2 0 0 0 年起，随着计算机在工程分析中得到广泛应用和有限元方法的成熟和 发展，很多学者开始利用有限元方法预测沥青路面的车辙。h u a 建立了一个非线 性的粘弹性模型，应用了有限元程序包a b a q u s 对三层路面体系进行了计算乜4 j 。 z h o n g 利用有限元分析软件a n s y s 对沥青路面的车辙进行了分析，讨论了沥青 路面车辙的影响因素，提出了沥青路面车辙的预估公式引。 2 0 0 3 年，美国a a s h t o 和t r b 提出了几种新建和改建沥青路面的车辙预估 模型，在路面设计中考虑了车辙的因素，以车辙深度作为控制车辙的指标乜6 2 7 1 。 2 0 0 4 年，j a c o bu z a n 在对柔性路面的永久变形进行有限元研究中提及通过增 上海人学硕十学位论文 加沥青层厚度可以提高整个路面的刚度，从而减少永久变形啪1 。 2 0 0 5 年，h a u ，k w 等用有限元软件，通过利用随动强化模型模拟沥青材料 的永久变形，分析了三层式沥青路面其结构构成对沥青路面车辙的影响啪1 。 t a r e f d e r 对现有的车辙预估模型和发展做出了总结和评价啪1 。 2 0 0 6 年，s a l a m a 等人通过对现有的1 0 9 条高速公路进行调查研究，得出了 一个考虑时间对车辙影响的预估公式。同时得出在沥青永久变形过程中，主要 是由于沥青层的变形产生的( 其中沥青层变形占5 7 、基层占2 7 、土基占 1 6 1 。 2 0 0 7 年，g o p a l a k r i s h n a n 对机场跑道进行了研究，提出了一种新的评价沥青 路面车辙变形的衡量标准，该标准中提出将路基应力匕l ( s u b g r a d es t r e s sr a t i o s ) 作 为设计和评价的标准口引。a l l o u 等人通过有限元软件建立了二维和三维的有限元 模型分析沥青路面车辙，讨论了利用不同本构模型模拟沥青混凝土力学行为对 有限元模型准确性的影响口3 。 2 0 0 8 年，w a s a g e 等人通过施加循环荷载和恢复实验对沥青混凝土在动态荷 载下的永久变形影响因素进行了研究口钔。 2 0 0 9 年，t a s d e m i r 对在高温下沥青混凝土的性能进行了分析，并对在高温下 沥青混凝土抗车辙性能进行了实验研究口5 1 。c h a z a l l o n 等人利用有限元方法对长 时间荷载下沥青路面车辙进行了分析汹3 7 1 。随着计算机性能的发展和有限元理 论的完善，对计算机的利用在沥青路面车辙研究中越来越发挥着举足轻重的作 用。 国内方面，由于2 0 世纪8 0 年代以前，我国沥青路面数量少，道路等级低， 交通量较小，车辙变形问题不太严重，未引起足够的重视。改革开放后，我国 的高等级沥青路面得到了很大的发展，车辙i 、u j 题也同趋引起了广大学者和国家 的关注，使得我国在沥青路面车辙方面的研究得到了快速的发展。 在我国，同济大学在此方面做了大量的研究。徐世法等用蠕变实验得到统计 公式用非线性粘弹性分析计算沥青路面车辙深度，采用“四单元五参数”的模 型，提出了一个较为合理的车辙预估方法，采用单轴蠕变实验确定参数，并在 车辙预估模型中考虑了侧向隆起，提出了以粘性劲度模量作为评价沥青路面车 辙的标准吼4 。许志鸿等以粘弹性层状体系理论为基础，通过l a p l a c e 变换，得 4 上海大学硕十学位论文 出了一种简化的沥青路面车辙预估方法h 。候云、郭忠印等对动载作用下多层 弹性体系的变形响应进行分析，对多种路面结构研究其在不同荷载周期下的动 态反应规律h 引。黄晓明、邓学钧等人通过室内道路环道实验提出了不同保证率 下的车辙预估公式h 副。彭妙娟、许志鸿对沥青混凝土路面永久变形实验方法进 行了评述h 钔；在粘弹性理论的基础上通过添加塑性元件，将沥青材料视为一种 粘弹塑性材料，应用粘弹塑性理论，建立了一个粘弹一弹塑性非线性本构模型 h 5 惦| ；最后通过以往沥青路面车辙预估公式的分析，采用上述本构模型提出了一 种新的沥青路面车辙预估公式h 7 4 8 。张登良等通过实验对高等级道路沥青路面车 辙进行了研究，以粘弹性层状体系理论和流变学模型分析为基础，结合沥青混 合料的变形特性，提出了包括层减薄量和侧向隆起高度的车辙深度预估方程心9 矧。郝培文等研究了不同沥青用量与级配组成对沥青混合料抗车辙性能的影响 畸。刘红瑛、戴经梁等对沥青混合料高温车辙评价指标进行了研究畸引。封基良、 王海君等人通过对路面的高温性能研究提出了沥青路面粘弹性预估方法啼3 洲3 。 2 l 世纪以来，随着有限元软件在各个科学研究领域内的普及，我国许多学 者也开始利用有限元软件对沥青路面车辙问题进行研究。同济大学苏凯，孙立 军等通过有限元软件对外荷载、材料弹性模量以及路面结构形式对沥青车辙影 响进行了分析畸钆i 。彭妙娟等通过对沥青路面的理论和实验研究提出了路面非 线性分析的有限元方法腩7 。东南大学张久鹏，黄晓明等利用a b a q u s 软件对沥 青路面在高温下的环实验进行了模拟嘲5 9 l 。重庆交通大学何兆益等通过将沥青 材料视为流变体，导入流变学本构模型对沥青路面进行了动力学有限元分析唧1 ， 同时基于动力学的有限元分析得出了沥青路面车辙在动力作用下的预估公式 阻。胡玲玲等对高温条件下长陡坡路段沥青混凝土路面结构进行有限元分析， 说明了路面结构对沥青车辙有着重要影响哺引。 综上所述，沥青路面车辙分析是目前道路工程研究的热点之一。由于沥青 路面变形的非线性性，沥青路面车辙分析也是目前道路工程研究的难点之一。 1 3 沥青路面车辙研究存在的问题 国内外对沥青路面车辙的研究主要存在以下问题： 5 上海人学硕十学位论文 1 在沥青路面车辙研究方面的理论研究，虽然已经从线弹性层状理论逐步 转向粘弹性层状理论和粘弹塑性理论，但是现有的理论无法准确地描述在高温 和重载作用下的永久变形。 2 在沥青路面车辙实验方面，目前所做的实验还难以满足对沥青路面车辙 分析的需要，特别是缺乏对沥青路面车辙影响因素的系统地实验研究。现有的 各种实验方法的研究基本上是模拟荷载中心线下的车辙深度，考虑轮迹边缘的 剪应力的实验方法较少；所做的各种实验基本上是在固定温度下，没有考虑面 层到基层的温度变化对沥青路面车辙的影响。 3 在沥青路面车辙影响因素分析方面，目前我国大部分研究是基于实验数 据，通过改变沥青的种类、集料的级配以及集料的形状等条件，来分析沥青混 凝土的粘弹性材料属性和集料对沥青路面车辙的影响。而单纯的依靠实验研究 无法准确有效地说明某一种材料或结构参数的改变对沥青路面车辙的影响。导 致在设计时盲目地选择高性能材料造成经济上的浪费。 4 在沥青路面车辙分析的数值方法研究方面，目前主要采用了有限元法。 但由于沥青路面车辙分析的本构模型的研究在非线性方面考虑较少特别是综合 考虑时间、温度对沥青混凝土的影响方面的本构模型很少，其相应的有限元分 析的结果与实验结果有较大差异。在有限元模拟方面，现在多数学者采用的二 维平面应变模型来模拟车辙产生过程，但这与道路荷载实际情况不符。 总而言之，虽然我国沥青车辙方面的研究发展迅速，但是还需要大量的深 入的研究。 1 4 本文主要研究内容和创新 本文对沥青路面车辙的非线性分析，主要是对沥青路面材料的非线性粘弹 性变形进行非线性有限元分析。首先分析以往的研究资料和实验数据，确定影 响沥青路面车辙的因素；其次借助大型通用有限元软件，对沥青混合料建立了 二维和三维有限元模型，分析了其车辙规律；最后通过有限元软件，改变材料 参数和结构类型，逐一讨论其对沥青路面车辙性能的影响。 本文主要研究内容如下： 6 上海大学硕士学位论文 1 对沥青路面产生车辙的机理进行了详细分析，对现有的沥青路面影响因 素做了对比总结，得到了本文对沥青路面车辙进行非线性分析所要考虑的各种 因素。 2 根据现有的沥青路面设计规范和我国常用设计结构，设计了两种用于车 辙分析的路面结构，确定了采用a b a q u s 中的d r u c k e r - p r a g e 蠕变模型模拟沥 青路面的高温变形特性，通过实验所得的数据得到了有限元软件中的材料参数， 确定了汽车荷载、轮胎胎压、荷载作用次数、温度等条件在有限元软件中的实 现方法。 3 建立了路面车辙分析二维有限元模型，利用有限元软件a b a q u s 分别 对半刚性基层路面和柔性基层路面车辙形成过程进行了模拟。采用改变单一参 数的方法研究了路面中面层厚度、中面层材料弹性模量以及粘弹性性质对路面 车辙的影响并进行了分析。 4 建立了路面车辙分析的三维有限元模型，利用有限元软件a b a q u s ，考 虑累积作用时间，分析了外部荷载对路面车辙变形和路面结构内剪应力的影响， 以及路面刹车、路面纵坡对路面车辙的影响。 5 基于上述非线性有限元分析，得到了沥青路面车辙影响因素的相关结 论。在此基础上提出了几点关于高等级沥青混凝土路面抗车辙设计的建议，为 路面设计提供参考。 本文工作的创新点： 1 本文将沥青混凝土材料视为粘弹塑性材料，利用a b a q u s 有限元软件中 的d r u c k e r - p r a g e r 弹塑性模型和d r u c k e r - p r a g e r 蠕变模型对沥青路面的车辙进行 了数值分析。 2 采用无限元模拟路面以下土基的半无限体特性，能够更准确地模拟路面 真实的状态。 3 本文采用三维有限元模型，实现了对路面汽车荷载和胎压共同作用下的 车辙的数值模拟，同时针对刹车和路面纵坡对车辙的影响做了粘弹性分析。 7 f ：海大学硕士学位论文 第二章沥青路面车辙产生机理及影响因素 2 1 引言 车辙是在渠化交通的道路上，沥青路面在车辆荷载反复作用下产生的竖向 累积永久变形，是沥青路面典型早期破坏形式之一。沥青路面车辙现象的产生 严重影响了道路的行驶质量和使用寿命，并危及行车安全。 本章讨论了沥青混凝土路面的典型车辙破坏形式，分析了车辙产生的机理 和影响因素，对车辙有着重要影响的因素做了分析，得到了本文对沥青路面车 辙进行非线性分析所要考虑的各种因素。 2 2 沥青路面车辙分类以及产生机理 沥青混合料是一种粘弹性材料，其物理力学性能与温度和荷载作用时间密 切相关。沥青路面在使用期间，要经受从高温不同环境条件的考验。从统计资 料可知，冬季及春季温度不太高时路面将不会产生大的变形引。通常科研过程 中所说的“高温稳定性能的高温条件是指在使用过程中受到交通荷载的反复 作用，容易产生车辙、推移、拥包等永久性变形的温度范围。在我国道路使用 的实践证明： 图2 1 在重载交通下沥青路面的车辙 上海人学硕士学位论文 在通常的汽车荷载作用下，永久变形主要是在夏季气温高于2 5 一3 0 左右，即 沥青路面温度达到或超过4 0 - 5 0 ，已经达到或超过道路沥青的软化点温度的 情况下产生的，且随着温度的升高和荷载的加重，变形越大。沥青路面车辙是 沥青路面的最具有危害的破坏形式之一。图2 1 为在重载交通下沥青路面的车 辙。 2 2 1 沥青路面车辙及其分类 根据以往的调查结果，国际上一般认为车辙可以分为以下几种形式m 引： 1 结构性车辙：由于荷载作用超过路面各层强度，车辙主要发生在沥青面 层以下包括路基在内的各个结构层的永久变形。这种车辙的宽度较大，两侧没 有隆起现象，横断面呈浅瓮状u 字形( 凹形) ，如图2 2 所示。 瑙 赚 饕 卅 原路面 图2 2 结构性车辙示意图 路面 2 沥青混合料流动性车辙或失稳性车辙：这种车辙是由于沥青混凝土的侧 向流动变形。在高温条件下，由于车轮的反复碾压作用，荷载应力超过沥青混 合料的稳定度极限，使流动变形不断累积形成车辙。其主要表现形式：一方面 是车轮作用部位下凹，另一方面车轮作用甚少的部位反而向上隆起，在弯道外 还明显向外推挤，车道线及停车线因此成为变形的曲线。无疑这部分车辙将主 要取决于沥青混合料的流动特性。这种车辙一般都有两侧隆起现象，对主要行 驶双轮车的路段，车辙断面成w 形，如图2 3 所示。对主要行驶宽幅单轮车的 路段，车辙成非对称形状。它尤其容易发生在上坡路段、交叉口附近，即车速 慢、轮胎接地产生的横向应力大的地方。 9 上海人学硕十学位论文 蜊 账 簿 料 靛 翼 原路面 图2 3 结构性车辙示意图 瑙 隧 捶 针 靛 鞣 在该种车辙中，一般国际上统一将原路面至变形后路面的最大变形处的变 形称为绝对车辙深度；而将变形后路面最高隆起点至最大向下变形处的距离称 为相对车辙深度，如图2 3 所示。 3 冬季埋钉轮胎形成的磨损性车辙。在我国，由于基层基本上是半刚性基 层，车辙基本上都属于沥青混合料的流动性车辙。对这种车辙，可以说没有有 效的维修方法，只有采用新的材料或将原有材料再生改造以更换产生车辙的层 次。而磨损性车辙几乎是没有的。 另外还有一种国外较少出现在我国却常常发生的车辙。它是由于沥青面层 本身压密造成的。这是非正常的车辙。尤其在我国，有些高速公路施工时没有 很充分地压实，也有的是过分追求平整度，在降低温度后碾压，造成压实度不 足，致使通车后的第一个高温季节混合料继续压密，在交通荷载的反复碾压作 用下，空隙率不断减少，达到极限的残余空隙率后才趋于稳定。它一方面产生 压实变形，同时平整度迅速下降，甚至形成明显的车辙。这种车辙两侧没有隆 起，只有下凹，成u 字形或w 形。这是由于施工不良造成的非正常情况的车辙。 这种车辙形成的初期表现较多，车辙形成表现在车道附近，即车轮作用次数较 少的部位变形很小或保持原状。这一点现在已成为非常突出的问题。如果明确 是由于压实不足产生的车辙，是可以在其上加铺罩面进行维修的。所以为了减 小车辙，在施工的过程加强碾压，使空隙率控制在要求的范围内是非常重要的。 1 0 上海大学硕士学位论文 2 2 2 沥青路面车辙产生机理分析 沥青混凝土路面开放交通后，在行车荷载反复作用下车辙形成可分为以下 三个阶段： 开始阶段的压密过程：沥青混合料在被碾压成形前是由矿料、沥青及空气 组成的松散混合物，经碾压后，高温下处于半流动状态的沥青及沥青与矿粉组 成的胶浆被挤进矿料之间，同时集料被外力排列成具有一定骨架的结构。碾压 完毕交付使用后，当汽车荷载作用时，此压密过程还会进一步发展。 沥青混合料的流动：高温下的沥青混合料成为以粘性为主的半固体，在轮 胎荷载作用下，沥青及沥青胶浆便开始流动，荷载作用下各结构层被压缩而变 形。 矿质骨料的重排及矿质骨架的破坏：高温下处于半固态的沥青混合料，由 于沥青及沥青胶浆在荷载作用下首先流动，混合料中粗、细集料组成的骨架在 荷载直接作用下，沿矿料问接触面滑动，促使沥青及胶浆向富集区流动，以至 流向混合料自由面，如图2 4 所示。 竖 向 变 形 图2 4 沥青路面车辙发展过程 时问 沥青混合料是多种材料拌合而成的一种粘弹性材料嘞1 ，其物理力学性能与 环境温度高低、作用大小以及荷载作用时间等密切相关。研究车辙形成的机理 上海大学硕上学位论文 首先要明白沥青混合料在高温情况下受力变形特性。通过蠕变实验可以发现， 沥青混合料的变形随荷载作用时间无限增加的，其增量随时间逐渐减少并趋于 零。卸载后弹性变形立即恢复，粘弹性变形随时间逐渐恢复，粘性流动变形因 不能恢复而成为永久变形，即车辙。如图2 5 所示。 釜 制 型 敏 图2 5 荷载作用卜沥青混合料的变形 u , j l u l p a t t e r s o n 的研究表明：在建立沥青路面车辙预估模型时同时考虑压密和塑性 流动变形是重要的田制。压密包括材料的体积变化，由于压密，引起了材料颗粒 之间更紧的排列。由于压密而产生的永久变形可以通过在道路建设期间严格的 压实规范束控制。塑性流动是另一机理，塑性流动不包括体积变化，由剪位移 组成。当材料移动到加载区域边缘时，剪位移既可能引起凹陷也可能引起隆起， 一旦剪应力超过材料的剪切强度或承受了足够的蠕变，车辙就会发生。所以， 为了延缓沥青路面车辙的产生，在现代化的路面设计中，路面的上层需要选择 更高强度的材料。 h o f s t r a 等人的研究发现，沥青路面的车辙变形，从上到下逐渐减小，表明 车辙主要产生在沥青层内。a a s h o 的实验路面开挖研究以及后来壳牌公司坏道 实验研究，所得结论都认为，在沥青路面建成后初期所形成的车辙，行车碾压 使路面进一步压实是主要原因，以后轮迹下路面层体积的减少几乎等于邻近区 域体积的增加，这时路面的压密已经完成，车辙的进一步加深，则主要是沥青 1 2 上海大学硕士学位论文 层