（道路与铁道工程专业论文）沥青路面永久变形数值模拟及车辙预估.pdf

摘要 摘要 沥青混合料的永久变形( 车辙) 是柔性路面体系最重要的几种破坏类型之一。车辙直接 影响路面的平整度和路面使用性能，对汽车行驶的安全性造成危害，而且车辙深度不断积累 会造成路面的严重病害。因此实用、合理地预估车辙在我国现阶段的路面设计和管理中是十 分必要的。本文参照国内外车辙预估方法，运用a b a q u s 有限元软件对沥青路面永久变形进 行数值模拟并给出合理的预估方法。 首先根据沪宁高速扩建项目研究，在重庆交科院进行了大型的环道试验。通过对不同基 层的路面结构进行高温下的重复加载试验，来模拟实际道路的行车条件。从而分析柔性基层 和半剐性基层路面结构在不同交通荷载下的应力、应变和位移响应，以得到沥青路面永久变 形与加载次数之间的相关规律。 其次对有限元方法的基本理论进行了介绍，着重分析a b a q u s 方法中蠕变模型的原理， 以及运用其分析沥青混合料特性的可行性。根据环道试验的相关数据，进行蠕变试验得到沥 青混合料的材料参数，并在合理的假定和简化基础上应用有限元软件建立模拟沥青混合料车 辙变形的模型，对不同结构在重复荷载下的变形进行数值模拟和分析； 考虑到我国目前车辆超载超限运输情况十分严重，利用有限元计算方法对重载条件下的 车辙形成与发展规律进行分析。着重研究不同结构在不同轴载下的车辙响应，并在数值模拟 数据的基础上提出基于车辙等效的轴载换算方法，为重载道路的设计和车辙预估提供一些有 价值的理论资料。 最后结合试验路的路面结构研究，对车辙预估公式加以修正，并与环道结果相比较。 关键词：沥青路面、永久变形、蠕变、有限元、预估、车辙 东南大学硕士学位论文 a b s t r a c t p e r m a n e n td e f o r m a t i o n ( r u t t i n g ) o fh m ai so mo ft h em a j o rs m l e t u r a lf a i l u r e so ff l e x i b l ep a y m e n t s s i g n i f i c a n tr u t t i n gm a yi n f l u e n c et h es m o o t h n e s sa n dr o u g l a n o fa s p h a l tl v e l n c n t $ , a n de n d a n g e rt h es e c u r i t y o fr u n n i n gc 哪t h ei n c r e a s e dr t t i l l ga l s oc a l l s s e v e r i t yd i s e a s e so ft h ep 绷m e ms u r f a c e s op r e d i c tt h e p o t e n t i a lr u t t i n gl e v e lp r a c t i c a l l ya n dr e a s o n a b l yi si m p o r t a n ti nt h ed e s i g na n dm a n a g e m e n to ft h ep a v e m e n t a e e o r d i n gt on l em e t h o d so fr u t t i n gp r e d i c t i o nb o t ha th o m ea n da b r o a d , t h ep e r m a n e n td e f o r m a t i o nv a l u ew i l l s s i m u l a t e d u s i n g f i n i t ee l e m e n t p r o g r a m a b a q u s a n da r e a s o n a b l e p r e d i c t i o n m e t h o d w a s g i v e n i n t h i s p a p e r a tt h eb e g i n n i n g , t h el a r g es c a l ec i r c u l a rt r a c kt e s t i n ge q u i p m e n to f c h o n g q i n gc o m m n i c a t i o mr e s e a r c ha n d d e s i g ni n s t i t u t ew a d o p t e x tt os i m u l a t er e a lc o n d i t i o no f 鹤p h a l tp a v e m e n tf l t r u c t l l r ca f t e rh i g ht m p e r a t u r e t h r e et y p e so fp a v e m e n ts t l u e t u r ei n c l u d e ds e m i - r i g i db a s ea n df l e x i b l eb a s ew 讹p r o d u c e d 锄da n a l y z e dt h e i n h e r e n ts t r e s s ，s t r a i na n dd i s p l a c e m e n to fa s p h a l tc o n c r e t e ，a f t e ra b o u t5 0 0 ，0 0 0r e p e a t e dl o a d s t h e nf o r m a t i o n m e c h a n i s mo f r u t t i n ga n dc o m p a r et h ee x i s t i n gi n h o d s s e c o n d l y , t h eb a s l et h e o r yo f 痂1 i t ee l e m e n tm e t h o dw a si n l r o d u e e d 1 1 e m p h a s i sw a st h ec r e e pm o d e li n a b a q u sa n dt h cp o s s i b i l i t yo fu s i n gi ta n a l y z i n ga s p h a l tm i x t u r e a c c o r d i n gt h ei n t e r r e l a t e dd a t ao ft h et r a c k t e s t i n g , t h em a t e r i a lp a r a m e t e r so fa s p h a l tm i x t u r ew c g a i n e df r o mc r e e pt e s t am o d e lo fp a v e m e n tb yf i n i t e e l e m e n ts o t t w a r e ，a b a q u s ，w a sb u i l tt os i m u l a t et h ep e r m a n e n td e f o r m a t i o no fa s p h a l tp a v e m e n t , b a s e do n r u b l e s u p p o s i t i o na n dp r e d i g e s t i o n t h en u m e r i c a lr e s u l t sw e l ec o m p a r e dw i t ht h et r a c kt e s ta n di n d i c a t e d t h a tt h ea p p r o a c hw e i sr e l i a b l e c o n s i d e r i n gt h eo v e , rl o a d i n go f v e h i c l e sw a sv e r ys e v e r i t yi no u l c o u n l t y , f i n i t ee l e m e n tm e t h o dw a su s e dt o s i m u l a t et h ea s p h a l tp a v e m e n tt r a d e rh e a v yd u t yt m 伍c t h ep u r p o s ew a st of i n dt h ep r o c e s so fr u t t i n gf o r m i n g a n dg r o w i n g e s p e c i a l l yt h er u t t i n go fd i f f e r e n ts l l l l e t u r e su n d e rr e p e a t e dl o a d so fv a r i e sa x l e s w i t ha l lr e s e a r c h r e s u l t sa b o v ei nt h ec a l c u l a t i o n , am e t h o dl e g a t d i n gr u t t i n gd e p t hw d e v e l o p e d t h e s ep r o v i d e ds o m e v a l u a b l et h e o r yf o rd e s i g no f o y e rl o a d i n gp a v e m e n ta n dp r e d i c t i o no f r u t t i n g f i n a l l y , i n t e g r a t e dt h er e s e a r c ho np a v e m e n ts t r u c t u r eo ft e s tr o a d , t h ee q u a t i o n sw e r em o d i f i e da n d c o m p a r e dw i t ht h er e s u l t so f i r a e kt e s ti nt h i ss t u a y k e yw o r d s ：a s p h a l tp a v e m e n t ；p e r m a n e n td e f o r m a t i o n ；c r e e p ；f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ；p r e d i c t i o n ；m 陋i l g 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，除了文中特别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。 研究生签名： 遣耷 日期：型：垒：丝 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。 研究生签名：导师签名：日期： 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题的提出及研究意义 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，有着良好的力学强度、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 期短以及养护维修简便等特点。随着交通量的不断增大以及车辆行驶的渠化，高等级道路沥青路面的早期 破坏日趋严重。其中沥青混合料的永久变形( 车辙) 是柔性路面体系展重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。 沥青混合料是一种粘弹性材料，其物理力学性能与温度及荷载作用时间等密切相关。一方面，当气温 高于2 5 3 0 1 2 ，即沥青路面的路表温度达n 4 0 5 0 1 2 以上，高于道路沥青的软化点温度时，在交通荷 载反复作用下沥青混合料会产生显著的变形，其中不能恢复的部分将成为永久变形；另一方面，根据沥青 材料的温度时间换算法则，长时间承受荷载与高温条件的作用是等效的，因此长时间的荷载累积作用同样 会造成混合料的严重变形。鉴于沥青混合料所固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 治沥青路面的车辙成为一个世界性的课题。 随着我国国民经济的快速增长，1 9 8 8 年沈大高速、沪嘉高速等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结构中。虽然我国的公路科技人员对沥青混合料的高温特性也进行了大量试验研 究并取得了许多有价值的研究成果。但从总体上来说，我国高速公路沥青路面普遍达不到设计使用寿命是 目前比较突出的问题，一般使用5 8 年甚至更短就需要进行大修，严重影响了道路使用。同时在我国被普 遍采用的半刚性基层沥青路面，虽然在一定程度上能满足高强度低成本的要求，但从现今道路使用中出现 的反射裂缝、积水翻浆以及重载下路面的结构性破坏等现象可以看出这种路面结构型式也有其不足之处。 尤其是近年来公路交通量的急遽增长及渠化交通的形成、汽车轴载的不断增大及重载、超载现象屡禁不止， 我国高速公路沥青路面早期破坏越来越严重，其中车辙即为一主要因素。 虽然近三十年来国外众多研究者已从理论、试验等多方面对沥青路面永久变形做了大量的研究，但由 于各国常用沥青面层的结构、基层的类型、施工压实密度、混合料的级配类型以及自然环境和交通条件等 诸多因素都不尽相同，因此无论是理论分析还是试验结果中对于影响车辙的各种因素的考虑均有着较大的 局限性，其经验结果并不能直接应用于我国路面结构的研究中。由于我国传统的设计理念为“强基薄面”， 广泛采用的是较薄沥青面层加半刚性基层的路面结构型式，而对柔性基层沥青路面、厚沥青层的半刚性基 层沥青路面的研究还很缺乏。同时我国车辆超载、重载状况严重，其“重荷慢速”将对沥青路面变形产生 不可忽视的影响。因此无论是从增加行车安全性、舒适性的要求出发，还是从延长路面使用寿命，提高经 济效益的角度出发，都必须根据我国特有的路面情况进一步研究路面结构在实际工作中的应力，变形分布 规律，预估不同路面结构的车辙反应，提出抗车辙能力强的合理路面结构而不是照搬国外标准。 本文主要从理论和试验两方面对不同路面结构的沥青面层永久变形的规律进行探讨。首先结合沪宁高 速环道试验对相应路面结构型式进行室内模拟试验。通过控制路面温度、湿度和轮载作用次数等相关因素 得到路面各结构层和土基变形与荷载作用次数的关系；然后应用有限元软件a b a q u s 对环道试验中采用的 路面结构型式进行计算并分析其结果的差异性；再选择我国常用的半刚性基层路面结构，以及根据国外经 验结合我国特点选择的柔性基层路面结构等不同面层厚度的组合型式进行数值模拟，以分析不同基层类型 和面层厚度对车辙的影响，并得到相关路面结构永久变形的规律；最后，根据目前我国重载交通的特点， 应用有限元模型分析不同路面结构在不同轴载情况( 主要是重载条件) 下的变形响应，探求以车辙等效为 基础的重载与标准轴载之间的换算，从而能合理有效的预估不同基层沥青路面在重交通下的永久变形。 东南大学硕士学位论文 1 2 国内外关于车辙研究的现状 1 2 1 沥青路面车辙现象及其分类 早在1 9 6 2 年美国a a s h t o 试验路的研究期间，车辙问题就受到了广泛的关注。试验路研究发现：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 【l j 。通过对车辙路段进行开挖分析，1 9 7 2 年h o f s a a 在报告中指出产生车辙的主要原因是剪切应 力，因此他推荐使用高强度的路面材料【2 】。在1 9 6 2 年的第一届c s d a p ( 国际沥青路面结构设计会议) 上， 壳牌石油公司提出了世界上第一个同时考虑疲劳和车辙的沥青路面结构设计方法，该方法通过限制路基顶 面的垂直压应变来控制车辙。在1 9 7 7 年第四届c s d a p 上，许多研究人员发表了相当数量与限制车辙深度 和车辙预测方法有关的报告。自此沥青路面永久变形问题的研究经历了高低潮更迭的历程，研究工作成果 斐然。在1 9 8 7 年的第六次c s d a p 上，几位研究人员的报告引起了大家的特别兴趣。他们的研究涉及到把 动力蠕变试验与层应变分析结合起来预测足尺试验路的车辙；轮荷载和轮胎压力对沥青路面车辙量的影 响；在足尺路面中采用各种轮荷载、充气压力和轮荷布置进行试验等。 7 0 年代末，美国各州公路局对“条主要公路作过调查统计，发现其中有1 3 条公路的破坏是由车辙引 起的，占调查总数的2 9 5 ：2 0 世纪9 0 年代，日本道路公团对其承建和管理的高速公路沥青路面结构的 现状进行了一次较为全面的调查与分析，结果表明养护维修的重点就是车辙修复：1 9 9 0 年以前车辙占总体 破坏类型的8 0 以上，其中磨耗性车辙占4 0 ；到了1 9 9 1 年禁用销钉胎后，车辙仍超过总体破坏的6 0 ， 而裂缝维修保养的里程只占约2 0 ，其中还包含因路面表层老化引起的裂纹修补。由此可见对于沥青路面， 车辙是主要的破坏形式。 随着我国高速公路的发展及交通量的增加，车辙问题也日益严重。据沙庆林 4 1 介绍，我国的山区高速 公路往往在局部路段产生较严重的车辙，车辙深度高达1 0 0 r a m ：在平原高速公路上，车辙深度也在 2 0 - - 4 0 m m 之间。而在城市道路上，车辙主要发生在大型车道，交叉口停车线前，以及公共汽车停靠点附近。 车辙，尤其是深度大于1 5 m m 的车辙，会增加道路的不平整度，影响路面寿命，尤其在雨季，会显著影响 路面服务性能并危及人民生命财产安全。 通过对连一徐高速公路徐连方向的车辙调查和测量也可知，超车道和紧急停车道上基本上没有车辙出 现，但是在行车道上车辙较为严重。调查同时发现，在某些上坡路段车辙的发展速度非常快，多为凹槽型 并有推移引起的侧向隆起现象，严重部位( 坡顶部) 发展到最后已露出半刚性基层，沥青层全部被推移到 轮迹两侧。分析表明这些路段货车比例较大，且超载严重，加之道路纵坡长而陡( 最大5 2 ) ，货车在坡 上尾随爬行形成昼夜不断的卡车“长龙”。重载、超载、慢速和严重的渠化交通这些不利条件同时施加在 陡坡的路面上，对沥青路面的抗剪切变形能力提出了严峻的挑战。理论分析及试验研究表明，沥青路面的 车辙主要来自于混合料的流动变形，而且流动变形的增加与轴载比成6 1 0 次方左右的关系。流动变形主 要来自于剪切应力，陡坡上不利荷载条件的反复作用是该路段形成早期车辙的重要原因之一。 车辙是路面行车道轮迹带在车轮荷载反复作用下产生竖直方向永久变形的积累，较严重时两侧通常有 鼓起变形。其产生主要是沥青混合料的粘滞流动、土基与基层的变形，并包括一定程度的压实作用和材料 磨耗，通常发生在气温高于2 5 3 0 的夏季。多项研究表明如果在施工过程中路面的压实良好，则不会 在后期使用中产生过大的压密变形，因而其永久变形主要是由于混合料的剪切流动( e i s e n m a n n 和h i l m e r ， 1 9 8 7 ) p j 。据有关资料分析。当基层强度足够时，如近年来普遍采用的半刚性基层沥青路面结构，基层的 变形占总体变形的比例相对很小，而由沥青面层产生的车辙深度将占路面总车辙深度的9 0 以上i o j l ，j 。 1 9 8 7 年e i s e n m a n n 等证明了剪切变形的等积性p 】。1 9 9 0 年k f u g l e r 将车辙问题主要分为3 种类型例：a 、 路面上过大的交通固结；b 、由于混合料稳定性不佳引起塑性变形；c 、由表层下沥青剥离引起的不稳定。 在s h r p 计划资助下，1 9 9 4 年s o u s a 等提出了确定沥青混凝土路面潜在永久变形的简捷方法。其中包含两 种机理：体积减小和体积不变。前者通常出现在交通初始阶段，轮胎下不可回复变形的体积增加超过隆起 区的增加。因此在初始阶段，交通压密是永久变形的主要影响因素。它可使初始施工时9 的空隙率降至 2 3 。后者代表了绝大部分路面寿命的变形行为，此阶段轮胎下体积减少约与毗邻隆起区体积增加相 等，主要是由于沥青混合料上层过大的应力而产生塑性流动引起的 9 1 。 根据这些调查研究的结果，目前国际上沥青路面的车辙一般分为以下几种类型i l w ：结构型车辙； 沥青混合料的侧向流动变形( 或失稳型车辙) ；冬季埋钉轮胎形成的磨耗型车辙；水损害型车辙； 再压实型车辙。目前我国常见的车辙主要是第二种，同时还有一种在国外较少发生的，由沥青面层本身的 压密造成的车辙。这是一种非正常的车辙，主要是因为道路施工时没有很充分的压实，或片面追求平整度， 2 第一章绪论 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被继续压密产生变形，使得平 整度迅速下降，进而形成明显的车辙。在这样的路段上，沥青层只有在交通车辆的反复碾压作用下，空隙 率不断减小，待到极限的残余空隙率后才趋于稳定。这种车辙的特点是只有轮迹带的下凹，也呈u 字形或 w 形，但两侧没有隆起，而在车道线附近，即车轮作用次数较少的部位变形很小或保持原状。 车辙作为沥青路面常见的破坏形式之一，其形成的原因非常复杂。无论是沥青混合料本身的材料组成， 级配设计和沥青路面结构的内在因素，还是气候和交通量及交通组成等的外界因素都会对车辙产生不可忽 略的影响“w 。主要影响因素见图1 - 1 ： 外因 内因 f1 行车荷载( 轴重，轮胎压力) 交通条件 2 交通量和渠道化程度 3 荷载作用时间和水平力( 交叉e 1 ) 沥青混合料 的强度 内摩擦力 粘结力 1 碎石的颗粒形状和纹理深度( 微观构造) ， 天然砂的用量 2 矿料的最大粒径，4 7 5 r a m 以上的碎石含量 3 沥青用量 4 沥青混合料的级配和密度 1 沥青的标号和高温粘度 2 沥青的感温性 3 沥青与矿料的粘结力 4 填料的种类和粉料沥青比 5 沥青用量 6 混合料的密实度 路面结构类型和沥青面层厚度 图1 1 影响车辙的因素分类 不同的路面结构组合，使沥青路面结构内具有不同的应力分布，同时因材料的不同在抗车辙性能上也 不同，最后体现在不同路面结构永久变形量的不同。对于柔性基层，传统的观念认为其抗车辙性能较半刚 性基层差，但重庆交通科学研究院的环道试验说明，经过良好设计的柔性基层沥青路面的抗车辙性能并不 亚于半刚性基层路面。因为柔性基层刚度较小，使得面层对柔性基层的作用应力较为均匀，则沥青面层内 应力也相对较小，从而导致变形不大。换而言之，虽然我国普遍采用的半刚性基层沥青路面中基层和土基 的永久变形量不大，其车辙主要是沥青面层产生，但和柔性基层相比并未显现出特别的优势。可见对于沥 青路面结构的设计不能只考虑基层或面层，而必须综合考虑整个路面结构的组合，选择与各个基层相适应 的面层类型及厚度才能真正有效的减少车辙的产生。 除此之外。轴载、车辆对路面的作用时间、动载、荷载形状等都会对车辙产生显著的影响。根据同济 大学的研究表明，车辆中若含有超重车，将对路面的车辙产生较大的影响。标准车辆中若有2 0 轴重4 2 k n 的超重车，将使路面车辙增加2 3 7 倍，而轮胎应力增加到1 2 6 m p a 时，路面车辙将达到2 6 3 c m ，超过了 正常使用的范围。而超重车含量的增加也会引起车辙量的加大，增加量随超重车轴重的增加而增加。如 1 2 6 m p a 重车从2 0 增加到3 0 ，引起的车辙增量将是标准车车辙总量的4 2 i l “。 1 2 2 沥青路面车辙形成规律的试验方法 国内外研究沥青路面永久变形的试验方法很多，主要有以下几种：1 、车辙试验；2 ，环道试验；3 、 加速加载试验c a l f 试验) ；4 、试验路直接观测。由于a l f 试验或试验路直接观测的费用太高，且需要 很长时间的荷载检验和观测才能得到有价值的结果。因而目前研究路面车辙较常用的是前两种试验方法 1 、车辙试验 英文名为：w h e e l t r a c k i n g t e s t ，r u t t i n g t e s t 。源于英国的t r i l l ，现在已经成为欧洲、日本、澳大利亚 等世界上大多数国家的通用试验。最大特点就是能充分模拟沥青路面上车轮行驶的实际情况，在用于试验 研究时，还可以通过改变温度、荷载、试件厚度、尺寸、成型条件等等，以模拟路面的实际情况，了解各 种因素变化对车辙变形的影响。这种试验方法比较直观，对沥青路面车辙形成过程的模拟性好，试验设备 3 东南大学硕士学位论文 不需要太高的精度，操作方法也不复杂，容易为工程上所接受。此方法的缺点是试验结果尚不能用于路面 设计。 车辙试验是用负有一定荷值的轮子，在规定的轮荷作用下对沥青混合料制成的板状试件进行同一轨迹 上一定时间的反复碾压，从而形成车辙。用变形率( r a t eo f d e f o r m a t i o n ，简称r d ) 或单位时间内轮下试 件的减薄量所需要的次数一动稳定度( d y n a m i cs t a b i l i t y ，简称d s ) ，分别表示为r n n d m i n 或次，m m ，来 评价沥青混合料抗车辙能力。板块试件( 通常尺寸为3 0 0 m m x 3 0 0 m m x s o m m ) 在规定温度条件( 通常为6 0 ) 下，以一个轮压为0 7 m p a 的实心橡胶轮胎在其上行走。 法国道桥研究中心( l c p c ) 的车辙试验机是另一种有代表性的设备，混合料试件尺寸为5 0 0 r a m x 1 5 0 m i n x1 0 0 r a m ，其加载车轮为充气轮胎，行走速度为2 次眇( 1 个往返) ，1 次加载时间0 1 秒，加载次 数为1 0 万次或试件车辙深度达到1 5 c m 时中止，以总的车辙深度作为评价指标。 目前，国外采用最广泛的是室内小型往复式车辙试验机。我国的车辙试验机是按照日本的原型研制而 成的。加载轮外径为2 0 0 m m ，轮宽5 0 r a m ，对实心橡胶层的厚度和橡胶硬度也有明确要求。加载速度为4 2 1 次, m i n , 试验温度为6 0 1 。计算公式为： 傩：丝! ! ! 九一九 ( 1 1 ) 其中：a s 动稳定度( 次，如m ) ； c k 试验时间为6 0 m i n 时时间的变形量( m m ) ； d 。试验时间为4 5 m i n 时时间的变形量( m ) 。 英国1 1 r r i 规定的车辙试验标准温度为4 5 ，法国l c p c 要求的温度范围为5 0 6 0 ，日本道路协 会规定为6 0 ，但北海道地区可以采用4 5 ，桥面铺装还采用7 0 以上更高的温度。美国s h r p 在研究 中采用的试验温度为4 0 。我国夏季不少地区的路面温度都在6 0 左右，因此列入我国公路工程沥青 及沥青混合料试验规程中的“车辙试验方法”，统一规定采用6 0 为标准试验温度“2 j 。但我国东北地区 由于相对比较寒冷，也有人提出采用4 5 ，认为6 0 动稳定度的要求太高。然而为了进行各地区混合料 的比较，与其降低试验温度，还不如直接降低动稳定度的要求。 除了上述方法外，在工程实践中还应用各种轮迹( 轮辙) 仪测试和评价沥青混合料的抗永久变形性能， 如美国的沥青混凝土路面分析仪( a p a ) ，其前身是乔治亚州轮辙试验仪( g l w t ) 。它通过一充满气压的 橡胶管间接将轮载施加于试件上，轮载模拟实际车辆轴载并可以条件，而橡胶管模拟实际车辆轮胎，内部 气压可以调节，从而达到模拟实际车辆的效果，进行不同行车荷载的模拟试验。 但它也有一定的局限性：a p a 橡胶管与实际轮胎仍然存在着巨大的差别，胎面没有花纹构造因此不 能对沥青混合料进行侧向推挤，模拟水平荷载；a p a 试模的侧壁对混合料的围压较大，从而制约了混合 料的侧向移动；a p a 试件的高度为7 5 m m ，高于一般面层厚度，不符合实际情况；a p a 自身的数据采 集系统无法测量相对车辙深度，需要人工辅助。事实上在多数情况下，a p a 并没有模拟出混合料的剪切流 动变形。 此外还有德国汉堡的轮迹仪、法国路桥研究中心( l c p c ) 轮迹仪、英国诺丁汉大学的轮迹仪和日本 的轮迹仪等。由于车辙试验是一种工程试验方法，试验结果是工程指标而不是力学参数，不能完全反映某 一结构或材料的实际路用性能，目前还不能用于理论计算而被广泛推广。因此用各种轮迹仪来评价沥青混 合料抗车辙性能的效果和可靠性，还有待于实践的检验，其测试方法和评定指标也有待予进一步完善和规 格化。不过用试验结果建立经验公式来预测沥青路面车辙深度，或检测沥青混合料的抗车辙能力还是可行 的。 2 、大型环道、直道试验 环道或直道试验是一种大型的足尺路面结构在实际车轮和交通荷载作用下的试验，其试验结果与实际 路面结构的关系密切，是一种模拟实际路面结构的加速加载试验方法。且相比较其它试验方法而言，环道 试验更加经济有效。 加速加载试验主要有以下几个特点：快速性。a p t 能在短时间内完成大量的加载，一些a p t 试验 系统可以在几个月或2 3 年时间内完成实际公路1 5 2 0 年才能达到的累计荷载作用次数，从而获得充分 的试验数据用于分析。可控性。a f t 试验系统能够有效的控制荷载大小、加载频率等加载方式。甚至是 环境温度、湿度等外部条件，因此试验的影响因素单一，便于分析得到更加有效的试验结果。 1 9 9 6 年6 月5 日为了研究沥青路面使用性能，美国在西部尼诺附近的内华达汽车试验中心建成了西部 道路试验环道l l ”其全长2 9 k m ，宽l l m ，双车道各3 7 m ，内侧环道有o 6 m 宽的砾石路肩，外侧车道作 4 第一章绪论 为施工试验性车道。通过4 辆无人驾驶的三轴试验车以6 5 k m h 的速度运行两年，相当于州际公路重型卡 车荷载8 0 k n 当量单轴荷载1 0 0 0 万次，模拟时间1 0 年乃至更长时间的荷载作用。 1 9 8 4 年，法国也进行了野外环道试验，其外径4 1 m ，槽道宽6 m ，双轮组中心至环道中心的平均距离 为1 7 5 m ，左右摆动各2 m 。对多种半刚性路面进行重复加载试验。 国内目前在用的加速加载试验系统有东南大学的环道、长沙理工大学的直道、交通部北京公路科研所 的a l f 和重庆交通科研设计院的大型室内环道。 图l - 2 美国曲部环道试验图l - 3 环道试验图( 法国) 东南大学交通学院也利用环道进行过路面重复加载试验，研究沥青路面车辙产生规律。通过对9 种路 面结构进行高温加载，检验不同的集料品种，不同的沥青品种和不同的油石比对沥青路面车辙的影响。 重庆公路科学研究所的大型环道实验室于1 9 8 4 年建成并正式投入使用，先后成功地进行过柔性基层 沥青混合料路面结构、半刚性基层沥青混合料疲劳试验、车辙试验和道路新材料的路用性能评价试验等。 由于环道或直道试验最能反映实际路面的车辙形成过程和形状，美国，法国、西德、澳大利亚等国家 都采用环道试验研究沥青路面的车辙，并认为可以采用环道试验的成果预估沥青路面车辙。因而本课题依 托沪宁高速公路改扩建工程环道实验研究，采用重庆公路科学研究所的环道进行不同结构沥青路面永 久变形的模拟试验。有关环道试验的具体情况在后面章节将做详细介绍。 1 2 3 沥青路面车辙成因的理论分析 沥青混合料是多种材料拌和而成的粘弹性材料，其物理力学性能与环境温度高低、作用荷载大小以及 荷载作用时间等密切相关。在夏季，路面温度可以高出大气温度2 0 左右，整个路面几乎都处于高温工作 状态，而温度是影响沥青混合料抗永久变形能力的关键因素之一。温度对路面结构中沥青面层永久变形的 影响主要表现在两个方面：( 1 ) 温度升高，沥青及相应的沥青混合料的劲度模量在急剧降低，使材料的抗 永久变形能力下降，沥青混合料的变形急剧增大，而温度升高同变形增大之间并非线性关系，3 5 时的路 面位移约为6 0 时的2 3 左右。( 2 ) 温度升高使沥青材料处于受压状态，并增大竖向压应变。这正是引起 路面车辙的重要原因。 研究车辙形成的机理必然要弄清楚沥青混合料在高温情况下受力变形的特性。通过蠕变试验可以发 现，沥青混合料的变形是荷载作用时间的函数，并且由瞬时弹性变形、粘弹性变形和粘性流动变形组成。 粘性流动变形并非随荷载作用时间无限增长，其增量随时间逐渐减小并趋于零，即粘性流动变形随时间发 展而趋于恒定值。卸载后弹性变形立即恢复，粘弹性变形随时问逐渐恢复，粘性流动变形因不能恢复而成 为永久变形。图l - 4 为沥青混合料单轴重复荷载蠕变实验的变形一时间关系曲线的示意图。从图中可以清 楚的看出沥青混合料在荷载作用下的变形规律。随着加载时间的延长，蠕变曲线的斜率由大变小并渐趋稳 定，这表明沥青混合料抵抗变形的能力越来越大，致使进一步的变形更加困难，此即所谓的“固结效应”。 沥青路面的实际应用情况也证实了沥青混合料的这一变形特性，即车辙多产生于路面使用前期，在使用后 期，车辙深度的增加速率越来越小”4 j 。 同时，对于沥青路面而言，影响其永久变形的除了面层材料及其性能外，还与基层类型以及沥青面层 的厚度等因素有关。基层类型与车辙的关系较为复杂，一方面，当基层为刚性或半刚性材料时，车辙总量 的9 0 来自沥青混合料面层本身，由基层所产生的车辙变形所占比例很小；另一方面，如果基层质量不好， 出现局部松散不能形成完整的整体或基层局部强度差，则会在行车作用下逐渐破裂，从而使路面产生了严 重的结构破坏，此时，基层因素又有可能成为路面车辙形成的主要原因。另外，沥青路面厚度与车辙的关 系也很复杂，同样的材料在不同的路面结构厚度组合中会表现出不同的性质。 东南大学硕士学位论文 神分钟时问 图1 - 4 荷载作用下沥青混合料的典型变形 美国a a s h t o 设计规范2 0 0 2 版中曾指出对于沥青路面，如果车辙主要出现在沥青面层，那么设计的 关键就是提高h m a 层的质量。在设计指南给出的方法中，可控制的直接因素是通过提高混合料通用曲线 的位置来增加i i m a 的劲度( 模量) 。这可以由使用劲度等级更大的结合料、使用更少的沥青、确保现场压 实完全满足规范要求来实现。而且，在混合料设计阶段也应该考虑能增强h m a 混合料稳定性的因素( 例 如：破碎粒子、标称最大尺寸等) 。并且在达到这一要求的同时要保证其它的与h m a 性能相关的损伤( 像 疲劳开裂和温缩开裂) 不会增加到超过标准。 另外，据研究表明h m a 层的所有车辙一般主要发生在最上面的3 5 英寸( 即7 5 1 3 c m ) 。因而，如 果使用的h m a 混合料质量差，那么增加其层厚并不会减少h m a 层的车辙。事实上，反而会使车辙加深。 所以，增加质量差的h m a 层的厚度决不会对减小路面的总体车辙深度有好处。 最后，如果能够确保所设计的h m a 混合料符合要求，那么增加h m a 层厚度可用减小一定深度内面 层的潜在车辙量。一般来说，这种减小并不重要。但是，增加h m a 层厚度一定会对减少无结合料基层、 低基层、尤其是路基层的车辙深度有好处。 j a c o bu z a n 在柔性路面的永久变形中也提及通过增加沥青层的厚度( 使用可靠性好的材料) 可以提高 整个路面结构的刚度，从而减少永久变形i l ”。见图l - 5 。 图1 - 5 不同面层或基层厚度时变形一加载次数关系图 一般而言，当材料和施工都按照规范设计实施时，无结合料基层和底基层的车辙量不会很大。如果实 际车辙超过了设计目标值，则应该提高( 改善) 无结合料层的质量( c b r 或材料抗力值) 和使用化学稳定 基层。同时如果基层或底基层中存在过多的水分将直接降低基层材料的模量值。模量值减小，弹性应变会 极大地增加，使得车辙量大大增加。这就更有必要采用排水基层或底基层。此外如果基层或底基层中任何 一层的质量很差，那么增加面层厚度也会增加车辙。 增加的h m a 层厚度会产生两个重要的影响。首先，厚h m a 层模量值的增加使得层的“相对刚度” 大大增加。这会使土基中的应力应变减小，从而大大减小车辙深度。前面已经提过，采用化学稳定基层与 增加 m 协层厚度有同样的影响。此外，减少路基中的车辙一个有效方法就是增加无结合料底基层的厚度。 这能有效地减小路基中的应力( 应变) 状态，从而降低了路基中的车辙深度值。 目前，对沥青路面永久变形的研究主要集中在沥青混合料的材料性能方面，但是从上述分析中可以得 6 璺向变形 第一章绪论 知，路面结构对总体变形量的影响也是不可忽视的。由此可见，在进行车辙预估时必须综合考虑沥青混合 料的各方面特性，任何脱离路面实际结构，荷载情况和温度状况而进行的路面设计或车辙预估都将是毫无 意义的。 1 2 4 沥青路面的车辙预估 由于车辙包含路基、基层及沥青混合料层各自的永久变形，因此研究者分别对他们提出了一些预估方 法。对于路基、基层的永久变形，通常是利用三轴试验或承载板试验建立永久变形同荷载及材料特性之间 的统计关系。随着施工技术的提高、施工质量控制以及半刚性基层的广泛应用，路基和基层的变形在路面 总变形量中所占比例越来越低，而沥青面层变形成为车辙的主要组成部分。 从现今的路面设计方法来看，无论车辙模型是基于怎样的理论构成的，它必须遵循以下的经验和力学 相结合的原则( 因为纯力学的模型在道路材料中是不适用的) 。国内外预估沥青路面在使用期间的车辙深 度基本上有三点方法：经验法、半经验一半分析法、分析法 1 经验法 经验法是利用试验路观测结果回归分析得出的经验公式。在以往的文献中可以发现有许多的经验车辙 模型。例如，芬恩( f i n n ，1 9 8 6 ) 等人根据a a s h t o 试验路观测结果编制了p d m a p 程序来预测沥青路面 的疲劳裂缝和车辙。以下为两种车辙预估公式( 仅适用于英制) i j q ： 常规路面结构( 沥青混凝土层厚度小于1 5 c m ) ： 1 9 r d = - - 6 8 6 6 + 4 3 2 5 l g d 一0 1 3 1 l g l 。 ( 1 - 2 ) 或l g r d = 一5 6 1 7 + 4 3 4 3 1 9 d o 1 6 7 1 9 l b 一1 1 1 8 1 9 a 。 ( 1 - 3 ) 对于厚度大于1 5 c m 的或全厚度沥青混凝土结构： 1 9 r d = - 1 1 7 3 + 0 7 1 7 l g d 一0 6 5 8 l g 。 ( 1 - 4 ) 式中：r d 一辙槽深度，微英寸( 2 5 4 x l o - 6 m m ) ： d 双轮轮隙之间的弯沉，1 0 一6 英寸； 盯沥青混凝土的垂直压应力，磅，英寸； 。1 8 0 0 0 磅的等效单轴荷载的总作用次数。 以a a s h o 试验路的测试数据为基础，a r c h i l l a 和m a d a n a t ( 2 0 0 0 ) 推导了以下的经验模型： r d = 五十口( 1 一p n ) ( 1 - 5 ) 式中：r d | 第i 层在时间t 时的车辙深度( m m ) ； 。车辆荷载在时间t 时作用在i 层的次数( 更详细的定义将在后面给出) ； 口，和 路面i 的作用特性，例如层厚等； 万在i 层铺筑后对下卧层的变形影响，这对总的车辙深度而言是不容忽视的量。 这一模型考虑了路面结构中许多问题从气候因素到每一层的荷载影响。 根据a a s h t o 路面设计规范( a a s h t o ，1 9 9 3 ) ，路面力学设计方法是基于路面可以被模拟成在一个 弹性或粘弹性基础上的弹l 生或粘弹性多层结构这一假设上的。一个力学方法必须是适用于工程实践的，因 为它就是从许多工程实践中总结出来的。但是力学经验设计方法在柔性路面上仍然是有局限性的 ( a a s h t o ，1 9 9 3 ) 。这一方法并没有被广泛的应用，因为在不同的路面材料中获取弹塑性或粘弹性参数 是很困难的( a l le ta 1 ，1 9 9 7 ) 。只有当材料特性和气候以及环境的影响能更好的被模拟，这一设计方法才 能得到更进一步的提高。 2 半经验一半分析法 采用弹性层状体系理论或粘弹性体系理论求解路面的应力与位移，再结合室内外的有关试验，统计出 沥青层的永久变形与路表弯沉、材料特性参数及荷载之间的经验关系式。下式为j a c o bu z a n 按试验一分析 法提出的预估模型。 ， r d = = l n l + 吒万 ( 1 - 6 ) w ( 1 + a 2 ) 7 东南大学硕士学位论文 式中：r d 沥青层永久变形； w 路面弯沉系数( 无量纲) ； 万在双轮动态荷载下的路面弯沉： n 重复加载次数； a l ，a ，路面材料荷结构尺寸参数。 最近，在理论一经验方法中有了很多成功应用的经验。首先，沥青混合料本构模型的发展对模拟塑性 变形非常重要。这一方面的研究在亚利桑那州立大学，p u r d u e 大学，u cb e r k e l e y 等处都有进行。其次， 材料在环境变化时的反应也被考虑到了。第三，通过弹性或粘弹性模型将塑性应变与其他类型的应变或应 力结合考虑【i ”。 3 分析法 以层状弹性体系理论或以弹