（道路与铁道工程专业论文）陡长上坡路段沥青路面车辙的形成机理与防治对策研究.pdf

j r e s e a r c ho nt h eme c h a n i s mo fr u ta n d m e a s u r e si nt h ea s p h a l tp a v e m e n tw i t h l o n g i t u d i n a ls l o p e ad i s s e r t a t i o ns u b m i t t e df o rt h ed e g r e eo f d o c t o r c a n d i d a t e ：w uh a o s u p e r v i s o r ：p r o f w a n gb i n g g a n g c h a n g a nu n i v e r s i t y , x i a n ，p r c h i n a 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何 未加明确注明的其他个人或集体己经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：2 o ，年占月f 昌e t 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：幺毖歹祝汐年台月，参e t 导师签名：文移年6 尉扩日 摘要 随着高速公路不断向山区延伸，路线设计中不可避免会遇到“长”、“陡”坡的问题， 而陡长坡路段车辙病害更加严重，极大地影响了行车安全和通行能力，成为高速公路的 “瓶颈”。因此开展陡长坡路段沥青路面车辙机理及其防治对策研究，不仅必要而且十分 迫切。 本文从陡长坡路段车辆行驶状态出发，提出了不同条件下的坡度及坡长限值；通过 对典型陡长上坡路段车辙病害实地调查和室内试验，分析并阐释了陡长上坡路段沥青路 面车辙分布规律的影响因素，发现重载车慢速行驶时产生车辙的核心因素，而车速慢的 原因在于纵坡坡陡或( 和) 坡长。通过对车辙病害影响因素的研究，提出以多轴重载、 慢速交通等为对象研究长大纵坡车辙病害形成机理。 通过不同温度和应力水平下的静载蠕变试验研究，分析了应力、温度和时间对沥青 混合料蠕变影响的等效性，应用非线性粘弹性体的应力温度时间等效原理，推导了沥 青混合料恒应力温度移位因子、恒温度应力移位因子以及温度应力联合移位因子的数 学表达，并以a c 2 0 沥青混合料的试验数据为依据进行了验证。 根据陡长坡路段重载、慢速交通特性，进行了沥青路面永久变形的数值模拟，分析 了轴载、速度和累计轴载作用次数对路表车辙、沥青面层各层永久变形以及路面剪应力 和等效蠕变应变的影响，建立了路表车辙与了轴载、速度和累计轴载作用次数的回归关 系式，而沥青面层各层产生的车辙与路面剪应力和等效蠕变应变的分布密切相关，各层 永久变形所占比例现场调查的结论一致。 通过移动荷载模拟车辆爬坡过程，研究了多轴重载以及夏季轮胎参数异化条件下沥 青路面的力学响应。研究结果认为悬轴车将前轴荷载均匀施加在中轴和后轴，对路面影 响显著增加，表现为竖向最大位移、剪应力峰值、压应力峰值均明显增大；随着温度的 升高，由胎压变化引起的路面各项力学指标的增幅近1 0 ，最大剪应力分布在路表由轮 隙向轮心处迁移，沿路面深度方向由轮心处下中面层位置向路表迁移。 通过对沥青胶浆高温特性、细集料填充效应、粗集料骨架效应的分析和研究，提出 了陡长坡路段抗车辙沥青混合料的多尺度优化设计方法；并采用模糊数学综合评判方 法，优选了改性剂类型，并将优选的改性剂和硬质沥青应用于陡长坡路段沥青路面的材 料组成设计，而室内试验结果表明采用改性剂和硬质沥青后，沥青混合料的模量提高， 蠕变性能得到改善，可以大幅降低路表车辙。 最后，结合前文有关长大纵坡车辙病害形成机理分析，从主动防治对策、路面结构 和材料优化设计及高温时段交通控制多角度提出长大纵坡车辙病害防治体系。 关键词：沥青路面，陡长坡，车辙，有限元，车速，多轴重车，多尺度优化 n e x t e n d i n gt om o u n t a i na r e a s ，t h er o a dd e s i g n e r si n e v i t a b l ye n c o u n t e rt h ep r o b l e mo f ”l o n g ” a n d ”s t e e p ”s l o p e si nd e s i g n i n gh i g h w a y s h o w e v e r , r u ti ns t e e pa n dl o n gs l o p es e c t i o n si s m o r es e r i o u s ，w h i c ha f f e c t st r a f f i c s a f e t yg r e a t l y t h e r e f o r e ，s t u d y i n gt h ef o r m a t i o n m e c h a n i s ma n dc o n t r o lm e a s u r e so fr u ti nl o n ga n ds t e e ps l o p es e c t i o n so fa s p h a l tp a v e m e n t i sn o to n l yn e c e s s a r y , b u ta l s ou r g e n t f r o md r i v i n gs t a t eo fv e h i c l e si ns t e e pa n dl o n gs l o p es e c t i o n s ，t h em a x i m u mi d e a ls l o p e ， m a x i m u ms l o p eo fu n l i m i t e dl e n g t ha n dr e s t r i c t i o no fm a x i m u m s l o p el e n g t hw e r ep r o p o s e d u n d e rd i f f e r e n ta l t i t u d ec o n d i t i o n s t h r o u g hf i e l di n v e s t i g a t i o n sa n dl a b o r a t o r yt e s t sf o rr u ti n u p h i l ls e c t i o n so ft y p i c a ls t e e pa n dl o n gs l o p e ，t h ei n f l u e n c ef a c t o r so fr u td i s t r i b u t i o nl a w s w e r ea n a l y z e da n di n t e r p r e t e di nu p h i l ls e c t i o n so f s t e e pa n dl o n gs l o p ef o ra s p h a l tp a v e m e n t t h er e a s o nw h yt h eh e a v yv e h i c l e sr u ns l o w l yw a st h a tt h es l o p e sw e r es t e e pa n dl o n g i n a d d i t i o n , t h ef o r m a t i o nm e c h a n i s mo fr u ti nl o n ga n ds t e e ps l o p e sw a ss t u d i e dt a k i n g m u l t i a x i sh e a v yl o a da n ds l o wt r a f f i ca sr e s e a r c h e do b j e c t sb ys t u d y i n gt h ei n f l u e n c ef a c t o r s o f r u t t h es t a t i cl o a dc r e e pt e s tw a sc a r d e do u tu n d e rd i f f e r e n tt e m p e r a t u r e sa n ds t r e s s e s ，a n d t h ee q u i v a l e n c eo fs t r e s s ，t e m p e r a t u r ea n dt i m eo nt h ec r e e po f a s p h a l tm i x t u r ew a sa n a l y z e d t h em a t h e m a t i c a le x p r e s s i o no ft h ej o i n td i s p l a c e m e n tf a c t o rt h et e m p e r a t u r es h i f tf a c t o r u n d e rc o n s t a n ts t r e s s ，s t r e s ss h i f tf a c t o ru n d e rc o n s t a n tt e m p e r a t u r ea n dc o n n e c t e ds h i f tf a c t o r u n d e rt e m p e r a t u r ea n ds t r e s so fa s p h a l tm i x t u r ew e r ed e d u c e db yt h es t r e s s - t e m p e r a t u r e - t i m e e q u i v a l e n c ep r i n c i p l en o n l i n e a rv i s c o e l a s t i cb o d y , a n de x p e r i m e n t a ld a t ab a s e do na s p h a l t m i x t u r e so f a c 一2 0w e r eu s e dt ov e r i f yi t a c c o r d i n gt ot h et r a f f i cc h a r a c t e r i s t i c so fh e a v yl o a da n ds l o ws p e e di ns t e e pa n dl o n g s l o p es e c t i o n s ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o no fr u ti na s p h a l tp a v e m e n tw a sc a r d e do u t a n dt h e i n f l u e n c e so fa x l el o a d ，s p e e da n dn u m b e ro fc u m u l a t i v ea x l el o a do nt h es u r f a c er u t ， p e r m a n e n td e f o r m a t i o ni ne a c hl a y e ro fa s p h a l tp a v e m e n t ，s h e a rs t r e s si np a v e m e n ta n d e q u i v a l e n tc r e e ps t r a i nw e r ea n a l y z e d t h er e g r e s s i o ne q u a t i o nb e t w e e ns u r f a c er u ta n da x l e i i i l o a d ，s p e e da n dn u m b e ro f c u m u l a t i v ea x l el o a dw a se s t a b l i s h e d h o w e v e r , r u ti ne a c hl a y e r o fa s p h a l tp a v e m e n tw a sc l o s e l yr e l a t e dt os h e a rs t r e s si np a v e m e n ta n dd i s t r i b u t i o no f e q u i v a l e n tc r e e ps t r a i a , a n dt h ep r o p o r t i o no fp e r m a n e n td e f o r m a t i o ni ne a c hl a y e rw a s c o n s i s t e n tw i t ht h ec o n c l u s i o n so ff i e l di n v e s t i g a t i o n m e c h a n i c a lr e s p o n s e so fa s p h a l tp a v e m e n tw e r es t u d i e db ys i m u l a t i n gt h ep r o c e s so f c l i m b i n gs l o p e sw i t hm o v i n gl o a du n d e rm u l t i - a x i sh e a v yl o a da n da l i e n a t i o no ft i r e s p a r a m e t e r si ns u m m e rt ot h et r a f f i cc h a r a c t e r i s t i c so fh e a v yl o a da n do v e r l o a d t h er e s u l t s i n d i c a t e dt h a tt h ef r o n ta x l el o a do fs u s p e n d i n ga x l ev e h i c l e sw a se v e n l ya p p l i e dt om i d d l e a x l ea n dr e a ra x l ew h i c hi n c r e a s e dt h ei n f l u e n c e so np a v e m e n ts i g n i f i c a n t l y , a n dt h e i n f l u e n c e si n c l u d e dt h a tt h em a x i m u mv e r t i c a ld i s p l a c e m e n t ，t h ep e a ko fs h e a rs t r e s sa n dt h e p e a ko fc o n p r e s s i v es t r e s si n c r e a s e ds i g n i f i c a n t l y a st e m p e r a t u r ei n c r e a s e d ，t h em e c h a n i c a l i n d e x e so fp a v e m e n tc a u s e db yt h ec h a n g e so ft i r ep r e s s u r ei n c r e a s e db yn e a r l y10 t h e d i s t r i b u t i o no fm a x i m u ms h e a rs t r e s sm o v e df r o mw h e e lg a pt ow h e e lc e n t e ro ns u r f a c ea n d m o v e df r o mi n t e r m e d i a t es u r f a c el a y e ra n dl o w e rs u r f a c el a y e ru n d e rw h e e lc e n t e rt os u r f a c e a l o n gd e p t hd i r e c t i o n t h r o u g hs t u d y i n gh i g h - t e m p e r a t u r ep r o p e r t i e so fa s p h a l tm a s t i c ，f i l l i n ge f f e c to ff m e a g g r e g a t e sa n ds k e l e t o ne f f e c to fc o a r s ea g g r e g a t e s ，t h eo p t i m a ld e s i g nm e t h o do fa s p h a l t m i x t u r e sf o rr u tr e s i s t a n c ew a sp r e s e n t e di ns t e e pa n dl o n gs l o p es e c t i o n s t h et y p eo f m o d i f i e rw a ss e l e c t e du s i n gc o m p r e h e n s i v ee v a l u a t i o nm e t h o do f f u z z ym a t ha n dt h e nt h e o p t i m a lm o d i f i e ra n dh a r da s p h a l tw e r eu s e di nm a t e r i a lc o m p o s i t i o nd e s i g no fa s p h a l t p a v e m e n ti ns t e e pa n dl o n gs l o p es e c t i o n s a n dt h er e s u l t sf r o ml a b o r a t o r yt e s ts h o w e dt h a t t h em o d u l u so fa s p h a l tm i x t u r e si n c r e a s e d ，c r e e pp e r f o r m a n c ew a si m p r o v e da n ds u r f a c er u t w a sr e d u c e ds i g n i f i c a n t l ya f t e ru s i n gm o d i f i e ra n dh a r da s p h a l t f i n a l l y , c o m b i n i n gt h ea n a l y s i so nf o r m a t i o nm e c h a n i s mo fr u ti nl o n ga n ds t e e ps l o p e ， t h et r e a t m e n ts y s t e mo fr u tw a sp r o p o s e di nl o n ga n ds t e e p s l o p ef r o ma c t i v ec o n t r o l m e a s u r e s ，o p t i m a ld e s i g no fp a v e m e n ts t r u c t u r ea n dm a t e r i a l s ，h e a v yl o a da n ds l o ws p e e da n d t r a f f i cc o n t r o la th i g h - t e m p e r a t u r e k e y w o r d s ：a s p h a l tp a v e m e n t ，s t e e pa n dl o n gs l o p e ，r u t ，f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，v e h i c l e s p e e d ，m u l t i a x l eh e a v yv e h i c l e s ，a n dm u l t i p l e s c a l eo p t i m i z a t i o n i v 目录 第一章绪论1 1 1 研究背景及意义1 1 2 国内外研究现状2 1 2 1 车辙形成机理及影响因素2 1 2 2 沥青路面车辙预估研究4 1 2 3 陡长上坡车辙研究现状5 1 3 主要研究内容及技术路线6 1 3 1 主要研究内容6 1 3 2 技术路线7 第二章陡长坡路段纵坡参数界定及车辙的空间分布特性。8 2 1 爬坡路段载重汽车的动力性能及参数8 2 1 1 典型载重汽车的主要技术参数8 2 1 2 爬坡路段载重汽车的行驶状态9 2 1 3 爬坡路段车辆行驶的受力分析1 0 2 1 4 爬坡路段汽车的动力特性及参数1 l 2 2 基于车辙的陡长坡路段纵坡参数研究1 3 2 2 1 现行规范对坡度和坡长的规定1 3 2 2 2 基于车辙的“陡坡”定义1 4 2 2 3 基于车辙的“长坡”定义1 5 2 3 陡长坡路段沥青路面车辙空间分布特性研究1 6 2 3 1 调查路段的坡度特性与车辙调查方案1 6 2 3 2 纵向车辙分布规律1 6 2 3 3 横向车辙分布规律18 2 3 4 深度方向车辙分布规律。1 9 2 4 本章小结2 2 第三章重载慢速交通下沥青混合料流变特性研究2 3 3 1 粘弹性力学的一般理论2 3 3 1 1 沥青混合料的粘弹性特性2 3 v 3 1 2 流变学模型理论2 4 3 1 3 时间温度等效原理与w l f 方程2 6 3 2 重载慢速交通下沥青混合料蠕变特性的试验研究2 7 3 2 1 沥青混合料级配选择与试件制备2 7 3 2 2 蠕变试验方案2 8 3 2 3 蠕变试验结果分析2 9 3 3 沥青混合料时间温度应力等效性研究3 6 3 3 1 时间温度应力等效原理3 6 3 3 2 时间温度应力移位因子的确定。3 7 3 3 本章小结3 9 第四章陡长上坡路段沥青路面永久变形的数值分析4 0 4 1 基于车辙等效温度的沥青路面温度场4 0 4 1 1 陡长上坡路段沥青路面结构4 0 4 1 2 基于车辙等效温度的路面温度场4 l 4 2 陡长坡沥青路面永久变形数值模拟的有限元模型4 3 4 2 1 几何模型4 3 4 2 2 材料模型及参数4 3 4 2 3 荷载作用模式及参数。4 6 4 3 陡长坡沥青路面永久变形的发展规律4 9 4 3 1 路表永久变形分析一4 9 4 3 2 沥青面层各层永久变形分析51 4 3 3 沥青面层剪应力分析5 3 4 3 4 沥青面层等效蠕变应变分析5 4 4 4 本章小结5 5 第五章多轴重载交通作用下爬坡路段沥青路面力学响应分析5 6 5 1 陡长坡路段沥青路面重载车辆运行特性分析5 6 5 1 1 多轴车的轴型5 6 5 1 2 重载车辆调查与分析5 7 5 1 3 多轴车轴重的不均匀分布6 0 5 1 4 悬轴车的问题6 0 v l 5 2 多轴车的数值模型6 l 5 2 1 多轴车有限元模型6 1 5 2 2 多轴车移动模拟6 2 5 3 多轴车下路面力学响应的数值分析6 3 5 3 1 单后轴车、双后轴车及三后轴车条件下轴载均匀分布对路面影响6 3 5 3 2 三后轴车前轴悬空对路面影响6 5 5 3 3 三后轴车轴载不均匀分布对路面影响6 8 5 4 夏季轮胎参数异化条件下陡长坡路段沥青路面力学分析6 8 5 4 1 夏季轮胎参数异化问题简述6 9 5 4 2 模型参数7 0 5 4 3 轮胎参数异化条件下路面力学响应的数值分析7 0 5 5 本章小结7 4 第六章陡长坡路段抗车辙沥青混合料多尺度优化设计7 6 6 1 粗集料的骨架效应研究及优化指标7 6 6 1 1 粗集料骨架特性的体积参数7 6 6 1 - 2 粗集料骨架稳定性评价7 9 6 1 3 粗集料骨架优化设计指标8 0 6 2 细集料的填充效应研究及优化指标8 l 6 2 1 细集料填充试验81 6 2 2 细集料填充效应分析- 8 3 6 2 3 细集料填充优化设计指标8 5 6 3 沥青胶浆的流变特性研究8 6 6 3 1 粉胶比对沥青胶浆高温流变特性的影响8 6 6 3 2 温度对沥青胶浆高温流变特性的影响8 8 6 3 3 慢速荷载条件沥青胶浆高温流变特性9 0 6 3 4 基于陡长坡路段交通条件的沥青等级优选9 1 6 4 本章小结9 2 第七章陡长上坡路段沥青路面车辙防治对策研究9 3 7 1 基于模糊数学综合评判的抗车辙改性剂优选9 3 7 1 1 原材料技术性能及混合料组成设计9 3 v i i 7 1 2 沥青混合料路用性能的试验研究一9 5 7 1 3 基于模糊数学综合评判的改性剂优选9 5 7 2 掺加抗车辙剂的中面层混合料设计及性能研究9 9 7 2 1 掺加抗车辙剂的中面层混合料组成设计9 9 7 2 2 掺加抗车辙剂的中面层混合料抗压回弹模量1 0 0 7 2 3 掺加抗车辙剂的中面层混合料蠕变性能1 0 0 7 3 下面层硬质沥青混合料组成设计及性能研究1 0 1 7 3 i 硬质沥青的技术性能及混合料组成设计1 0 1 7 3 2 硬质沥青混合料的抗压回弹模量1 0 3 7 3 3 硬质沥青混合料的蠕变性能1 0 3 7 4 多尺度优化后沥青路面的永久变形数值分析1 0 4 7 4 1 有限元分析模型1 0 5 7 4 2 路表永久变形分析1 0 5 7 4 3 各结构层永久变形分析10 6 7 5 运营期陡长上坡路面沥青路面车辙防治对策1 0 7 7 5 1 严格限制重载1 0 8 7 5 2 路面车辙的高温预警与交通控制1 0 8 7 6 本章小结10 8 第八章结论与展望1 0 9 8 1 主要研究结论1 0 9 8 2 主要创新点1 1 0 8 3 进一步研究问题1 1 1 参考文献11 2 附录：m a t l a b 自定义平移函数119 攻读学位期间取得的研究成果1 2 0 致谢1 2 1 v i l i 长安大学博士学位论文 第一章绪论 1 1 研究背景及意义 截至2 0 0 9 年底，我国高速公路通车里程已经突破6 5 万公里。沥青路面以其 良好的性能倍受青睐，在现代高等级道路建设中得到了广泛的应用。但是，部分 高速公路在通车5 年甚至更短的时间内就出现了车辙、开裂、剥落等早期病害， 不仅降低了道路的使用性能，而且道路寿命大大折减，造成巨大经济损失。当前， 重载条件下沥青混合料流动失稳以及由此造成的车辙病害是高速公路沥青路面 的主要问题，已经成为沥青路面的典型破坏形式，工程界技术人员谈“辙”色变。 沥青路面车辙的产生主要是沥青混合料的粘滞变形、土基与基层的变形，包 括一定程度的压实作用和材料磨耗，常发生在气温高于2 5 3 0 c 的高温季节【l 】。 由于我国普遍采用半刚性基层沥青路面结构，结构性车辙产生较少，路面车辙主 要是由于沥青混合料失稳性剪切流动而产生，沥青面层的永久变形占车辙量的 9 0 以上1 2 引。因此，失稳性车辙是目前车辙研究的主要对象，其形成机理与沥 青混合料在荷载作用下的粘弹( 塑) 性密切相关【4 ，5 】。总结现有文献可以发现沥 青路面早期车辙损害有以下特点：( 1 ) 重载、超载、持续高温天气导致沥青路面 车辙现象严重；( 2 ) 沥青路面严重车辙主要发生在沥青中下面层；( 3 ) 沥青路面严 重车辙主要发生在长陡坡路段。 我国是山岭重丘较多的国家，高速公路路网已逐渐向山区延伸，山区高速公 路不可避免的遇到“长”、“陡”坡的问题。同一条高速公路长陡坡路段也同样面临 着重载、超载、持续高温天气的考验。汽车行驶在陡长坡路段，往往由于动力不 足而减速，而重载车辆速度更低，相应的单轮荷载作用时间更长。根据粘弹性力 学时温等效原理，沥青混合料长时间承受荷载的性能与高温条件等效，而陡长坡 段的慢速交通相当于提高了路面温度，车辙必然严重。此外，坡度的增大，导致 车辆对路面的横向剪切作用增大，也加速了路面永久变形的产生。因此，同一条 高速公路车辙严重的区域更多地出现在陡长坡路段。为了解决上述问题，研究人 员从材料改善的角度，使用改性沥青、调整集料级配、局部修正设计指标和加强 施工质量控制来试图改善路面性能，延长路面使用寿命，但是这些措施并没有从 根本上解决陡长坡路段沥青路面车辙病害。本文就此展开研究，分析陡长坡路段 第一章绪论 交通特性对沥青路面车辙的影响规律，并提出相应防治对策，具有重要的理论意 义与实用价值。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 车辙形成机理及影响因素 ( 1 ) 车辙形成机理 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宏观粘性流动，而是混合料结构不断调 整，在细观层次上的流动。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。 ( 2 ) 车辙的影响因素 影响沥青路面车辙的主要因素归纳为内在因素和外部条件，如图1 1 。 图1 1 车辙的影响因素 内在因素主要反映在沥青混合料本身的质量上，而外部条件则主要包括气候 和交通条件。针对我国高速公路上高温、重载的情况，需要仔细研究沥青路面在 这种恶劣条件下的性质。 沥青混合料的影响 2 长安大学博士学位论文 沥青混合料是影响车辙的内在因素。沥青路面车辙主要是由于混合料的塑性 剪切变形不断累积而形成，因而提高沥青混合料的抗剪强度是防治车辙最有效的 途径。根据莫尔一库仑定理，沥青混合料抗剪强度取决于矿料之间的内摩擦力和 沥青与矿料之间的粘结力。矿料间的内摩擦力主要来源于矿料的嵌挤锁结作用， 受集料的级配、颗粒形状、表面特性等因素的影响。对于矿料一般要求其颗粒形 状接近立方体，表面粗糙，同时限制扁平长条颗粒的含量，采用间断级配形成骨 架结构。沥青与矿料之间的粘结力主要和沥青粘度及用量、沥青与矿料的相互作 用、填料种类和粉胶比等因素有关。为了提高沥青与矿料之间的粘结力，一般采 用粘度大、感温性好的改性沥青，合理控制沥青用量，保证合适的沥青膜厚度， 采用碱性石料提高沥青与矿料的粘结作用，必要时添加抗剥落剂，以及适当增大 粉胶比等。 路面结构类型和沥青面层厚度的影响 沥青路面的抗车辙能力除了受沥青面层材料及其性能影响外，还与基层类 型、沥青路面厚度等因素有关。不同基层类型的沥青路面车辙规律有所不同，对 与刚性或半刚性基层沥青路面，9 0 的路面车辙源自沥青混合料面层，由基层和 土基所产生的车辙所占比例很小；而对于柔性基层沥青路面( 沥青稳定碎石基 层) ，基层本身也会产生一定的永久变形，但相关研究表明柔性基层沥青路面的 车辙不一定比刚性或半刚性基层沥青路面严重。 另外，沥青路面车辙与面层厚度与有一定关系。一般认为沥青面层越厚，路 面车辙越大，但路面车辙并不是随面层厚度增长而线性增大，当沥青面层达到一 定厚度后，路面车辙基本不再增长。因此，目前我国半刚性基层沥青路面的面层 厚度有增大趋势。 气候、交通条件的影响 气候条件主要包括太阳辐射、气温、风速、降雨量和蒸发量等，其中太阳辐 射和大气温度是决定路面结构层内温度状况的两个主要因素，而温度主要影响沥 青混合料的劲度和强度。在高温季节，沥青混合料的劲度会急剧下降，抗剪切变 形能力明显减弱。有研究表明，在4 0 - - 6 0 范围内，沥青混合料的温度每上升5 。c ， 其变形将增加2 倍。这里所指的温度是沥青路面的温度，并不是气温，它受气候 条件的影响，同时也和路面各结构层的热力学参数，如热传导率、热容量和对辐 3 第一章绪论 射热的吸收能力等有关。沥青路面温度随着时间和空间位置而变化，是个场量的 概念，有时称之为温度场。目前进行车辙预估的时候，采用固定的温度，虽然简 化了计算，但是和实际路面温度状况差异很大。因此，为了尽可能模拟实际路面 温度状况，在进行沥青路面车辙分析的时候，应该采用连续变化的温度场。 交通条件主要是指车辆荷载、轮胎气压、行车速度、车流渠化、交通分布等。 荷载对沥青路面车辙的影响是不言而喻的，特别是重载车、超载车将大大加快沥 青路面车辙的发展。通常，轮胎气压是适应车辆荷载的，荷载越大则轮胎气压越 高，例如轮胎气压从5 2 4 k p a 增加到9 6 5 k p a ，相当于增加8 9 k n 的轴重，因此 增加轮胎气压对沥青路面车辙的影响与荷载的影响是一致的。行车速度的影响主 要反映在荷载的持续时间上，车辆行车速度越慢，荷载作用时间越长，相同交通 量所引起的路面车辙越大。荷载分布的随机性也影响车辙的形成，总的来说车道 越宽，该宽度所受到的车辆作用频率越小，相对而言该横断面上各点受到的荷载 作用次数越小，可能产生的车辙深度就越小。 1 2 2 沥青路面车辙预估研究 由于沥青混合料所固有的粘弹特性、影响沥青路面高温特性因素的多样性、 车辙形成的复杂性，使得永久变形成为世界性的难题，预估与防治沥青路面的车 辙也成为了各国公路技术人员的重要研究课题。目前，国内外基本上形成三种车 辙的预估方法：经验法、半经验一半理论法、理论法。由于经验法和半经验半 理论法都需要大量的实际路面车辙观察数据，而车辙一般都需要几年甚至十几年 才能形成，因此目前车辙预估方法仍多以理论法为主。理论法以弹性层状体系理 论或粘弹性理论为基础，计算路面体系内的应力，并利用路面沥青混合料永久应 变和应力的关系来计算路面的永久应变，继而求出车辙。理论分析方法主要包括 层应变法和粘弹性方法，以粘弹性理论为基础的车辙计算方法逐渐成为理论计算 方法的发展趋势。2 0 世纪8 0 年代，a w i j e r a t h e 等、徐世法、许志鸿等应用粘弹 性理论进行了沥青路面车辙研究，并建立了相关预估方程。9 0 年代以后，作为 理论法的数值发展一有限元法开始得到应用。郑建龙和关宏信等、蔡长展、张洪 信、j i a n f e n gh u a 、z h o n gw u 将有限元法与粘弹性理论结合进行车辙预估，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，很多研究者采用了商用有限元软件来建立车辙的预估模型，其中 4 长安大学博士学位论文 a b a q u s 和a n s y s 应用较为广泛。采用有限元法可以克服层状理论的缺点， 从而可进行复杂的模拟，而且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。虽然有限元法尚未发展到特别成熟 的阶段，但在合理准确的力学模型下精度较高，投入费用少，节约大量人力和物 力等资源。在提倡节约及计算机硬件技术飞速发展的今天，它在国内以及国外沥 青路面的车辙预估中将成为最有发展前途的计算分析手段。当然，建立更能符合 沥青混合料材料特性和考虑路面各层变形的模型将是基于粘弹塑性有限元方法 车辙预估面临的最大挑战。 1 2 3 陡长上坡车辙研究现状 目前，国内外针对陡长坡路段沥青路面的研究相对较少，很多在小坡度路段 使用性能良好的路面结构，在陡长上坡路段却未必适用。对于陡长坡的坡度界定， 各个国家对于陡长上坡的坡度和坡长都有特定的要求，但一直以来未曾有较为明 确的定义。比如，我国现行设计规范指出上坡方向应满足平均纵坡、不同纵坡最 大坡长的规定，但未考虑载重汽车行驶速度的降低对于路面整体服务性能的影 响。实际路线中存在坡度较小、坡长较长，或是坡长较小、坡度较大的连续爬坡 路段，在连续爬坡路段容易导致车辆动力不足而慢速行驶。在我国，经济迅速发 展的同时，高速公路路网已逐渐向山区延伸，不可避免的遇到“长”、“陡”坡的问 题。而且，我国重载交通也日益严重，在陡长坡路段也同样面临着重载、超载的 严重考验。这种特殊的交通特性对陡长上坡路段沥青路面力学性能起着关键作 用，尤其是对路面车辙的影响非常显著。大量的调查已经指出，陡长上坡路段沥 青路面的车辙病害尤为严重，这已经引起研究人员的关注，并就此开展了研究。 吴少鹏和王家主、李明国、李凌林、杨海荣等通过现场调查或者有限元数值模拟 的方法研究了陡长上坡路段沥青路面的力学响应特性和车辙发展规律，其成果尚 不能完全解决陡长上坡上沥青路面车辙问题。 总体说来，目前对于车辙的研究已经比较深入，但陡长上坡路段沥青路面车 辙仍然比较严重。陡长坡路段沥青路面研究存在以下问题： 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； 没有考虑车辆在特定路段上的特殊行驶状态，如：陡坡上车辆的变速、变 第一章绪论 坡点的荷载冲击等； 缺乏适用于长陡坡路段沥青混合料性能研究及材料的优化设计。 1 3 主要研究内容及技术路线 1 3 1 主要研究内容 本论文将以