（材料学专业论文）沥青路面数值模拟及单轴贯入蠕变试验研究.pdf

摘要 摘要 车辙是沥青混凝土路面主要的破坏形式之一。随着公路交通量的增加和汽车 轴载的增大以及渠化交通的形成，我国公路沥青路面的车辙问题越来越突出。 本文利用有限元方法对昆安高速公路试验路的6 种不同路面结构和“单轴贯 入蠕变模型”，在不同荷载大小作用下的力学响应比较分析，得出合理的“单轴 贯入蠕变试验参数；通过单轴贯入蠕变试验研究发现，单轴贯入蠕变试验可以 解决单轴蠕变试验对试验温度和荷载大小的限制，单轴贯入蠕变试验比单轴蠕变 试验更准确、更稳定的反映了沥青混合料的粘弹特性：将单轴贯入蠕变试验得到 的蠕变参数，代入能够模拟沥青路面蠕变现象的有限元模型中，对环道试验中的 柔性基层沥青路面车辙进行数值模拟。模拟结果与实测结果非常接近，说明单轴 贯入蠕变试验有较好的实用性和适用性，因此采用相同的方法对昆安高速公路进 行了车辙预估。 关键词：沥青混合料单轴贯入蠕变试验有限元方法沥青路面数值模拟 a b s t r a c t a b s t r a c t t h er u t t i n gi so n ek i n do fm a i l u r e sf o ra s p h a l tp a v e m e n tw h i c hb e h a v e sl i k ea l o n g i t u d i n a ls t r i pt r e n c ha l o n gt h er u t t i n gd i r e c t i o na n dc a u s er i d g yd e f o r m a t i o na t t w os i d e s i ti sm a i n l yb e c a u s et h ea s p h a l tm i x t u r ei sd e s i g n e di r r a t i o n a l l yo rt h eb a s e a n ds u r f a c ea r en o tc o m p a c t e d e n o u g h s ot h em i xi sp o o ri ns t a b i l i t yt h a ta s p h a l tm i x c a u s ec o n c r e t i o na n dp e r m a n e n td e f o r m a t i o nd u et ot h er e p e t i t i v el o a d i n g w i t ht h e r a p i de c o n o m i cd e v e l o p m e n t ，t h en u m b e ro fh e a v yv e h i c l e si nc h i n ah a sb e e n i n c r e a s i n gd r a m a t i c a l l yi nr e c e n ty e a r s ，嬲w e l la sa x l el o a da n dt i r ep r e s s u r e a sa r e s u l to ft h el a r g ev o l u m ec h a n n e l i z e dt r u c k , r u t t i n gh a sb e c o m eam a j o rd i s t r e s si n a s p h a l tp a v e m e n t t h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o dw a sp r e f o r m e do n6k i n d so f a s p h a l tp a v e m e n ti nt e s t r o a do ft h ek u n a n h i g h w a ya n du n i a x i a lp e n e t r a t i o nc r e e pm o d e l t h er e a s o n a b l e u n i a x i a lp e n e t r a t i o nc r e e pt e s tp a r a m e t e r sw e r ec o n c l u d e d t h r o u g hd i f f e r e n t d e g r e eo f l o a d i n g t h eu n i a x i a lp e n e t r a t i o nc r e e pt e s tc a nr e f l e c tt h ec r e e pc h a r a c t e r i s t i c so f a s p h a l tm i x t u r e sa n da v o i dt h et e m p e r a t u r ea n ds t r a i nl i m i t a t i o n si nt r a d i t i o n a lc r e e p t e s t a n dt h e nt h ep a r a m e t e r sw e r eu s e di nf i n i t ee l e m e n tm e t h o dw h i c hc a ns i m u l a t e t h ec r e e po fp a v e m e n t so fc i r c l er o a d w a y , s i m u l a t er e s u l t sc l o s et ot h ee x p e r i m e n t r e s u l t s i ti n d i c a t e dt h a tt h eu n i a x i a lp e n e t r a t i o nc r e e pt e s ti sp r a c t i c a b l ea n ds u i t a b l e ， s oi tw a su s e dt op r o d i c tt h er u t t i n go fk u n a n h i g h w a y k e y w o r d sh o tm i x e da s p h a l t ( h m a ) ；u n i a x i a lp e n e t r a t i o nc r e e pt e s t ；f i n i t e e l e m e n ta n a l y s i sm e t h o d ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o na s p h a l tp a v e m e n t 。 重庆交通大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所 取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发 表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确 方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期：御年f ；- 月，日 重庆交通大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权重 庆交通大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩 印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文作者签名：弦 日期：7 诵年f 月f 占日 指导教师签名： 日期：郦年 i1 l 童j 戏“ f 只哟日 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) 是沥青路面体系最重要的几种破坏 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。 从1 9 8 8 年我国大陆第一条高速公路正式通车到现在，我国的高速公路建设 取得了举世瞩目的成就，全国高速公路通车里程超过4 5 万公里，位居世界第二 位。除西藏外，各省、自治区和直辖市都已拥有高速公路，有1 0 个省份的高速 公路里程超过1 0 0 0 公里。但我国目前9 0 9 6 以上的高等级公路采用半刚性基层沥 青路面，这种单一的路面结构形式，不能反映我国各地区气候、经济水平和交通 量等差别。在长期的使用过程中发现，我国修建的高速公路沥青路面大都达不到 设计使用年限，一般使用5 年左右就需要进行大中修，更有一些路面在使用1 2 年就出现大量的车辙、裂缝等早期损坏，严重妨碍了高速公路的畅通。近年来 公路交通量的急剧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，其中车辙即为主要表 现之一。 从路面结构对车辙产生的影响出发，重庆交通科研设计院承担了“沪宁高速 公路( 江苏段) 扩建工程沥青路面结构抗永久变形性能环道试验研究( 下称环 道研究) 。环道试验对我国常用的半刚性基层路面结构和国内外经验选择的柔性 基层路面结构进行研究，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。同时应用有限元软件对环道试验的永久变形进行了 数值模拟，但是计算值与实际测得的变形值存在着一定差异。 纵观车辙预估方法的研究，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有限元数值分 析的方法上发展。因此，采用非线性有限元方法预估沥青路面车辙，是现阶段较 好的预估沥青路面车辙的方法之一。 通过环道研究可以发现，采用有限元方法对环道的永久变形模拟和野外沥青 第一章绪论 2 路面车辙预估，最核心的因素是确定蠕变模型中蠕变参数的蠕变试验方法。为了 使有限元方法预估沥青路面车辙更为准确，本文采用“单轴贯入蠕变试验”确定 沥青混合料蠕变参数的方法，希望能为今后的相关研究起到借鉴作用。 1 2 车辙问题的研究 1 2 1 国外车辙问题的研究 1 9 6 0 年以前，对车辙问题少有正式研究，美国当时采用的路面设计方法都 使用经验方法来估量路面的抗剪切性能，通过在特定c b r 值的材料上加铺足够厚 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 年的首届国际沥青路面结构设计会议上，s h e l l 公司提出第一套明确考 虑疲劳和车辙的路面设计方法，该法通过限制土基顶面的竖向位移来控制车辙。 1 9 7 2 年的第三届国际沥青路面结构设计会议上，b a r k s d a l e 和r o m a i n 提出 层应变法预估柔性路面车辙。 1 9 7 7 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，该程序包括限制表面车辙在指定的水平内和预估沥青粘结层或整个路面结 构的车辙量。具体有下面几点：基于车辙性能观测数据的统计方法；限制基 层应变程序：结合蠕变试验数据的弹性分析；线性粘弹性分析。 1 9 8 2 年的第五届国际沥青路面结构设计会议基本上未对车辙预估提出新的 成果。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。 1 9 8 7 年的第六届国际沥青路面结构设计会议上，e c k m a n n 以及e i s e n m a n n 和h i l m e r 的论文特别的引人注目。e c k m a n n 的研究结合了动态蠕变试验和层应 变法对足尺试验路的车辙进行了预估，预估模型和现场测定结果表现出良好的吻 合性。e i s e n m a n n 和h i l m e r 研究了轮载和胎压对沥青路面中车辙量的影响，他 们使用不同的轮载、胎压和轮组进行了足尺试验，直接测定车辙量，并用衰退分 析法分析了不同试验条件的影响。 1 9 9 3 年，美国战略公路研究计划( s h r p ) 的沥青研究项目在执行期间，总经 费5 0 0 0 万美元中，有9 4 9 万美元用于永久变形的研究上，该研究最终提出了 a - 3 1 8 和a - 4 1 5 两篇研究报告，成为s u p e r p a v e 的主要组成部分。研究成果对现 有沥青混合料高温特性试验方法进行评价的基础上提出了新的试验、评价方法， 并试图根据新的破坏模型和车辙预估模型编制计算机软件进行车辙深度预估。 1 2 2 国内车辙问题的研究 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，属 于轻车、混合交通的情况，车辙变形的问题不太严重，未引起足够的重视，早期 仅采用高温抗压强度r t 以及常温和高温条件下抗压强度的比值k t 来衡量沥青路 第一章绪论 面高温稳定性：然而，单轴抗压试验条件下沥青混凝土的受力图式与路面上沥青 混凝土的实际受力情况相去甚远。2 0 世纪7 0 年代，我国引入马歇尔法来评价沥 青混合料的高温稳定性，马歇尔试验的加载装置对试件周边施加了一定的约束， 而不对上下底面施加作用力，这样使试件处于两向应力的状态之下，较单轴抗压 试验更能反映应力状态，马歇尔法也在我国得到了推广应用，但马歇尔试验并不 是个好的用以评价路面永久变形抵抗能力的方法，用马歇尔稳定度衡量沥青混合 料高温稳定性存在着局限性。改革开放后，我国的高等级沥青路面得到了很大的 发展，随着交通量增加、汽车轴载加大、超载严重以及渠化交通的形成，车辙问 题显得越来越突出，促使道路工作者对车辙问题做进一步的研究，取得了许多有 益的科研成果：“六五”期间，用单轴蠕变试验确定有关参数，用粘弹性理论计 算( 预估) 车辙深度，提出了我国各个地区的有效温度；“七五”期间，进行了车 辙试验、蠕变试验、环道试验及加速加载试验；“八五”期间，借助s h a p 的理论 成果，针对当前国产的七种代表性沥青及其沥青混合料进行了较为全面系统的研 究，提出符合我国不同自然区域道路实际情况与路用性能的气候分区、沥青及沥 青混合料的技术指标及相应的试验方法，并提出了初步技术标准的建议值，对沥 青改性技术进行了广泛的试验研究。 1 3 车辙的分类和产生机理及影响因素 1 3 1 车辙的分类 车辙是沥青路面特有的一种损坏现象。一般表现为在汽车荷载反复作用的轮 迹带上产生竖直向下的永久变形，较严重时两侧通常有隆起变形。根据成因不同， 车辙可分成以下五种类型u 叫： ( 1 ) 结构型车辙 由路面基层及路基变形引起的。由于荷载作用传播扩散后仍超过路面各层的 强度，发生在沥青面层以下包括路基在内的结构层的永久性变形，叫做结构型车 辙。这种车辙的宽度较大，两侧没有隆起现象，横断面呈u 字型。 厂麟勰 - - l 、 f 一：- i 善。i 二；夏、 ，嚣孙 ：亡。i t ：。_“：- ：? 二j ：j ：。i ：；0 t 袅；i i 、 f r # o 一一t ： r 糍蔓曩譬麓! f 蛩：妻：赛孽缫受缝麟鬻曛：! 蘩娶暴罨罄篱 图1 - 1 结构性车辙 f i g 1 1s t r u c t u r er u t t i n g 第一章绪论 4 ( 2 ) 失稳型车辙 在高温条件下，由于荷载的反复作用，荷载应力超过沥青混合料所能承受的 稳定性应力极限，发生流动变形不断累积形成的车辙，叫做沥青路面的流动性车 辙或失稳型车辙。其特点是两侧伴有隆起现象，内外侧呈非对称形状，尤其容易 发生在上坡路段、交叉口附近，即车速慢、车胎接地产生的横向应力大的地方， 横断面呈w 型。 图1 - 2 失稳性车辙 f i g 1 2l o s i n gs t a b i l i t yr u t t i n g ( 3 ) 磨耗型车辙：由于沥青路面顶层的材料在车轮磨耗和自然环境因素下 持续不断地损失形成，尤其是冬季埋钉轮胎形成的磨损性车辙。 ( 4 ) 压密型车辙：由于沥青路混合料进一步被压密引起的，这种车辙的特 点是只在轮迹下，也呈v 字或w 型，但两侧没有隆起，车辙的形成在初期发展 很快。 图1 - 3 压密型车辙 f i g 1 3p r e s s u r ec o n s o l i d a t i o nr u t t i n g ( 5 ) 水损害型车辙 由于沥青混凝土的中下层产生明显的水损害而失去了沥青膜的粘结作用，从 而在荷载的作用下出现了因变形累积而形成的车辙。 我国的高等级道路沥青路面基层大多采用半刚性基层，强度高、板整体性好， 基层及基层以下的变形极小，路面永久变形主要发生在沥青面层中，据有关资料 分析，沥青面层产生的车辙深度占路面总车辙深度的9 0 以上”，面层产生的 车辙基本属于沥青混合料的流动性车辙和再压实型车辙。再压实型车辙在国外较 少发生，但在我国却常常发生，这是一种非正常的车辙，其原因是有些道路施工 时没有很充分的压实，或片面追求平整度，在降低温度后碾压，造成压实度不足， 第一章绪论5 致使通车后的第一个高温季节混合料被继续压密，路面产生压密变形，同时平整 度迅速下降，进而形成明显的车辙。 1 3 2 车辙产生机理及影响因素 沥青混凝土路面开放交通之后，在行车荷载反复作用下，车辙的形成可分为 以下三个阶段： 表久彩雯 蔹裁绺攒敬缎 图1 _ 4 沥青路面车辙发展过程 f i g 1 - 4t h ed e v e l o p m e n to fr u t t i n g 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，同时集料被强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，沿矿料间接触面滑动，促使沥青及胶浆向富集区流动，以至流向混 合料自由面。 由此可见，车辙形成的最初原因是压密及沥青高温下的流动，最后导致骨架 的失稳，从本质上讲就是沥青混合料的结构特征发生了变化。 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。通过对渝 一黔二期高速公路车辙调查和测量可知，行车道上车辙较为严重，超车道和紧急 停车道上车辙明显小于行车道；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，有些较深的车辙超过5 0 r a m 。 高温、重载、慢速和严重的渠化交通等外因，和路面厚度变异性过大、表面层空 隙率偏高、马歇尔稳定度偏低、劈裂强度偏低、部分路段用油量控制不准及路面 第一章绪论6 层间结合不好等内因，都是产生车辙的影响因素。大量文献显示，影响车辙因素 分类如下： j1 1 、行车荷载( 轴重，轮胎压力) 外因j 交通条件 2 、交通量和渠道化程度 一il3 、荷载作用时间和水平力( 交叉口) i 气候条件路面温度( 气温、日照等) 内因 沥青混合料强度 f 1 、级料的微观构造 内摩擦力 ；：荔莩昌茎大粒径，粗级料含量 i4 、沥青混合料的级配和密度 粘结力 l 、沥青的标号和沥青黏度 2 、沥青的感温性 3 、沥青与矿料的粘结性 4 、填料种类和粉胶比 5 、沥青用量 6 、一混合料的密实度 路面结构类型和沥青面层厚度 1 4 沥青路面车辙的控制指标和标准 沥青路面车辙的控制指标和标准主要有以下几种方法： ( 1 ) 路基顶面容许竖向压应变指标与容许车辙 早在2 0 世纪5 0 年代，r r p e a t t i e 就提出用限制土基顶面压应力来防止 车辙。5 0 年代末g m d o m a n 等根据美国a a s h o 试验路的车辙试验结果，提出用 土基顶面的垂直压应变替代压应力来建立车辙标准。此后英国、法国、意大利、 比利时等国都建立了土基压应变的标准。但路基顶面容许竖向压应变控制指标的 不足之处：此指标不能较好地反映路面车辙的实际情况；不能预估路面在不 同使用时期的车辙深度，难以有效地指导路面的养护和管理工作。随后各国根据 本国的气候、交通等具体条件，提出了各自的容许车辙标准，如表1 1 所示。 表1 - 1 容许车辙深度( n u n ) t a b 1 - 1a d m i t i n gr u t t i n gd e e p n e e s 美国地沥青协会( a i )1 3 英国2 0 高速公路1 0 壳牌石油公司( s h e l l ) 一般公路3 0 干线公路 1 2 比利时 次级道路 1 8 第一章绪论 7 ( 2 ) 稳定度和流值 确定稳定度和流值使用的是马歇尔实验。该法实验设备简单，操作方便，被 世界许多国家所使用。实验温度为6 0 。c ，模拟夏季沥青路面的最高温度。由于 马歇尔稳定度和流值是一种经验指标，不能确切地反映沥青混合料永久变形产生 的机理。所以，对于连续密级配沥青混合料，即使沥青混合料的稳定度、流值满 足技术标准，沥青路面也不能避免车辙的出现。可见，这种方法控制混合料高温 性能值得讨论。所以在沥青混合料的设计中，一方面应严格控制沥青用量不超过 马氏方法的最佳用量，同时要致力于新的控制车辙的沥青混合料设计方法的研 究。 一般来说，稳定度高的沥青混合料高温稳定性也好，相应地沥青路面的抗永 久变形能力就强。流值表示混合料的可塑性，对沥青路面来说，要求流值控制在 一定范围。另外，稳定度与流值的比值也可作为沥青混合料高温稳定性的一个控 制指标，这个指标称为马歇尔模数。从防止路面产生车辙考虑，s f 宜取较大 值。马氏实验所得的稳定度，不能准确地反映沥青混合料的高温稳定性。主要体 现在成型过程( 捶击) 和路面成型过程( 碾压) 不一致，试件的受力状态与路面高温 病害形成时的受力状态不相一致，加荷速度太快，不能反映沥青混合料的粘性流 动。这种方法的缺点为：( 1 ) 它只是一种经验指标，只适用于特定的环境、荷载 条件及材料类别；( 2 ) 只涉及高温性能，未顾及低温和常温性能。( 3 ) 其主要设计 指标同沥青混合料的路用性能缺乏直接关系，不能用于路面力学分析及路面结构 设计。( 4 ) 稳定度实验不能充分度量混合料的剪切强度，难于估计路面的破坏抗 力。但这种方法一般可以对沥青混合料的稳定性作出粗略的判断。我国对稳定度 和流值的标准见2 0 0 5 年1 月1 日实施的公路沥青路面施工技术规范。如表 卜2 所示。 表1 - 2 稳定度和流值标准 t a b 1 2m sa n df l 试验指标高速公路、一级公路( 密级配沥青混合料) 其他等级 稳定度m s 夏炎热区 夏热区及夏凉区 公路 中轻交通重载交通中轻交通重载交通 不小于( 1 斟) 85 流值f l ( m m ) 2 ，41 5 42 4 5 2 ，、一4 2 4 5 ( 3 ) 蠕变 通常对材料施加一定水平的荷载或应力时，材料将产生变形，若这个变形不 随时间增加而增大，且撤销外力后，变形立即全部恢复，那么这种材料称为弹性 体。但完全弹性的材料是极少的，大多数在外力的长时间作用下，作为响应的变 第一章绪论8 形也会随时问的增加而不断增长，在取消外力后变形随时间的增长而逐渐恢复甚 至一部分变形会永远保持，这种力学行为称为蠕变。这类材料称为粘弹性材料。 沥青及沥青混合料都是典型的粘弹性材料，尤其是在高温下，粘弹性表现得更为 突出。沥青路面的车辙或永久变形就是沥青混合料粘弹性能的直接反映。由于 马歇尔稳定度和流值是混合料稳定性的一种经验性指标，它不能确切反映永久变 形产生的机理。近年来，国际上有以蠕变试验取代它的趋势。蠕变试验既可以区 别混合料的稳定性，指导混合料组成设计，又可以预估车辙量，为路面结构设计 提供依据，因而受到众多研究者的青睐。 ( 4 ) 动稳定度和相对变形指标 这两个指标都反映了沥青混合料在高温条件下的抗变形能力，但侧重点不 同。我国规范中采用的方法最初是由英国运输与道路研究试验所( t r r l ) 开发的， 它是通过测定车轮荷载作用次数与板块试件的变形关系，得出动稳定度作为评价 沥青混合料的抗永久变形指标。沥青与沥青混合料试验规程( j t j 0 5 2 2 0 0 0 ) 中，动稳定度的含义是沥青混合料在高温条件下每产生l m m 变形时，所承受的标 准轴载的作用次数。计算公式如下： 粥：亟二型木c d ：一d 。 式中：d s 一动稳定度，次舳； d l 一荷载轮作用时间t 1 ( 一般为4 5 m i n ) 时的永久形变，胁； d 2 一荷载轮作用时间t 2 ( 一般为6 0 m i n ) 时的永久形变，m m ； 卜试件尺寸系数。室内制的3 0 0 m m x3 0 0 m m 5 0 m m 的试件为1 0 ， 路面切割的宽1 5 0 m m 的试件为o 8 。 相对变形率指标是法国和美国最早提出的，其意义为在规定作用次数、时间 下所产生的变形与试件总厚度的比值。这个次数根据实际交通荷载和沥青混合料 使用要求不同而不同。 计算公式为： 万：型宰1 0 0 三 式中：6 一试件相对变形； 1 一试件产生的总形变，咖； l 一试件厚度，m m 。 法国在2 0 世纪9 0 年代规定轮辙试验永久变形的两个等级如下： 等级2 ：作用3 0 0 0 次，相对变形率1 5 ； 等级3 ：作用1 0 0 0 0 次，相对变形率1 5 。 第一章绪论9 等级3 常用于高交通量水平的道路。， 从以上概念可以看出，尽管相对变形和动稳定度指标都测量了荷载作用下试 件的变形，但相对变形更直接反映了荷载作用下试件的变形情况( 即车辙深度) ， 而动稳定度仅是一个间接的评价指标。 。这两个指标都反映了沥青混合料在高温条件下的抗变形能力，但侧重点不 同，结果也有些不同。图卜5 所示为动稳定度相同的两条形变曲线，可以明显地 看出其车辙深度不同，二者不吻合。 转| 作加耐伺( - j 岫 图1 5 不同车辙深度相同动稳定度的车辙曲线 f i g 1 - 5r u t t i n gc u r v eo l ls a m es m 动稳定度指标取车辙曲线中最后1 5 分钟的变形计算，是为了消除由于试件 本身的压密变形。我们知道一条新建高速公路开放交通后要有数个月左右的补充 压密的过程，在车载的不断作用下路面的空隙率会减小，这本身就是一种车辙形 式。 其次，目前动稳定度试验结果存在的问题是同一组试件的变异性较大，相差 3 0 - - 5 0 是比较普遍的，这既与试验方法本身有关，更与现有的试验设备有较大 关系。规范上要求测量精度为0 0 1 m m 以上，现在一些沥青混凝土( 如采用改性沥 青) 的动稳定度很高，有的可以达到1 0 0 0 0 次左右，实际上这样的试验误差已经 很大。在试验中由于偶然因素造成车辙变形轻微的改变都会很明显的体现在动稳 定度的指标中，这样的准确度相对较低。而采用相对变形概念，对于5 0 m m 厚的车 辙板来说，即使相对变形达到1 ，实际变形也仅为0 5 m m ，对于一般传感器来说 这个精度完全可以满足。在国外的室内轮辙试验中，以a p a ( 美国乔治亚州轮辙 仪) 仪、法国轮辙仪( f r p t ) 和汉堡轮辙仪( h w t d ) 为代表的试验方法采用试验 第一章绪论 1 0 加载次数产生的永久变形作为量测指标；而单轮( p u r w h e e l ) 试验仪是以产生 6 3 5 m m 辙槽深度所需的加载次数为指标的。 1 5 沥青路面车辙预估 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类方法：经验法、半经验 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 0 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) d 6 ： 常规路面结构( 沥青混凝土厚度小于1 5 c m ) ： l g r d = - 6 8 6 6 + 4 3 2 5 1 9 d - 0 1 3 1 1 9 m 8 或l g r d = 5 6 1 7 + 4 3 4 3 1 9 d 一0 1 6 7 1 9 m 8 一1 11 8 1 9 c r c 对于厚度大于1 5 a m 的或全厚式度沥青混凝土结构： l g r d = - 1 1 7 3 + 0 7 1 7 1 9 d - 0 6 5 8 1 9 m 8 式中：r 卜辙槽深度，微英寸( 2 5 4 1 0 咱m m ) ； d 双轮轮隙间的弯沉，1 0 - 6 英寸； o 广沥青混凝土的垂直压应力，磅英寸； n 。广1 8 0 0 0 磅的等效单轴何载的总作用次数。 以a a s h 0 试验路的测试数据为基础，a r c h ill 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 i t = 4 + o r f ( 1 一e b , ) 式中：r d ；。第i 层在时间t 时的车辙深度( f f f f n ) ； n ；。车辆荷载在时间t 时，作用在i 层的次数； a ，和b 。路面i 的作用特性，例如层厚等； 第一章绪论 6 。在i 层铺筑后对下卧层的变形影响。 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 0 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性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 i e t a l ，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 按经验一分析法提出的预估模型。 r d ：j l 1 + 啦艿 w ( 1 + 口2 ) 式中：r 卜沥青层永久变形； r 路面弯沉系数( 无量纲) ； 6 在双轮动态荷载下的路面弯沉； n - 重复加载次数； a 。、a 广路面材料荷载结构尺寸参数。 近来，半经验半分析法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，普渡 大学，加州大学伯克利分校等处都有进行。其次，材料在环境变化时的反应也被 考虑。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1 。 ( 3 ) 分析法 以层状弹性体系理论或以弹粘性体系理论为基础的方法，常采用单轴压缩蠕 变试验的结果来预估车辙深度。壳牌法、比利时法、美国联邦公路管理局的v e s y s 程序中的车辙预估模型和英国t r r l ，w e 纳恩( n u n n ) 提出的方法都属于这类 方法。以壳牌法为例，蠕变预估模型如下式： l a h = q ( ) ，“，) ，幸i i = 1 式中：h 沥青层的永久变形； g 一动态修正系数； 第一章绪论 1 2 ( s m ) 。第i 亚层沥青混合料的粘滞劲度； ( o 。) 。第i 亚层的平均压应力； h ；沥青层第i 基层的厚度。 近年来，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主流 和发展趋势。而最早将粘弹性理论应用于车辙计算的是h u s c h e k 。他于1 9 7 9 年 以粘弹性理论为基础，结合蠕变试验提出了一种沥青面层永久变形的预估方法。 所选用的表征沥青混合料变形特性的流变学模型为m a x w e l l 模型，其中粘壶元件 的粘度被修正成加载时间的函数，并且随时间的延长而增大，由此反映沥青混合 料永久变形的增量随加载时间而减小的“固结效应。在迸行车辙计算时，首先 采用弹性层状体系程序b is a r 计算路面内的应力、应变分布，然后根据行车速度 ( v = x t ，x 一坐标，t 一时间) 巧妙地将静态应力、应变转化为时间的函数，即粘 弹性应力、应变。结合所选用的流变学模型，并假定应力、应变之间为线性关系， 提出如下沥青层永久变形预估公式： 7 i = ：产= j ：吼，) r “p 式中：h 沥青层的永久变形； o ( z ，t ) 沥青层z 处的竖向压应力； n ( t ) 流变学模型的参数，为粘壶元件的粘度： 卜加载时间。 这种用粘弹性理论计算r d 的思想是值得借鉴的，由此所得的车辙公式也具 有一定的普遍性。自从以较简单的m a x w e l l 模型来模拟粘弹性材料受力变形特性 后，道路工作者先后采用过的模型有：k e l v i nm o d e l ，v a nd e rp o e lm o d e l 及 b u r g e r sm o d e l 。 古典b u r g e r s 模型可用于描述沥青混合料的粘弹特性，但不是用于非粘结 层。这些方法使用的程序通常基于多层弹性体系法，v e r o a d 等。程序中非粘结 层假设为弹性材料。 于+ 【g + 鱼+ 鱼矿+ g i g 3t ：2 g , 童+ 2 g 1 g 3e 砚仍协。仍协 式中：t 偏应力张量； e ，偏应变张量： g 。弹簧常数； 在国内，许多研究者也对沥青路面的车辙进行了研究。朱永灵、林绣贤应用 线性粘弹性理论研究沥青路面的永久变形。邓学均、黄晓明等针对沥青路面车辙 进行环道试验研究，提出了不同保证率下的车辙预估模型n9 。张登良等通过试验 第一章绪论 对高等级公路沥青路面车辙进行研究，以粘弹性层状体系理论和流变模型为基 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n 4 l 。 同济大学徐世法在前人成果基础上通过对沥青混凝土蠕变试验的研究又提 出了一个更能准确反映沥青混合料受力变形特性的流变学模型四单元五参 数模型例。结合沥青混合料变形性能及b u r g e r s 模型性能缺陷的分析，对之进行 了修正，并提出了新的模型。考虑到沥青混合料的“固结效应 ，将b u r g e r s 模 型中表征材料粘性流动变形的外部粘壶元件扩展为广义粘壶，且使其粘度为： 吼( f ) = a e 廓 相应地：= 0 0 ( 1 一e 啦) a b 式中：n 。( t ) 新模型中外部粘壶元件的粘度； a ，b 外部粘壶元件的粘度参数； 卜加载时间； oo - _ 应力； p _ r l 。( t ) 所表征的粘性流动应变。 由上式可见n 。( t ) 随加载时间而增大，而由q 。( t ) 所表征的粘性流动应 变。的增量随加载时间而减小。当加载时间为无限长时，应变增量为零，应变 趋于定值而不是无穷大。由此，这种新模型便有效地表征了沥青混合料的“固结 效应”，从而弥补了b u r g e r s 模型的缺陷。此模型是以粘弹性理论为基础的分 析法预测模型。 东南大学研究生韦苒继承了这一方法并加以修正乜，采用四单元五参数模 型。经过分析得知，四单元五参数模型对应的沥青混合料的卸载变形恢复值与 v a nd e rp o e l 模型表征的沥青混合料卸载变形恢复值相等，从而采用四单元五 参数模型和v a nd e rp o e l 模型分别模拟沥青混合料加载变形过程和卸载变形恢 复过程，运用粘弹性有限元法进行车辙计算。 纵观国内外有关沥青路面车辙预估的方法可以看出，在现阶段普遍采用的多 层弹性体系的解析方法求解道路结构的应力、应变、变形，分析沥青路面有很大 的局限性。因为，它必须假设材料为线弹性或一些非常简单的非线性。虽然人们 可以通过大量的试验数据描述材料物理性质的复杂本构关系，但由于解析手段的 限制，这些本构关系难以在路面的结构分析中使用。只有通过研究车辙本身的形 成机理和过程并根据实际路面加载条件，使用数值方法预估材料的永久变形能力 才是工程中切实可行的途径。 很多基于b u r n i s t e r 多层弹性模型的计算软件己经开发出来，壳牌公司开发 第一章绪论 1 4 的b i s a r 程序( 1 9 7 3 年) 不但能考虑竖向加载而且能考虑水平加载，。但是该软件 也是基于多层弹性理论，不能考虑材料的非线性。多层弹性理论的缺点是假定各 层材料是各向同性的，因而不能分析路面材料的非线性性质。然而对于路面车辙 而言，正是由于沥青混合料粘性变形的不可恢复性造成了路面的永久变形。这一 特性是弹性理论无法分析的，因而此类软件不能对车辙进行预估。相形之下，有 限元方法可以突破上述限制，研究实际路面结构在重载作用下的响应，考虑材料 非线性，荷载变化对路面结构的影响，从而正确模拟沥青混合料在不同温度下的 材料特性，更好的指导路面结构的设计，对于车辙预估能够取得较为满意的结果。 随着计算机技术的高速发展，运用有限元程序如a n s y s 等来预测车辙深度更 为现实和经济，且使用有限元法可模拟整个车辙区域，更加合理。 总体来说，如今在车辙预估方面的研究主要有以下一些特点： ( 1 ) 主要应用层应变法和粘弹性理论法来预估沥青路面的车辙； ( 2 ) 统计法建立的预估模型，由于没考虑路面的整体效应及自身的局限性， 因此难以推广； ( 3 ) 理论统计法比统计法要好，因为它考虑了路面的整体效应，但所用力 学理论不尽合理，有些模型参数确定较困难，未得到广泛应用； ( 4 ) 作为相对较为完善的分析方法。使用粘弹性理论预估沥青路面车辙要 比层应变法预估结果精确，使用非线性粘弹性理论预估要比线性粘弹性理论精 确； ( 5 ) 层应变法不能精确地预估车辙，是因为使用了线弹性理论； ( 6 ) 在车辙预估时既要考虑加密，又要考虑轮迹边缘的剪切流动，结果才 能更为精确； ( 7 ) 在现有的粘弹性预估模型中，没有考虑骨料对沥青混合料粘弹特性的 影响及车辙预估结果的影响是不足的； ( 8 ) 使用有限元法可以克服层状理论的缺点。有限元法能正确地决定路面 的应力状态，考虑车辙的整个区域，是路面车辙预估的一个发展方向； ( 9 ) 随着在车辙预估模型中引入粘弹塑性理论，运用有限元分析工具，国 内外对车辙预估的研究正朝着通用、高精度的方向发展。 综上所述，车辙的预估方法的发展经历了这些过程。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 解析解向着有限元数值分析的方法上发展。 第一章绪论1 5 1 6 本文主要研究内容 1 6 1 研究内容 l 、厚车辙板试件的单轴贯入蠕变试验方法的提出； 2 、单轴贯入蠕变试验力学状态分析： 3 、单轴贯入蠕变试验研究； 4 、环道永久变形数值模拟； 5 、野外实体道路车辙预估。 1 6 2 研究方法 1 、在对高温蠕变试验方法研究的基础上提出了采用厚车辙板试件进行单轴 贯入蠕变试验的设想，其目的是应用现有的、简单的试验设备对沥青混合料在高 温、重载条件下的粘弹特性进行研究； 2 、应用有限元方法对单轴贯入蠕变试验模型和试验路中的不同路面结构， 在不同荷载大小作用下的力学响应比较分析，证明了单轴贯入蠕变试验和单轴贯 入蠕变试验参数是合理的；由单轴贯入蠕变试验现象进一步说明，合理的单轴贯 入蠕变试验是解决单轴蠕变试验不足的有效试验方法； 3 、从沥青混合料粘弹特性入手对单轴贯入蠕变试验进行研究，发现单轴贯 入蠕变试验可以解决单轴蠕变试验对试验温度和荷载大小的限制；单轴贯入蠕变 试验比单轴蠕变试验更准确、更稳定的反映了沥青混合料的粘弹特性； 4 、将单轴贯入蠕变试验得到的蠕变参数，代入能够模拟沥青路面蠕变现象 的有限元模型中，对环道试验中的柔性基层沥青路面车辙进行数值模拟。通过对 计算结果和环道实测结果相比较，进而验证单轴贯入蠕变试验的实用性和适用 性，为应用有限元方法对实体道路车辙预估提供依据； 5 、采用单轴贯入蠕变试验和有限元方法对昆安高速公路进行车辙预估。 第二章沥青混合料高温蠕变试验方法研究 1 6 第二章沥青混合料高温蠕变试验方法研究 用于沥青混合料高温性能的蠕变试验方法包括，试验室圆柱试件的单轴静 载、动载、重复蠕变试验，三轴静载、动载、重复蠕变试验，径向静载、动载、 重复蠕变试验，弯曲静载、动载、重复蠕变试验，扭转剪切蠕变试验。静载通常 指对试件进行恒定应力加载；动载通常指对试件连续施加正弦波形应力；重复加 载通常指对试件施加间歇式的正弦或梯形波应力。 单轴静载蠕变试验是其中最简单、最实用的方法，且试验设备相对简单，因 此被广泛使用瞳习。但是由于单轴静载蠕变试验不能体现混合料的侧向约束作用， 一方面使其不能较好的反应粗级