（道路与铁道工程专业论文）重载和高温下沥青路面罩面结构的力学分析.pdf

摘要 沥青路面是我国高等级公路路面结构的主要形式之一，随着重载交通的出现 与形成，沥青路面早期破坏现象愈来愈普遍，重载和外界环境己成为影响路面服 务性能和缩短路面使用寿命的重要因素。为此，本论文从具体路面状况和理论分 析两方面入手，对常温和高温重载沥青路面进行结构分析。 论文首先就京珠高速广韶段罩面工程实验段的路面状况调查结果，对各种路 面病害的原因进行了分析。其次，以商业软件a n s y s 为计算工具，应用弹性理 论，对常温和高温重载沥青路面进行了数值仿真分析，研究了路面结构在双轮车 辆荷载作用下的力学响应，分析讨论了超重荷载、高温和重载耦合作用对沥青路 面的应力、应变和承载能力等方面的影响，同时探讨了常温和高温情况下不同超 载量对路面关键响应的变化规律。最后，对实验路罩面层和修复层的沥青混合料 进行了配合比设计，并提出施工技术要求，试验路铺设后进行了各项指标的检测。 论文研究结果表明：超载运输和外界环境是导致路面损坏的主要外因；重 载交通使路面关键响应增大，使路面的损坏过程加快、损坏程度加深，高温的作 用使路面的损坏进一步加快，制约着路面的使用性能和使用寿命，这两者都是路 面损坏的内因。在保证沥青混合料生产能力、出料温度、运输和摊铺都满足施工 要求的情况下，沥青混合料压实是保证沥青路面具有优良抗车辙、抗水损性能与 耐久性的关键工序。论文的研究成果对路面罩面结构设计、公路管理及养护维修 具有指导意义，为今后常温和高温重载交通沥青路面设计提供了一些可供参考的 有价值的思路。 关键词：罩面重载交通高温路况调查数值仿真分析耦合配合比设计 a bs t r a c t a s p h a l tp a v e m e n ti so n eo ft h ep r i m a r ys t r u c t u r e sf o rm a i nr o a d si nc h i n a a l o n gw i t ht h ea p p e a r i n ga n df o r m i n go ft h eh e a v y l o a d e dt r a f f i ci nr e c e n ty e a r s ，t h e p r e m a t u r ef a i l u r eo fa s p h a l tp a v e m e n t si sb e c o m i n gm o r ea n dm o r ew i d e s p r e a d c o n s e q u e n t l y , o v e rl o a d i n ga n de n v i r o n m e n th a sb e c o m eo n eo ft h ek e yf a c t o r s w h i c hi n f l u e n c et h ei n s e r v i v ep e r f o r m a n c eo fp a v e m e n t sa n ds h o r t e nt h en a t u r a l l i f e o fp a v e m e n t t h e r e f o r e ，t h es t r u c t u r a l a n a l y s i so fn o r m a la n dh i g ht e m p e r a t u r e h e a v y l o a d e da s p h a l tp a v e m e n th a v eb e e nc o n d u c t e do nt w oa s p e c t sa b o u ts p e c i f i c p a v e m e n tc o n d i t i o n sa n dt h e o r e t i c a la n a l y s i si nt h i st h e s i s i n t h i st h e s i s ，f i r s t l y , b a s e do nt h ei n v e s t i g a t i o nr e s u l t so fp a v e m e n ts t a t u so f h i g h w a yp a v e m e n ts t r u c t u r e si nt h es u r f a c e c o v e r i n gp r o j e c to fg u a n g s h a os e c t i o n o fj i n g z h uh i g h w a y st e s t s e c t i o n ，t h e c a u s e so fp a v e m e n td e t e r i o r a t i o n sw e r e a n a l y s e d s e c o n d l y , n u m e r i c a l s i m u l a t i o na n a l y s i sa b o u th e a v y - l o a d e d a s p h a l t p a v e m e n tw a sp e r f o r m e n du s i n ge l a s t i ct h e o t i e sw i t hc o m m e r c i a lf i n i t ee l e m e n t a n a l y s i ss o f t w a r e - a n s y s a n dt h ei n f l u e n c e so nt h ea s p h a l tp a v e m e n t ，s u c ha st h e s t r e s s ，t h es t r a i n ，t h ec a r r y i n g - c a p a c i t ya n ds oo n ，b yt h ef a c t o r sa b o u to v e r - l o d i n g s t h ec o u p l i n ga c t i o no fh i g ht e m p e r a t u r eo v e r - l o d i n g s ，w e r ea n a l y s e da n dd i s c u s s e d a tt h es a m et i m e ，t h ec h a n g e dc h a r a c t e r so fk e yr e s p o n s e so fp a v e m e n tw h i c h c o n d u c t e db yt h en o r m a la n dh i g ht e m p e r a t u r el o a d s ，w h i c hp r e p o n d e r a t e do v e rt h e a l l o w a b l ew e i g h t ，w e r ed i s c u s s e dt o o f i n a l l y ，t h em i xd e s i g no fa s p h a l tm i x t u r e sh a s b e e no no v e r l a y sa n dr e p a i r i n gl a y e r si nt e s ts e c t i o n a c c o r d i n gt ot h ed e s i g n ，t h e c o n s t r u c t i o n so ft e c h n i c a lr e q u i r e m e n t sw e r ep u tf o r w a r d a f t e rl a y i n gt h et e s tr o a d ， a l lt h ei n d e x e sh a v eb e e nd e t e c t e d t h er e s u l t ss h o wt h a to v e r l o d i n g sa n de n v i r o n m e n tc o n d i t i o nb et h ee x t e r i o r f a c t o r si nt h ed e v e l o p m e n to fp a v e m e n td e t e r i o r a t i o n s h e a v y l o a d e dt r a f f i cc a nb e b r o u g h to ni n c r e a s i n gc r i t i c a lr e s p o n s e so fp a v e m e n t ，a c c e l e r a t i n gt h ep r o c e s so f p a v e m e n td e t e r i o r a t i o n sa n dm a k i n gt h ed e t e r i o r a t i o nd e g r e ed e e p e r t h eh i g h e r t e m p e r a t u r e ，t h ed e e p e rd e t e r i o r a t i o n ，b o t ht h ea b o v et w of a c t o r sa r et h ei n t e r i o r f a c t o r si nt h ef o r m a t i o no fp a v e m e n td i l a p i d a t i o n s u n d e rt h es i t u a t i o no ft h ea s p h a l t m i x t u r ep r o d u c t i v i t y , d i s c h a r g et e m p e r a t u r e ，t r a n s p o r t a t i o na n dp a v i n ga r es a t i s i f i e d t ot h ec o n s t r u c t i o nt e c h n o l o g y , t h ec o m p a c t i o ni st h ek e yp r o c e s sf o rt h es a k eo ft h e s u p e r i o ra n t i r u t t i n gc a p a b i l i t y , m o i s t u r ed a m a g er e s i s t a n c ec a p a b i l i t ya n dd u r a b i l i t y o ft h ea s p h a l tp a v e m e n t m a jo rc o n c l u s i o n sd r a w nf r o mt h i ss t u d yc a nb eb e n e f i c i a l h t ot h eo v e r l a ys t r u c t u r a ld e s i g n ，s u p e r v i s i o n ，m a i n t e n a n c e ，a n dr e h a b i l i t a t i o no f p a v e m e n t sf o rr o a d s a n do f f e rs o m eu s e f u lt h o u g h t w a y s ，w h i c ha r er e f e r e n c e da n d v a l u a b l ef o rn o r m a la n dh i g ht e m p e r a t u r eh e a v y l o a d e da s p h a l tp a v e m e n td e s i g ni n f u t u r e k e yw o r d s ：o v e r l a y ；h e a v y - l o a d e dt r a f f i c ；h i g ht e m p e r a t u r e ；i n v e s t i g a t i o no f p a v e m e n ts t a t u s ； n u m e r i c a ls i m u l a t i o na n a l y s i s ； c o u p l e ； m i xd e s i g n 珏l 长沙理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研 究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集 体已经发表或撰写的成果作品。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后果由本人承担。 作者签名：壤壮日期：排罗月f 7 日 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。 本人授权长沙理工大学可以将本学位论文的全部或部分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。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“ ) 作者签名： 导师签 日期：游坚月，7 日 日期：w 年孓月f 7 日 1 1 问题的提出 第一章概述 沥青混凝土路面具有行车平稳、舒适、噪声低、维修养护方便、可以再生利 用等优点，在各类公路和城市道路中得以广泛应用。 公路建设有力地带动了沿线经济的发展，同时也使交通运输结构发生了深刻 的变化。路政资料表明，汽车运输不仅是交通量增长快，而且轴载质量也显著增 大，重载车辆，特别是大幅度超限运输车辆日益显著增加。我国载货车辆的轮胎， 对路面的压强一般控制在0 7 m p a 以内，但是检测发现，我国目前检测到的超载 车辆，对路面的轮胎压强高达1 2 m p a ，超过飞机降落时对地面的冲击压强。科 研人员研究后发现，当汽车轴载超过标准轴载一倍时，行驶公路一次相当于标准 车辆行驶沥清路面2 5 6 次，行驶水泥混凝土路面6 5 5 3 6 次。目前，我国监测到车 辆最大单后轴载重量达2 4 吨，这种车辆行驶水泥公路一次，相当于标准车辆行 驶1 2 1 万次1 1 1 。据吉林省公路管理局统计，2 0 0 0 年省高速公路通行的7 3 9 万辆 货车中有8 0 超限超载，载重量超过一倍以上的占9 0 以上，超载3 0 0 4 0 0 者也不少见。核载5 吨的货车，以装到2 0 吨；核载1 0 吨的货车，多的装到5 8 吨。各类车型中，单轴平均超载4 7 ，双联轴平均超载7 3 5 ，整车平均超载 5 0 ，最大单轴重4 2 吨，最大整车重1 0 6 吨。最大超载车为中型货车，其实际 载重为核定载重的6 2 5 倍1 2 j 。广东省省道s 1 1 9 线惠州段从龙门往增城方向的货 车超载现象非常严重，其中中型载重车和全挂车超载现象更是高达9 0 t 列；治 超部门于2 0 0 5 年9 月6 日对1 0 1 国道某段的货运车辆进行了不同时间段、不同 地点的检测。在检测的5 7 辆车中，3 轴车共检测2 0 辆，超载18 辆，超载车 辆占9 0 ；4 轴车共检测18 辆，超载1 6 辆，超载车辆占8 9 ；5 轴车共检测 1 3 辆，超载l3 辆，超载车辆占1 0 0 ；6 轴车共检测6 辆，超载6 辆，超载车 辆占1 0 0 t 4 1 。 另外，在南方高温季节，高速公路行车道上的轮迹带承受着大量重车的反复 作用，沥青混合料在高温时的强度不足以抵抗重轮荷载的反复作用，轮下的沥青 混合料产生剪切变形而侧向流动，轮迹带变形下凹、两侧逐渐鼓起，形成槽形的 车辙。气温在2 5 以上，路表温度在4 0 以上时，是沥青路面产生车辙的重要 外部条件。有试验资料表明：路表温度在4 0 - 6 0 之间时，沥青混合料温度 每上升5 其变形增加2 倍1 5 j ；京珠高速公路翁城至佛冈段经过二年通车营运， 由于夏季持续长时间高温天气影响及过多超重载车辆的行走，主车道出现严重的 车辙和坑槽等病害【6 1 ；环境温度对沥青混合料的高温稳定性有显著的影响，特别 是当路面温度达到沥青软化点附近时沥青混合料的动稳定度将出现大幅度下降 【7 1 。近年来，陕西省修筑的几条高速公路均不同程度出现了较严重的车撤，有些 路段通车的第一个高温期就产生深度为1 0 5 0 r a m 的车辙，有的甚至达 1 0 0 m m 8 l 。因此，高温也是沥青路面发生破坏的一个极其重要的因素。 交通状况的这些显著变化给沥青路面带来了严峻考验，致使路面产生不同程 度的早期破坏。比如沥青路面的车辙、坑槽、龟裂、翻浆、沉陷等病害；水泥混 凝土路面板裂缝、错台、断裂等病害，对公路的使用寿命、服务水平、行车安全、 运行效益、环境保护和公路管理等方面均产生很大影响。另外目前我国绝大多数 收费系统是以货车额定载货质量和客车座位数来进行车辆分类的。收费标准本身 就有不合理的成分，致使很多客、货车车主或运输公司抓住这一不合理的成分进 行超限运输，从而加速了路面的早期损坏，缩短的路面的使用寿命。 随着路龄的增长路面逐渐产生各种破坏，最终需要作某些处理，为使用者提 供安全和适用的条件。根据实际情况，处理的方法可以多种多样：从小修保养到 大修补强，直至彻底重建。当沥青路面结构承载力不能满足行车荷载的要求或表 面损坏严重，采用一般养护技术措施在经济上不合理时，对沥青路面进行罩面改 建可恢复其结构承载力。随着我国高等级公路建设的迅速发展，养护任务也日趋 繁重。如何采取经济有效的技术措施来保证路面的正常使用性能，延长路面的使 用寿命，将是我国公路建设和管理工作所面临的重要问题之一。因此，通过分析 重载及高温和重载耦合作用下沥青路面罩面层的受力状况，从而对罩面结构的设 计方法提供理论依据，这不仅具有一定的理论意义，而且具有重要的实用价值。 1 2 研究现状 1 2 1 路面结构力学的解析法 t 路面力学计算是路面设计的理论基础，它综合应用弹性力学、材料力学和粘 弹性力学等知识解算路面多层体系内的应力、应变和位移，并验算路面的结构强 度。由于路面体系在构造上比较复杂，再加上材料的非弹性性质，在解算它的内 力时会遇到许多数学和力学上的困难。而目前被公认可行的方法是：采用某些假 设，或忽略某些因素，使路面体系内的力学模型得到简化，从而获得理论解答， 再通过各种实验手段对理论结果加以修正，取得理论与实践的统一。随着快速大 型电子计算机的应用以及现代数学和力学的发展，现在人们可以建立愈来愈完善 的力学模型，从而也可得到更接近于实际的理论解答。因此，现代路面设计理论 愈来愈从半经验半理论性过渡到更具有理论性，但最终仍然免不了作必要的实验 修正f 9 1 10 1 。 1 2 1 1 早期的路面结构力学分析方法【9 1 【1 1 1 早在1 9 世纪末，可以适用于路面设计的某些力学理论已经得到发展，其中 2 较为突出的有1 8 8 4 年赫兹( h h e r t z ) 提出的液体支承板，1 8 8 5 年布辛尼斯克( j b o u s s i n e s q ) 提出的半空间弹性课题，它们在本世纪5 0 年代的路面设计中都得到 了广泛的应用。 一古典应力分析以简单的静力平衡原理为基础。它假定汽车轮载是集中荷载或 圆形均布荷载，以某一分布角度通过路面传递到路基，如荷载的单位压力满足路 基顶面的容许承载力的要求，即达到静态平衡，也依此进行路面结构设计。1 9 0 1 年，美国麻省道路委员会第八次年会上发表了世界上第一个路面设计公式。它假 定汽车是一个集中荷载p ，荷载以4 5 。通过碎石基层分布于边长为碎石层厚2 倍的正方形面积的土基上。1 9 3 3 年，d o w n s 对麻省公式进行修正，认为荷载在 路面层内的传布与垂直方向成某一分布角。的圆锥上，所以传到路基的顶面时， 压力分布于一个圆形的面积上而不是正方形，但他仍假定汽车荷载为集中荷载。 1 9 3 4 年，g r a y 认为由于汽车荷载轮胎接触路面为一个面积，所以不应当假定汽 车荷载为集中荷载，而应当假定汽车荷载为圆形均布荷载。 古典公式如图1 1 、图1 2 所示。 图1 1 古典应力示意图图1 2 古典公式改进 这些古典应力公式是假定路面只起分布荷载的作用，采用简单的分布角的概 念，这种朴素思想的路面力学理论存在以下问题：从各公式得知，路面厚度主 要取决于土基承载力的大小，也就是土基强度的问题，但是在当时没有提出土基 参数的测定问题；古典应力公式以轮载作为交通荷载，未能反映交通量的因素， 这在当时轻交通时代可能矛盾不突出，但随着交通的发展，不考虑交通量是无法 使用的。解决的办法就是在土基承载力取值上应根据交通量的大小采取不同的安 全系数。 在2 0 世纪初期出现水泥混凝土路面后，就遇到了如何估算路面板厚度的问 题。最初并没有采用赫兹理论，而是由欧尔德( c o l d e r ) 和歌德贝克( a t g o l d b e e k ) 在1 9 2 0 年根据水泥混凝土路面板角隅断裂的观察结果，欧尔德【1 2 】再根据材料力 学原理，假定地基脱空，板是悬臂变截面梁，于是便提出了早期的荷载应力计算 公式一欧尔德公式。即： 3 tl；li1il土 0 = 箕 ( 1 1 ) = 一 1 1 ) h 式中：p 一车轮薪载；0 一混凝路悉叛顶产生豹拉应力；h 一路面板厚度。 威斯特卡德1 ( h m s w e s t e r g a a r d ) 于1 9 2 5 年最先运用温克勒( e w i n k l e r ) j 氇 基上无限大板或无限大弹性地基薄板模型，推导了由于荷载作用引起的混凝土板 荷载应力公式。威斯特卡德研究了三种典型临界街载位置下的板的最大挠度和最 大应力。这三种荷载位置为板中( 圈1 2 荷位1 ) 、扳边( 圈1 2 荷位2 ) 、板角( 图 1 2 荷位3 ) 。由板的挠曲面微分方程及温克勒地基假定可得应力分析的理论公式。 即： 譬瓴力= k w ( x ，力( 董2 ) 式中：k 一地基反映模量。 之后，威氏公式经过多次修正和理论上的 不甑完善，直到现在仍然广泛应用予许多国家 的刚性路面设计的实践巾。在1 8 8 2 - - 1 8 8 8 年， 赛路蒂( c e r r u t i ) 提出了在单个集中水平力作用 下的均质弹性半空间体内应力和位移计算的理 论解1 9 1 6 年日本学者寺泽宽- - ( k 。t e r a s a w a ) 对 在轴对称荷载作用下的半空间体，采用贝塞尔圈1 2 薄板模型 ( b e s s e l ) 函数法求出了应力和位移计算的完整表达式。这些研究结果在后来的路 面设计研究中得到了进一步魄发展，并曾得到了广泛的应用。 1 2 1 。2 沥青路面层状体系理论分析方法 ， 路面是由各种不同材料，按一定厚度和宽度分层铺筑在路基顶面上的结构 物。沥青路面是由具有粘性、弹塑性的沥青结合料和颗粒矿料组成的路谣，往往 修筑成多层体系。它的力学特点是各结构层具有一定的塑性，弯沉变形较大，抗 弯拉强度较小，主要依靠抗压、抗剪强度来抵抗车辆荷载的作用，它的破坏主要 取决于荷载作用下的垂童位移和水平拉应交( 力) ，基的刚度和稳定性对路面结 构整体强度和刚度有较大的影响| k 】。 1 国外的研究 ( 1 ) 弹性层状体系对于多层弹性体系，为了获得其应力廒变的理论解，一般 要作如下一些假定：l 。每层材料特性是均质的：i i 除更下的层外，每层都有一 定厚度，其在水平方向上是无限的；每层都是各向同性的，即在特定的点的 特性在每个方向和方位上都是相同的；在上层表面作用的荷载可以是轴对称 荷载，也可以是非轴对称荷载，萄载的分布形式能够用解析表达式来描述；v 。 在荷载幸乍用下，水平方向无限远处和竖直方向无限深处的应力和位移都等于零； 层间的接触条件可以是完全连续，也可以是完全光滑，层问的接触面上不传 4 递剪力【1 5 】1 1 6 1 。 在分析理想状态中的应力、应变和弯沉中，最早由布辛尼斯克( j b o u s s i n e s q ) 创立了均质各向同性及弹性介质表面点荷载的布辛尼斯克公式。山本( s a n b o r n ) 和约德( y o d e r ) 提出了在布辛尼斯克固体中，应力和弯沉的图解法。f o s t e r 和 a h l v i n 提出了圆形荷载板的垂直应力、水平应力和垂直弹性应变的计算值，其 数值是以i i = 0 5 展开的。这些研究成果后来由a h l v i n 和u l e r y 加以整理，进一 步扩大为求解任一泊桑比的均质体内任一点的应力、应变和弯沉的完整模式【l5 1 。 沥青路面通常是多层体系。因此在研究沥青路面设计方法时，较为理想的力 学模型应当是层状体系理论。它较弹性半空间理论更能反映沥青路面的实际工作 状况。现代理论分析设计法是以波米斯特( d m b u r m i s t e r ) 1 9 4 3 年发表的双层体 系理论解析解为起始的【l7 1 。在波米斯特1 9 4 3 年的论著发表之后他于1 9 4 5 年又 提出了三层弹性体系理论【1 8 j 。1 9 6 2 年琼斯( a j o n e s ) 和皮蒂( k r p e a t t i e ) 发表了三层体系实用图表【1 9 】，1 9 6 7 年v e r s t r a e t e n 研究了多层弹性体系数值解的 一般方法，他考虑的圆形均布荷载集度的形式为垂向均布、切向均布和均布向内 等几种情况【2 们。这些理论研究成果为理论解析设计法奠定了坚实的基础。 随着计算机技术、力学理论及数值计算方法的迅速发展，人们己能编制出n 层弹性体系的计算机程序，求算n 层体系内任意点的应力和位移值。在美国有 e l s y m 和c h e v - 5 l 程序；在荷兰有b i s a r 程序；在澳大利亚有g c p 1 和 m e c d e 1 程序，此外还有法国的a l i z e 程序、英国的l r 6 0 0 程序等【9 “1 0 1 【2 。 对于路面材料的非线性特性，国内外均非常重视。第二届沥青路面结构设计 国际会议发表了多篇弹性层状理论验证的文章，在大量室内和现场应力应变的实 测中，b r o w n 等( 1 9 6 7 ) 发现土基和粒料层的模量很难确定，模量值随着应力水平 的变化而变化，即它们之间有相互依赖的关系。以后，t h r o w e r 等( 1 9 7 2 ) 对不同 轮载大小，不同运行速度和不同温度条件下真实路面的响应进行了实测，结果表 明，在高温以及路面的刚度大部分取决于无结合料层时，实测值与理论值相差较 大，其原因是难以确定高温时沥青混合料的动态模量，粒料层材料明显的非线性 应力应变关系也难以用正确的本构方程进行描述【l 们。在s h e l l 设计法中土基的 模量是采用动力试验测定的动态模量。此外，它将沥青混合料的模量与沥青的劲 度模量及材料组合之间建立了定量关系【1 1 1 。 以上这些方法，从本质上说都是把材料的非线性在一定的应力水平上当作线 性弹性处理，并通过实验加以修正。这种处理方法在一定程度上反应了材料的实 。际工作状态，但是其应用是有一定局限的。 一些学者探讨了应用线弹性理论分析非线性弹性问题的方法。f f i n n 等 ( 1 9 7 7 ) 改进了c h e v - 5 l 线弹性程序，使之可以考虑材料的非线性性质，应用该 程序计算得到的应力、应变和弯沉等力学响应作为输入，得到疲劳开裂和永久变 形的预估模型，形成了一个路面设计和使用性能预估的系统的方法。在三轴试验 的基础上，他们得出了粒料层应力依赖性方程m ，= k 1 0 k 2 ，以及土基的应力依赖 性方程m ，= 毛盯：z 2 2 】。黄仰贤【2 3 】编制的k e n l a y e r 程序也能应用迭代的方法考 虑材料的非线性。j e a n b a l a y 等( 1 9 9 7 ) 2 4 】利用循环三轴试验，研究了在不同围压 下无粘结颗粒材料u g m ( u n b o u n dg r a n u l a rm a t e r i a l ) 和地基的本构关系，并验 证和完善了b o y e e ( 1 9 7 6 、1 9 8 0 ) 提出的非线性的k g 模型。 ( 2 ) 多层粘弹性体系【l o 】【1 1 】【2 3 】【2 5 l 沥青路面设计理论近二十年来迅速发展的主 要标志：一是层状体系理论和计算方法的深入研究，并将其成果应用到路面设计 中去；二是对路面结构进行深入研究，进一步揭示了其物理力学性质，为路面结 构设计提供了强度标准和参数。 由于沥青混合料中所含沥青具有依赖于温度和加荷时间的粘一弹性性状，沥 青路面在荷载作用下的变形也具有随温度和荷载作用时间而变的特性。因此，一 些研究者将流变学理论应用于路面力学性质的研究。常用的流变模型有： m a x w e l l 模型、k e l v i n 模型、j e f f r e y s 模型、v a nd ep o e l 模型及b u r g e r s 模型等。 由于力学理论和数学计算工具的发展，到了2 0 世纪5 0 年代，开始展开了对 层状路面体系的粘弹性分析。1 9 5 5 年，e h l e e 首先发表了粘弹性体的应力 分析一文，提出了一般粘弹性材料的分析方法。6 0 年代m o n i s m i t h 等人利用 流变学的观点研究了沥青混凝土和层状体系的粘弹性工作性质，论证了某些粘弹 性模型的正确性。黄仰贤( y h h u a n g ，1 9 6 7 ) 利用l a p l a c e 变换，把弹性静力常 数替换成与时间有关的常数，而后反演得出结构的粘弹性解。同时h u a n g 还分 别探讨了用l a p l a c e 变化法和拟合的近似方法等两种不同方法求解二层体系和四 层体系的应力和位移。7 0 年代又有许多研究者发表了该理论在柔性路面设计中 的应用文章，提出了路面设计体系，如f p s ，s a m p ，c p a c ，v e s t r a ，v e s y s 等。在这些体系中，路面设计不仅包括路面结构和路面厚度，而且也包括路面使 用性能预测、维修养护计划、路面寿命预测、费用计划等各项因素。8 0 年代又 对这些体系作了改进，提出了v e s y s i v 、a g ip 等模型，使粘弹性体系理论的 研究开始走上实际应用的轨道。a g i p ( 1 9 8 2 ) 粘弹性程序采用m a x w e l l 流变模型， 可以计算三层体系，上层为粘弹性，中层和下层为线弹性，利用h a n k e l 变换和 b e s s e l 函数求解。进入9 0 年代以后，许多学者继续完善和深化了对路面粘弹性 体系的研究。1 9 9 2 年和1 9 9 7 年h o p m a ne ta 1 利用对应原理发展了一个多层线性 粘弹性体系的程序v e r o a d ，这个模型采用了b u r g e r s 流变模型，可以考虑圆形 的垂向和水平荷载。h u a n g ( 19 9 3 ) 发表的k e n l a y e r 程序可以计算单圆或多圆垂 向均布荷载，沥青混凝土层可考虑为线弹性或线性粘弹性，粒料层和土基的非线 性通过细分各层，采用迭代法进行处理。 2 国内的研究 6 ( 1 ) 弹性层状体系1 9 6 2 年前后，为了建立柔性路面设计的理论基础，国内对 层状弹性体系理论积极开展研究工作。1 9 6 4 年，朱照宏教授利用轴对称洛甫位 移函数求得双层和三层弹性体系在单圆均布垂直荷载作用下的应力和位移分量 表达式；吴晋伟高级工程师根据轴对称苏斯威尔位移函数也导出双层和三层弹性 体系在单圆均布垂直荷载作用下的应力和位移分量解析解。1 9 7 3 年左右，郭大 智教授采用非轴对称洛甫位移函数得到双层和三层弹性体系在单圆均布单向水 平荷载作用下的应力和位移分量理论解。这些研究成果为我国进一步的研究打下 了良好的基础【z 引。 。 随着高等级路面层数的增加，与之相应的多层弹性体系理论分析方法也得到 了进一步的发展。主要有：吴晋伟高级工程师提出的“反力递推法”、郭大智教 授提出的“系数递推法”、王凯教授提出的“递推回代法”。这三种解法均优于。矩 阵解法”1 2 6 1 。李朝阳( 2 7 】于1 9 9 8 年采用分析综合法与分离变量法建立了弹性三层 体系应力位移显式模型，所求得的应力位移逼近公式完全可推广应用于多层体 系。孙璐等( 1 9 9 8 ) 1 2 8 l 通过有限弹性层状体系理论，并利用回归分析的方法，对柔 性路面中层底面弯拉应力进行了计算分析；查旭东( 2 0 0 0 ) t 2 9 】根据弹性层状体系 理论，采用三层双并联前向神经网络( d p f n n ) ，研究了沥青路面结构四层体系理 论弯沉的拟合计算问题；凌建明等( 2 0 0 2 ) 3 0 】依据弹性层状体系理论计算了行车荷 载作用下路基顶面及路基土中的竖向应力，建立了路基附加应力的动力模式；严 二虎等( 2 0 0 4 ) 3 1 】利用弹性层状体系理论计算了在不同层问条件下的半刚性沥青 路面沥青层中的剪应力、拉应力分布情况及路表弯沉值，分析了基层与沥青层之 间由于层间界面条件变化引起的路面结构受力状态的变化；高建红( 2 0 0 6 ) t 3 2 】以弹 性层状理论模型为基础，采用软件分析轮载作用下沥青路面的弯沉分布状况，研 究弯拉应力的变化规律：杨国良等( 2 0 0 7 ) t 3 3 】基于层状弹性体系理论，由路面结构 的路表变形响应反算沥青面层的弹性模量。 我国对弹性层状体系理论的研究成果在实践中的应用，集中体现在对柔性路 面设计方法的不断改进和完善。自建国以来，共提出过1 9 5 8 年、1 9 6 6 年、1 9 7 8 年、1 9 8 7 年、1 9 9 7 年、2 0 0 6 年五个版本，日前研究工作仍在继续深入开展之中。 现行的沥青路面设计规范( 2 0 0 6 版) 采用双圆均布垂直荷载作用下的弹性层状连 续体系理论进行设计 3 4 1 1 3 s 1 1 3 6 l 。 随着高等级路面的修建，非线性分析也越来越受到人们的重视。王选仓等人 ( 1 9 9 7 ) y 7 1 采用线性和非线性分析方法对重载下沥青路面弯沉、弯拉应力进行了对 比分析。重庆交通学院的何兆益等人( 1 9 9 7 ) t 3 8 l 在考虑碎石基层非线性特性的基础 上，采用弹性多层体系迭代方法分析了具有碎石上基层的半刚性沥青路面路表弯 沉、面层底面及半刚性基层底面弯拉应力，建立了路面结构层厚度与路面抗疲劳 寿命的关系。当然，更多学者采用有限元法来进行非线性特性分析，这一点在下 7 面的有限元法的研究现状中作了较为详细的阐述。 f 2 ) 多层粘弹性体系在国内，从八十年代方开始把沥青路面看作多层粘弹性 体系来进行研究。严作人【3 卅在1 9 8 7 年发表了可考虑四种粘弹性模型的粘弹性半 空闻的力学分析的文章后，又于1 9 8 8 年发表了n 层粘弹性体系在圆形均布垂向 和水平荷载作用下的应力和位移的计算方法，可以考虑多种粘弹性流变模型，以 此必基础编制了e v 程序。许志鸿等( 1 9 9 2 ) 4 明以弹粘性层状体系理论为基础，采 用l a p l a c e 变换中的初值定理和终值定理求解的方法，结合室内试验及现场量测 ( a l f ) 得到了半刚性基层沥青路睡车辙的简化预估公式。钱国平等( 2 0 0 3 ) 4 l l 利用热粘弹性力学理论和有限元方法，以广义m a x w e l l 模型模拟沥青混合料的 粘弹特性，通过试验研究和理论推导得到其增量型热粘弹性本构关系，建立了环 境条件下沥青路面的温度应力场有限元计算方法。 国内还有一些学者专门从材料的角度研究了沥青混合料的粘弹性介质模型。 李国强等( 1 9 9 7 ) 1 4 2 1 以b u r g e r s 模型为基础，提出了一今四元件菲线性流变模型 ( f n n r ) ，用以描述沥青混合料的蠕变实验的全过程，并给出了模型中各参数与 温度的关系式。关宏信等( 2 0 0 1 ) 4 3 j 弓l 入粘弹性理论，推导了温度荷载作用下的二 维粘弹性有限元格式，并用b u r g e r s 模型模拟沥青混合料的粘弹特性；周志刚教 授等( 2 0 0 5 ) t 4 4 】根据同济大学提出的四单元五参数模型和动蠕变实验推出模型中 的粘弹性参数，导出了模型中五参数与车辙试验动稳定度之闻的关系。封基良等 ( 2 0 0 6 ) 4 5 】以粘弹性力学理论为基础，采用b u r g e r s 模型模拟直接拉伸试验测定沥 青粘结料豹粘弹性特性，提出确定粘弹性参数的非线性模型。 1 2 2 沥青路面的有限元法分析 用解析的方法分析沥青路面难以描述较为复杂的材料物理性质的本构关系， 它只能求解一些较为简单的荷载形式。而实际道路材料的力学性质是非常复杂 的，轮胎接地形式也是复杂多样。有限元数值分析方法的出现为路甄力学分析提 供了一个有力的工具，它能成功地处理如应力分析中的非均质材料、各向异性材 料、j 线性应力一应交关系以及复杂的边界条件等难题。 1 国外的研究 2 0 世纪6 0 年代，有限元法在求解混凝土应力分析方面褥到成功的应用。y k c h e u n g 和o c z i e n k i e w i c z t + 6 j 提出了弹性地基上板体的有限元分析方法， w r h u d s o n ，h m a t l o c k t 47 j 用离散单元法分析了温克勒地基上刚性路面板存在脱 空情况下的应力。6 0 年代以后，有限元法就己逐步在柔性路面结构设计和应力 分析中得到推广和应用。e l w i l s o n 用有限元法对轴对称体的进行了结构分析， 1 9 6 8 年又与j m 。d u n c a n 秘c l 。m o n i s m i t h 一超分析了圆形均布荷载作用下的 弯沉和垂直应力。同时，用于路面结构分析的有限元计算程序的编制逐步展开了。 例如，轴对称有限元程序w i l 6 7 ，有限棱柱法程序a f p a v t l o l 。 3 进入7 0 年代，人们开始考虑非线性有限元法应用于沥青路面力学计算。 j r m o r g a n ( 1 9 7 0 ) 4 8 】和k u e s h i t a ( 1 9 7 2 ) 1 4 9 】等人通过现场实测和线弹性理论计算 了沥青混凝土路面的力学响应，其结果难以描述正确的力学响应状态，其原因主 要是由于材料内在的应力应变非线性引起的。1 9 7 7 年r g h i c k s 和 c l m o n i s m i t h 5 u j 分别用了c h e v s l 程序、f e p a v e 2 程序及f e p a v e 4 程序等三 种非线性计算方法分析了无结合粒料基层上沥青路面的力学响应，并对它们的结 果进行了分析和对比。进入8 0 年代以后，对沥青路面非线性弹性有限元分析方 法逐渐深入，并取得了许多成果。例如，f w 6 l f f ( 1 9 8 2 ) ”】探讨了有限元法在热 带地区沥青混凝土路面设计中的应用。荷兰的s w e e r e ( 1 9 8 7 ) 5 2 】通过重复三轴试 验建立了体积应变和剪切应变的应力依赖方程，并使用了轴对称非线性有限元程 序d a n a 算了粒料基层沥青路面的力学响应。 断裂力学理论与有限元法综合应用于路面力学分析，可以很好地解释路面裂 缝的产生和发展的规律。1 9 7 6 年l u t h e r 等人p 副运用线弹性断裂理论对p c c a c 路面进行了计算、分析及室内试验验证，提出了反射裂缝增长速率的计算模型。 8 0 年代，u z a n 等人( 1 9 8 5 ) p 4 】用有限元方法和断裂力学理论相结合，分析了裂缝 发生的机理。c a s t e l le ta 1 ( 2 0 0 0 ) 5 8 1 在试验中发现，小梁弯曲疲劳试验得出的疲 劳寿命比实际道路的寿命小1 0 10 0 倍，并用二维弹塑性断裂有限元程序 f r a n c 2 d 分析了这两者之间裂缝产生和发展的差异。 路面结构的永久变形是材料的粘弹塑性特性共同作用的结果，用合理的力学 模型模拟路面材料粘弹塑性变形性质，把路面体系看成完全的粘弹塑性结构，用 相应的数学力学手段来求解。h o n o r eg o a c o l o u ( 1 9 8 7 ) t 拍】采用b i n g h a m 体粘塑性 模型，用粘塑性平面应变有限元程序c a s t o r 分析了沥青路面的车辙。g e o f f r e y 等( 1 9 9 7 ) 7 】采用基于粘塑性b i n g h a m 体和v o n m i s e s 屈服条件的层叠模型，利用 二维粘塑性有限元p a c e 程序，分析了沥青混凝土路面的疲劳寿命预估方法，并 利用s h r p 材料试验提出的剪切频率扫描数或预测公式得到粘塑性模型的参数。 有限元法中各种复杂单元形式的发展，使人们能更为全面地模拟路面材料形 式、结构形式及荷载形式，同时使有限元的分析功能日趋强大。h e l w a n y ( 1 9 9 7 ) 5 8 1 分别用二维和三维有限元程序d a c s a r 和n i k e 3 d 验证了有限元法在三层沥青 路面结构分析中的适用性，这两个程序均能考虑材料的弹性、非线性弹性及粘弹 性等多种本构关系，同时还可以分析不同轴载、胎压、轮胎形状、车辆运行速度 等条件下的路面力学响应。b o n d t 和s c a r p a s ( 1 9 9 7 ) t 5 9 】使用荷兰的c a p a2 d 程序 模拟旧路面上的沥青混凝上罩面，进行罩面设计，在这个模型中单元模式有：罩 面内的加劲单元、路面材抖的各向同性单元、地基的