（道路与铁道工程专业论文）钢桥面沥青铺装车辙预估研究.pdf

摘要 摘要 钢桥面沥青铺装在公路和桥梁建设中的重要性越来越得到体现，其抗车辙性能研究成为桥面铺 装沥青混合料的重点研究方向。本文针对目前对钢桥面铺装车辙预估较少的情况，利用了三轴重复 荷载永久变形试验回归铺装层的材料参数，建立有限元模型，预估了铺装层车辙深度并分析了各因 素对其影响，最后，通过预估钢桥面铺装环道试验中铺装的车辙深度，检验了该预估方法的可行性。 首先，本文收集了钢桥面铺装车辙调查情况，针对沥青玛碲脂( m a ) 和沥青玛碲脂碎石( s m a ) 两种混合料，选用三轴重复加载永久变形试验，确定了预估模型中材料参数；其次，针对上面层为 s m a ( 4 咖m ) ，下面层为m a ( 4 册m ) 的铺装结构，利用a b a q u s 有限元软件建立钢桥面铺装模 型，其中考虑了铺装层厚度、超载、钢桥面结构形式及荷载位置等影响因素，计算并分析了车辙深 度、弯沉随各因素的变化情况：最后，进行钢桥面铺装大型环道试验，测量铺装层车辙深度随时间 的发展，同时，采用有限元方法预估其车辙，对比实测结果与预估结果，分析了该预估方法的可行 性及误差产生的原因，并提出了减少误差的措施。 研究表明，对于s m a + m a 铺装结构，车辙主要发生在m a 层，占6 5 左右。在一定范围内， 车辙和总弯沉均随铺装层厚度的增加而迅速增大；随着轴载的增加，s m a 层及m a 层车辙深度都增 大，且对下面层的影响大于上面层：钢桥面结构形式中加劲肋上口宽度对车辙影响较大，其他几何 参数的影响均不显著；荷位的变化尤其是横向荷位变化，也有一定的影响。 沥青铺装环道试验车辙预估值与实测值之间的误差在1 4 左右，预估效果较好，说明采用有限 元法预测铺装层车辙的发展规律是合理有效的，而且以数值方法部分取代现场试验将获得显著的经 济效益。 关键词：钢桥面铺装，车辙，预估，有限元，三轴重复加载永久变形试验，环道试验，s m a ，m a a b s t r a c t t h ei m p o r t a n c eo ft h ep r o p e r t yo fa s p h a l tp a v e m e n to ns t e e ld e c kb r i d g ei nt h ec o n s t r u c t i o no fh i g h w a y a n db r i d g eb e c o m e sm e r ea n dm o r eo b v i o u s n o w a d a y st h ep e r f o r m a n c eo fr u t t i n gr e s i s t a n c ei sa l w a y sa p r i o r i t yo fr e s e a r c ha r e a ，w h i l et h es m d yo np r e d i c t i n gt h er u t t i n gd e p t hi sl e s sc o m n l o n b a s e do nt h i s e x i s t i n gc o n d i t i o no ft h er e s e a r c h ，t h i sp a p e rw i l lm a i n l yp u ti t se m p h a s i so nt h ew a yo fp r e d i c t i n gt h e d e p t ho fr u tt h r o u g hf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sm o d e lw i t ht h ec l e e pd e f o r m a t i o np a r a m e t e rr e g r e s s e df r o m p r e l i m i n a r yt e s t af i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sm o d e lw a sb u i l tt op r e d i c tt h er u t t i n gd e p t ha n dt h ee f f e c to ft h e i n f l u e n c i n gf a c m rw a sa d d r e s s e d f i n a l l y , t h i sp a p e rc e r t i f i e dt h ef e n s i b i l i t yb yc o m p a r i n gt h er e s u l t s t h r o u 【g hc i r e u l a rr o a dt e s ta n dt h ef e mm o d e l f i r s t l y , ac o m p r e h e n s i v ei n v e s t i g a t i o nw a sc o n d u c t e do nt h eo c c u 咖o fm t t i n gi nt h ea s p h a l tp a v e m e n t o us t e e l d e c kb r i d g ea n d t w o t y p i c a l k i n d s o f m i x t u r e s 。m a s t i c a s p h a l t ( m a ) ，s t o n e m a s t i c a s p h a l t ( s m a ) w e r es e l e c t e da st h ef o c u s ，b a s e do rw h i c ht h ec r e e pd e f o r m a t i o np a r a m e t e ra ma n dhw e r ed e r i v e d t h r o u g ht r i a x i a lr e p e a t e dl o a dp e r m a n e n td e f o r m a t i o nt e s t s e c o n d l y , c o m p l y i n gw i t ht h ec o n f i g u r a t i o no f s t e e ld e c ku s i n gs m aa st h eu p p e rl a y e ra n dm a a st h eb o t t o ml a y e t af i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sm o d e lo ft h e s t e e ld e c kb r i d g ew a sb u i l tb yt h eg e n e r a l - p u r p o s e dn o n l i n e a rf i n i t ee l e m e n tp r o g r a mo fa b a q u s ，d u r i n g w h i c hs e v e r a li n f l n e n c i n gf a c t o r sw e r et a k e ni n t oa c c o u n ls u c ha st h et h i c k n e s so ft h ep a v e m e n t t h ee x t e n t o fo v e r l o a d ，t h es t r u c t u r a lf e a t u r eo fs t e e ld e c k ，l o a d i n gp o s i t i o n t h r o u 【g ht h i sm o d e lt h er u t t i n gd e p t ha n d s u r f a c ed e f l e c t i o nw i t ht h ev a r i a t i o no ft h ei n f l u e n c i n gf a c t o r sa r ec a l c u l a t e d f i n a l l y t h er o t t i n gd e p t hw a s m e a s u r e da n dt h el a wo fd e v e l o p m e n tw a sd e r i v e db v 山ec i r c u l a rm a dt e s tw h i c hw a sc o n d u c t e d o nt h ef u l l s c a l es t e e ld e c kp a v e m e n t a tt h es a n 砖t i m e 。t h er u t t i n gd e p t hw a sp r e d i c t e db yf e m n e f e s s i b i l i t yo ft h i sm e t h o dw a sa n a l y z e da n dt h er e a s o n so ft h ee n o rp r o d u c t i o nb yc o m p a r i n gt h er e s u l t s t h r o u g hc i u l a rt o a dt e s ta n df e m f r o mt h es t u d y , i ti ss h o w nt h a t f o rt h ep a v i n gs y s t e mo fs m a + m a 。私o p p o s e dt ol a y e ro fs m a m o r eo f t h er o t t i n gd e p t ht a k e sp l a c ei nt h el a y e ro fm a ，a c c o u n t i n gf o ra b o u t6 5 o ft h ee n t i r er o t t i n gd e p m b o t h t h er o t t i n gd e p t ha n dd e f l e c t i o ni n c r e a s e sr a p i d l ya l o n gw i t ht h ei n c r e a s eo ft h et h i c k n e s so ft h ep a v e m e n t a l o n gw i t ht h ei n c r e a s eo fa x l el o a d ，b o t ht h em t t i n ga e p t ho fs m aa n dm ai n c r e a s e s ，w h i l et h eb o r o m l a y e rt u r n so u tb em o r el i k e l yh ee f f e c t e db yt h el o a d t h ep r e s e n c eo fs t i f f e n i n gr i bh a sas i g n i f i c a n te f f e c t o nt h er u t t i n gd e v e l o p i n g w h i l eo t h e rg e o m e t r i cc o n f i g u r a t i o ns o e i i bt oh a v el e s si m p a c t a l s ot h ec h a n g e o ft h el o a d i n gp o s i t i o n ，e s p e c i a l l yt h ec h a n g ei nt h ec r o s s - s e c t i o nd i r e c t i o n ，a f f e c t st h er a t t i n gd e p t ht oa c e r t a i ne x t e n l w i t ht h ec o m p a r i s o no ft h er e s u l t st h r o u g hc i r c u l a rr o a dt e s ta n dt h ef e mm o d e l t h ee l t o rp o s s i b i l i t yi s o n l ya b o u t1 4 w h i c hm e a u st h ee f f e c t i v e n e s so fp r e d i c t i o n i ss a t i s f a c t o r ya n dt h es i m u l a t i o na n d p r e d i c t i o no ft h er u t t i n gd e v e l o p r m m tb yf e mi sr e a s o n a b l ea n de f f e c t i v e i ti sa l s oq u i t em e a n i n g f u lt ou s e n u m e r i c a lm e t h o da sas u b s t i t u t ef o rt h ef i e l dt e s ti nt h ee c o n o m i cp e r s p e c t i v e k e yw o r d s ：s t e e ld e c kp a v e m e n t ，r u t t i n g ，p r e d i c t i o n ，f e m ，t r i a x i a lr e p e a t e dl o a dp e r m a n e n t d e f o r m a t i o nt e s t ，c i r c u l a rr o a dt e s t ，s m a ，m a 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： 宣! 垄 日期：2 直垒! 基! 墨旦 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：j 篁! 导师签名：研究生签名： 墨! 导师签名： 第一章绪论 1 1 概述 第一章绪论 钢桥面铺装在公路和桥梁建设中的重要性越来越得到体现。钢桥一般采用薄层沥青混合料作为 其铺装层，它作为桥梁上部结构的一部分，将直接承受车辆荷载和气候环境的作用。由于桥面铺装 自身特殊的结构和受力特点，作为铺装层材料应具备如下性能：良好的与钢板变形随从性、高温稳 定性、低温抗裂性、抗疲劳性能、防水性、抗滑性等等。 国内外对钢桥面沥青混合料铺装的研究已投入大量的资金、人力和物力，取得了丰富的成果， 形成了“四种铺装材料、三类铺装结构”的格局，即按照沥青混合料类型可分为四类： ( 1 ) 热拌沥青混凝土或改性密级配沥青混凝土； ( 2 ) 以德国和日本为代表的高温拌和浇注式沥青混凝土( g u s s a s p h a l t ) ，以及以英国为代表的沥 青玛蹄脂混凝土( m a s t i ca s p h a l t ) 。它的主要优点：空隙率接近零，具有优良的防水，抗老化性能， 无需防水层，抗裂性能强，对钢板的追从性，与钢板间的粘结性能好于一般沥青混凝土；主要缺点： 高温稳定性差，易形成车辙： ( 3 ) 德国和日本等国采用的改性沥青玛蹄脂碎石s m a ( s t o n e m a s t i c a s p h a l t ) 。它的主要优点： 柔韧性好、抗松散、抗裂能力强，具有良好的耐久性和防水性能，抗永久变形的能力强，不易产生 车辙，具有粗糙的表面构造，防滑性能好，施工要求低，施工期短，费用较低：主要缺点：对集料 要求高，保质年限短； ( 4 ) 以美国和中国为代表的环氧树脂沥青混凝士( e p o x y a s p h a l t ) 。它的主要优点：强度高，高 温时抗塑流和永久变形能力很强，低温抗裂性能很好，具有极好的抗疲劳性能，具有较好的抵抗化 学物质浸蚀的能力，包括溶剂、燃料和油；主要缺点：环氧沥青混凝土的配制工艺比较复杂，施工 中对时间和温度要求十分严格、施工难度大，材料费用也较高。 按照沥青混合料铺装结构可分为三类，即同质单层、同质双层与异质双层结构，具体表现为“： ( 1 ) 浇注式沥青混凝土；( 2 ) 上层密级配沥青混凝土+ 下层浇注式沥青混凝土，以日本使用的最 多；( 3 ) 上层密级配沥青混凝土十下层改性沥青s m a ，德国和日本均有使用；“) 上层改性沥青s m a + 下层浇注式沥青混凝土；( 5 ) 上下层分别采用不同粒径规格的改性沥青s m a ；( 6 ) 上层环氧沥青混凝 土十下层浇注式沥青混凝土；( 7 ) 环氧沥青混凝土。 桥面铺装在行车荷载作用下局部应力与应变状态非常复杂，同时不同区域的交通条件、自然环 境及建设水平存在差异，许多钢桥面铺装都出现了不同程度的病害”j ，参见表1 - 1 。 由表1 1 可见，国外钢桥面铺装发生车辙破坏的较少，而在我国车辙是钢桥面铺装的主要病害 形式之一。车辙表现为铺装层表面轮迹处出现沉陷及其侧向隆起现象。钢桥面铺装车辙主要是由于 铺装层在高温季节或长时间承受车辆荷载( 包括交通量成倍增长、重载、超载、慢速行驶、渠化交通) 作用下，铺装层沥青混合料的抗永久变形能力不足引起的，尤其在高温季节，铺装材料本身体现较 强的粘塑性而表现出更大的抗永久变形能力不足。另外，由于铺装层与铜板问的抗剪切能力不足、 尤其高温季节粘结层材料强度大幅度降低，从而加速车辙的发展。 虽然钢桥面铺装在国外有成功的经验，但是它们的气候条件与我国有很大的差异，不能照搬照 抄。欧洲的气候条件非常温和，例如英国，其本土地处北大西洋，气温不高，气候温润；日本属东 亚季风气候，受海洋和海潮的影响，具有海洋性特征，形成较为温和和湿润的海洋性气候。而中国 地处世界最大的欧亚大陆板块的东部，是季风气候最典型、最强烈的大陆。由于地形构造与气象规 律的特殊性，我国广大地区与世界同纬度地区，如欧州、美国、日本相比，夏季炎热，冬季寒冷， 年温差大的特点是非常显著的。因此，对于钢桥沥青桥面的高温稳定性要求，应当略高于相同纬度 的其它地区，也就是说，对混合料的高温稳定性要求更加苛刻。而且，在提高高温稳定性的同时要 东南大学硕士学位论文 兼顾低温抗裂性能，以达到合理的设计。 表1 - 1 部分国内外钢桥面铺装的破坏伪 桥梁名称 铺装类型破坏现象 a u c k l a n dh a r b o r 富锌漆+ 油溶沥青粘层+ 橡胶沥青面层( 3 2 m m )脱层、纵向开裂 富锌漆+ 煤沥青环氧树脂加石屑+ 橡胶乳化沥青枯层 p o p l a r s t r e e t ( 美) 纵向开裂 + 橡胶改性沥青面层( 6 4 m h ) 富锌漆+ b o s t i k l 2 2 5 粘层+ 3 r a m 橡胶沥青+ 3 5 r a m w ”( 英)纵向开裂 m a s t i ca s p h a l t 面层 富锌漆+ b o s d k l 2 2 5 粘层+ 3 m m 橡胶沥青+ 3 5 m m f i r t h o f f o r t h ( 英)纵向开裂 m a s t i ca s p h a l t 面层 s a nm a t e o - - h a y w a r d ( 美)富锌漆+ 环氧沥青粘层+ 环氧沥青面层( 5 0 m m ) 脱层 w e s tg a t e ( 澳) 富锌漆+ 环氧沥青粘层+ 环氧沥青面层( 5 0 槲)脱层，开裂 l i o n g a t e ( 加) 富锌漆+ 环氧沥青粘层+ 环氧沥青面层( 5 0 m m )脱层 无机富锌漆+ 放水粘结层+ 改性密级配沥青混凝土 宜昌西陵大桥( 中) 开裂，车辙、推挤等 ( 6 5 t m n ) 环氧富锌漆+ b o s t i c 粘结层+ 橡胶沥青防水层+ m a s t i c纵，横向开裂，车辙、快 江阴长江大桥( 中) a s p h a l t 表面压入碎石( f m t r a ) 裂、推挤等 纵、横向开裂、车辙，快 虎门大桥( 中)无机富锌漆+ 改性沥青粘结层+ s m a l 3 ( 6 5 m m ) 裂、推挤，波浪等 钢桥面铺装的研究在我国尚处于起步阶段，由于我国的地理特征和气候特点的特殊性，即将修 建的跨海、跨江大桥主要位于南半部高温区域( 东南沿海、长江中下游以及西部地区) ，夏天铺装表 面的温度将超过6 0 ，持续时间长，而且越往西行，大陆气候越加明显，持续高温的气象特性更为 突出。钢桥面铺装高温稳定性研究就成为桥面铺装沥青混合科研究的重点研究方向，高温稳定性能 直接影响到桥面使用性能。从己经建成的若干座大跨钢桥来看，混合料的高温稳定性能都为其桥面 铺装质量控制的重中之重。本研究即在此背景下展开。 车辙问题的研究主要在以下几个方面：是车辙破坏机理及影响因素，二是评价车辙的试验方 法，三是车辙的控制指标及容许值，四是车辙预估方法及模型，五是车辙控制与防治措施。本文将 对车辙预估方法与模型进行研究。开展对钢桥面铺装沥青混合料车辙的预估研究具有非常重要的意 义，研究的成果将为我国正在开展的大规模桥梁建设提供技术支持和借鉴。 2 国内外研究状况 钢桥面沥青混合料铺装是一种铺筑在桥面板上的薄层的沥青路面，通过分析铺装层沥青混合料 的材料与结构性能就可以较为精确地预估车辙深度，加之国内外铺装采用的材料与结构方案较为固 定，这就简化了铺装车辙预估问题，可以直接参考一些沥青路面的面层永久变形或车辙的预估方法 及模型；但钢桥沥青铺装与普通沥青路面又有一定的区别，如材料、混合料类型、环境等，故需对 这些模型进行验证和修正，找到适合钢桥面沥青铺装车辙预估的模型。 沥青路面车辙是沥青路面在汽车荷载反复作用下产生的竖直方向永久变形的累积。目前国内外 沥青路面的车辙预估方法可分为以下四种”】： ( 1 ) 经验法 2 第一章绪论 通常的经验法根据统计学理论，以试验路段的大量观测资科为基础，结合室内试验建立沥青混合科 层的永久应变与荷载、材料特性关系的预估经验公式来确定沥青路面在荷载长期反复作用下产生的 车辙，又称统计法。此种方法具有代表性的模型为2 0 世纪8 0 年代a w u e m m e 等人所建立的经验 公式： l g 口= c o + c ll g ( 式1 - 1 ) 式中：r ，为沥青混合料的永久竖向应变：为轴载反复作用次数；c o 、c j 为材科性能和受力状态的 参数。 这种方法的特点是针对性较强，在特定条件下预估精度较高，但经验公式的建立需要投入大量 人力、物力。般而言通用性较差，有其自身的局限性，因此此法仅适用于特定区域、特定条件下 对沥青路面车辙的预估，其推广应用受到限制。 ( 2 ) 半经验半理论法 与经验法相比，半经验半理论法在一定程度上减小了使用范围上的局限性的限制，相对经验法 在通用性方面有了改善。这种方法采用弹性层状体系理论或粘弹性层状体系理论来求解路面的应力 和位移，再结合室内外有关试验，统计出沥青路面车辙与路表弯沉系数、荷载、材料特性参数、路 面结构参数的经验关系式。这种方法的代表性模型为j a m bu 提出的车辙预估模型： r d = _ = ：l 万 n 1 地 ( 式1 - 2 ) 烈l + ) 式中：尼d 为沥青路面面层车辙；m 为路面弯沉系数：占为路面弯沉；为轴载反复作用次数；a 。 口t 为材料性能和路面尺寸参数。 该种方法虽然在特殊条件下可靠度较高，但由于其较强的地域局限性以及实验过程中材料参数 确定的复杂性，应用范围受到限制，从而不能得到推广。因此由经验法向理论法过渡是车辙预估中 的一种趋势。 ( 3 ) 理论法 理论法是目前在国际上较有影响和发展较快的方法。它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分布，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。以下是国内外几种代表性的车辙预估模型： 壳牌法车辙预估模型 s h e l l 法是国际上利用弹性层状体系理论计算沥青面层车辙最具影响力的方法。s h e l l 法采用蠕变 试验、轮迹试验的结果并提出一系列假设条件建立了系统的车辙预估方法。模型中假设蠕变实验中 得到的沥青混合料劲度与沥青劲度的关系等同于沥青混合料粘滞部分劲度与沥青粘滞部分劲度的关 系，继而用沥青混合料的劲度来代替反映沥青永久变形的沥青混合料粘滞部分劲度。 美国联邦公路局和m r r 提出的v e s y s 系统中的车辙预估模型 在以粘弹性理论为基础的方法中，美国联邦公路局和m i t 提出的v e s y s 系统中的车辙预估 模型具有代表性。此模型认为，沥青路面的永久变形和应力、加载时闻以及路面弯沉等参数有关， 且假设荷载重复作用之间有足够的间歇时间而且每次荷载作用下面层弯沉不变，随着荷载作用次数 的增加，永久变形量逐渐减小。这种方法的车辙预估值比实测值要小，9 0 年代发展为v e s y s - 5 的 路面设计模型在精度上有了很大的提高。 从s h t o 新的设计指南提出了以下的永久变形模型【l q ： 路面总车辙量： p d 2 p d c + p d + p d s g ( 式1 - 3 ) 式中：p d c 为沥青层车辙；p d 为粒料层或路基车辙：p d 路基土车辙。 其中：1 ) 沥青层车辙计算模型： 3 东南大学硕士学位论文 詈= 即俨”r “。 ( 式l - 4 ) 式中：，为累计塑性应变；e 为回弹应变；r 为温度( f ) ；n 为荷载重复作用次数；k l 为考虑沥 青层总厚度吃与计算点深度z 的一个系数； k l = - - o 1 0 3 9 h 2 + 2 4 8 6 8 h a 一1 7 3 4 2 + ( 0 0 1 7 2 h 。2 1 7 3 3 1 h 。+ 2 7 4 2 8 ) z 0 3 2 9 1 8 6 2 2 ) 粒料层或路基车辙模型： 皖( ) - 比( 耐即 c 式- 巧， 式e e - 皖为粒料层或路基在标准轴载作用n 次后的塑性变形，加；为荷载重复作用次数；，为平 均垂直应变：h 为层厚度( i 1 1 ) ；为回弹应变；岛，p ，为材料参数；声k 为修正参数，粒料 层取2 0 ，路基土取8 0 。 。 3 ) 保护路基土不产生较大车辙模型： n f = 屈l k l ( 毛) 也 ( 式1 - 6 ) 式中：n ，为荷载作用次数；屈l 为模型修定系数；k l 、k 2 为材料参数。 修正的b u r g e r s 模型( “四单元五参数”模型) h u s c h c k 于1 9 7 9 年结合蠕变试验，根据粘弹性理论，选用表征沥青混合料变形特性的流变学模 型( m a x w e l l 模型) ，提出了一种沥青层永久变形的预估方法。其中粘壶元件的粘度被修正成加载时 间的函数，并且随加载时间的延长而增大，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”。同济大学徐世法在此基础上利用粘弹性理论对沥青混合料的变形特性进行分析研究 提出了四单元五参数模型，即修正的b u r g e r s 模型。 该模型结合沥青混合料变形性能及b u r g e r s 模型性能之缺陷的分析，考虑了沥青混合料的“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性的外部粘壶元件扩展为广义粘壶，且使其粘度为： o o ( t ) 2 a e 8 ( 式1 7 ) 相应地： s ，2 ( 卜f 一) l a b ( 式1 8 ) 式中：r o ( t ) 为新模型中外部粘壶元件的粘度；a b 为外部粘壶元件的粘度参数；f 为加载时间： a i 为应力；，为由( f ) 随加载时间而增大， 该模型的车辙深度( 肋) 计算式如下： r d = ( 1 + k l ) q 而由吼( f ) 所表征的枯性流动应变。 式中：r d 为车辙深度： 气为侧向隆起系数，k l = 0 5 ；c d 为动态修正系数： 永久变形( 即厚度减薄量) ，可由e v 程序直接计算，也可由诺模图查得。 4 ( 式1 - 9 ) h 0 为沥青层的竖向 第一章绪论 c 中车辙预估模型 该车辙预估模型采用广泛采用的能量关系作为累积变形预估的基本方程。并通过如下三个影响 来修正基本方程：( 1 ) 采用c 中观点计算的应力比例的荷载影响：( 2 ) 温度影响 ( 3 ) 加载速率影响。该 模型遵循普遍采用基本能量方程形式来说明多次荷载下的车辙深度的累积发展。 ( 4 ) 有限元法 车辙是由于铺装材料的非线性特性而发生，例如，沥青混合料的粘弹性和枯塑性，骨料和土的 塑性，所以，车辙是路面结构塑性应变的结果。有限元法能很好地模拟具有非线性特性的路面车辙。 目前很多研究者采用了商用有限元程序来建立车辙的预估模型，这样的程序包括：a b a q u s 和 a n s y s 等。另外，因这些程序有一定的局限，也有编制的程序，如韦苒利用四单元五参数模型及 v a nd e lp o e l 模型编制的平面有限元程序。因计算机容量和计算时间都在大大提高，使用这种方法更 合理，更经济。使用有限元法可克服层状理论的缺点，有限元法能正确地得到路面的应力状态，考 虑车辙的整个区域，是路面车辙预估的一个发展方向。 国外对沥青路面车辙进行的预估很多，而对钢桥面铺装车辙单独进行预估的比较少，这与国外 车辙不是桥面铺装的主要破坏形式有关。国内对钢桥面车辙进行预估的主要研究有：刘振清利用有 限元软件提供的蠕变第一阶段的时间硬化模型，第二阶段的n o r t o n 模型和第一阶段+ 第二阶段的时 间硬化模型模拟钢桥面热塑性类沥青混合料铺装层不同使用程度产生的永久应变，将这些模型与层 应变法车辙预估相结合，得到沥青混合料铺装车辙预估模型i l j ；杨若冲采用有限元软件中的蠕变模 型及弹塑性模型进行永久变形的计算”“；严二虎”4 借鉴美国得克萨斯州运输研究所研制的柔性路面 系统程序中的车辙模型进行修正，并把修正后的模型用于直道钢桥面沥青铺装层的高温浸水车辙预 估等。总之。国内外针对钢桥面铺装车辙预估问题的研究还比较少，因此，该研究很有意义。 1 3 研究内容及技术路线 1 3 1 研究目标 针对上层改性沥青s m a + 下层浇注式沥青混凝土i d a 铺装结构，采用三轴重复加载永久变形试 验回归预估模型中材料参数，利用a b a q u s 有限元软件建立钢桥面体系模型，预估钢桥面沥青铺装 的车辙并分析各因素对车辙深度的影响。利用该模型预估大型桥面铺装环道试验的车辙深度，并将 之与实测数据进行对比，以检验该预估方法的可行性。 1 3 2 研究的主要内容和方法 ( 1 ) 收集钢桥面铺装车辙调查情况； ( 2 ) 确定预估模型中材料非线性参数，并利用a b a q u s 有限元软件模拟试验过程； 针对与桥面铺装环道试验相同的混合料。即沥青玛碲脂( m a ) 和沥青玛碲脂碎石( s m a ) ， 利用三轴重复加载永久变形试验进行不同应力条件下的试验，确定模型中材料非线性参数。利用 a b a q u s 有限元软件对三轴试验过程进行模拟，以检验其是否适合分析钢桥面铺装车辙发展。 ( 3 ) 针对s m a ( 4 嘶撇) + m a ( 4 0 r a m ) 铺装结构，利用a b a q u s 有限元软件，根据所得的材料 参数建立钢桥面铺装模型，模拟桥面铺装的受力状态，计算车辙深度及弯沉随各影响因素的变化情 况； 桥面铺装厚度的影响 桥面铺装一般厚度为3 8 - 8 5 c m ，变化桥面铺装厚度，计算其对铺装性能的影响。 超载的影响 计算超载情况对铺装性能的影响，压强为0 8 m p a 、0 9 m p a 、1 o m p a 及1 i m p a 等。 钢桥面结构形式影响 计算钢桥面板厚度、横隔板间距及纵向加劲肋尺寸等条件对桥面铺装性能的影响。 5 东南大学硕七学位论文 ( 4 ) 测量钢桥面铺装大型环道试验的车辙深度并探讨其发展规律，同时利用有限元方法进行车辙预 估，以分析该模型的可行性。 环道试验是一种大型的足尺路面结构试验，其试验结果与实际关系密切，最能反映实际路面的 车辙形成过程和性状，因此可用于验证试验。为了检验本文有限元预估方法的可行性，本文针对s m a c 4 0 m m ) + m a ( 4 0 m m ) 铺装结构开展钢桥面铺装环道试验，同时采用该方法预估环道试验车辙深 度，将实测结果与预估结果对比，分析该预估方法的可行性及误差产生的原因，并提出减少误差的 措施。 1 3 3 本文技术路线 第三章 ： i i k 淼 采用三轴重复荷载 试验获得材料的变 形特性，并通过多 元线性回归得到材 料参数a ，所及n 第四章 i ! o 在a b a q u s 中建 根据回归参数，建 m 模拟 立钢桥面铺装有限 立a b a q u s 有限 效果较好 元模型，计算车辙， 元模型，模拟三轴 并分析其随铺装层 试验并将计算结果 厚度，超载、钢桥 面结构形式及荷载 与试验结果作对比 位置等影响因素的 门腰模报 变化情况 u 效果不好 从三轴试验自身的 特点，回归参数的 方法及有限元模型 中各参数的设置这 三个方面来分析模 拟不成功的原因 图1 - 1 本文技术路线图 6 第五章 第二章钢桥面沥青混合料铺装车辙概论 第二章钢桥面沥青混合料铺装车辙概述 永久变形( 车辙) 是钢桥面沥青铺装层的典型破坏形式之一。本章将沥青铺装同沥青路面的车 辙进行联系和对比，讨论了车辙破坏的形成，分析了车辙产生机理以及影响车辙的因素，并探讨了 钢桥面沥青铺装车辙的控制指标和容许值。 2 1 沥青路面车辙的形成 沥青路面在缓慢移动或重交通作用下会产生变形并留下永久性的微变形。随着时间的推移，这 些微变形会积累并产生车辙现象。沥青路面的车辙主要有以下三种类型”“： ( 1 ) 由于荷载作用超过路面各层的强度，车辙主要发生在沥青面层以下包括路基在内的各结构 层的永久变形，叫做结构性车辙。这种车辙的宽度较大，两侧没有隆起现象，横断面成浅盆状的u 字形。如图2 1 所示。 圈2 1 沥青路面u 形车辙 ( 2 ) 沥青混合料的侧向流动变形。在高温条件下，车轮碾压的反复作用，荷载产生的剪应力超 过沥青混合料的抗剪强度，使流动变形不断累积形成车辙，称为流动性车辙。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 - 2 所示。 图2 - 2 沥青路面w 形车- w t ( 3 ) 冬季埋钉轮胎形成的磨损性车辙。 在我国，流动性车辙是主要类型。此外，由于沥青面层施工时没有充分地压实，导致通车后的第 一个高温季节沥青混合料继续压密形成的车辙在我国也较为常见。 沥青混凝土路面在重复交通荷载作用下，会由于永久变形的累积导致路面出现车辙。1 9 6 0 年 a a s h t o 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，车辙深度的9 1 发生在路面 本身，其中3 2 发生在面层、1 4 发生在基层、4 5 发生在底基层：9 由路基沉陷引起i l 。然而， 目前我国的高等级公路( 沥青混凝土路面) 广泛采用半刚性基层，使得基层、路基产生的永久变形 量占车辙总量的比例越来越少。大量的观测调查及理论计算表明，半刚性基层的高等级沥青路面面 层产生的永久变形量占车辙总量的9 0 以上，因此沥青面层的永久变形已成为车辙研究的重点。 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 7 东南大学硕 学位论文 的。压密包括材料的体积变化，由于压密，引起丁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来控制。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。从s h 0 的试验路面开挖 研究以及后来壳牌公司环道实验研究，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，则土要是沥青层内产生了剪切变形。e i s e n m a n n 和 h i l m e r 的研究认为车辙主要是由变形流动所引起的。可见压密和剪切变形是形成车辙的两个机理。 第二个机理代表了绝大多数路面的变形行为，此阶段轮胎下体积的减少和毗邻隆起区体积增加基本 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。引起沥青混凝土永久变形的主 要原因是剪切变形己被广泛地接受。在荷载作用下，沥青混合料会产生压密，但对一个压实很好的 混合料，这种压密和剪切变形相比是非常小的。s h r p - a 3 1 8 的研究显示车辙产生的主要机理是剪切 变形，主要由沥青混凝土上层所产生的大的应力而引起。剪切应变主要受温度的影响。h a r v e y 对沥 青路面施加加速荷载后，重型车辆模拟设备( h v s ) 车辙的实验显示，在轮迹边缘处的剪切变形( 隆起) 清晰可见。如果车辙仅由于压密引起，将不会显示隆起。 纵观车辙的形成过程可简单地分为三个阶段“，如图2 - 3 所示。 瑙 残 撰 抖 荷载作用次数 圈2 - 3 沥青混凝土路面在行车反复作用下的车辙发展 1 第1 阶段：开始阶段的压密过程 沥青混合料在被碾压成型前是由骨科、沥青及空气组成的松散混合物，经碾压后高温下处于半 流态的沥青及由沥青与矿粉组成的胶浆被挤进矿料间隙中，同时骨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，此密实过程还会有进一步发展。 2 第1 i 阶段二沥青混合科的流动 高温下的沥青混合料处于以粘性为主的半固体，在轮胎荷载作用下，沥青及沥青胶浆便产生流 动，从而使混合料的网络骨架结构失稳。这部分半固态物质除部分填充混合料空隙外，还将随沥青 混合料自由流动，从而使路面受力区域被压缩而变形。 3 第1 i i 阶段：矿质骨料的重新排列及矿质骨料的破坏 高温下处于半固态的沥青混合料，由于沥青及胶浆在荷载作用下首先流动，混合料中粗、细骨 料组成的骨架逐渐成为荷载主要承担者，再加上沥青润滑作用，硬度较大的矿料颗粒在荷载宣接作 用下会沿矿料间接触面滑动，促使沥青及胶浆向其富集区流动，以致流向混合料自由面，特别当骨 料间沥青及胶浆过多时，这一过程会更加明显。 早在1 9 6 2 年美国a a s h t o i 式验路研究就对车辙路段进行了开挖，1 9 7 2 年h o f s t r a a 和a j g k l o m p 对车辙进行了研究，1 9 8 7 年e i s e n m a n nj 和a h i l m e r 利用轮辙试验板研究车辙形成过程( 如图2 4 所 示) 表明“m ，车辙破坏的主要机理是塑性流动或剪切变形，压密会增加车辙量但不足以形成车辙 破坏，它只出现在开始阶段。因为开始阶段轮胎作用位置表面的下沉量( 体积) 要大于两侧隆起量 ( 体积) ，说明车辙的初期阶段主要是压密造成的，之后轮胎作用位置表面的下沉量( 体积) 与两 8 第二章钢桥面沥青混合料铺装车辙概论 侧隆起量( 体积) 平衡，说明压密已经完成。在荷载作用表面剪切变形最大向下深度逐渐递减， 随着深度增加抵抗塑性流动或剪切变形的能力增强，而且荷载作用产生的剪切应力减小。根据 a a s h t o 试验路的测定，车辙鼍随着沥青面层厚度的增加而增加，当沥青面层厚度为2 5 c m 时车辙量 达到极限而不再增加，并且车辙主要集中在沥青面层上部7 1 5 c m 厚度范围内。 图2 4 车辙变形随加载次数的形成过程 2 2 钢桥面铺装层车辙的形成及影响因素 钢桥面沥青混合料铺装是一种铺筑在钢桥面板上的薄层的沥青路面，钢桥面板可以认为在荷载 作用下均能保持在弹性工作阶段，热塑性类沥青混合料铺装层类似于沥青路面的面层，或是相当于 半刚性基层沥青路面的面层，铺装层下面并没有基层、底基层，垫层和路基。因此，它的车辙来源 于钢桥面热塑性类沥青混合料铺装薄层在行车荷载、高温作用下抵抗塑性流动或剪切变形能力不足 引起的永久变形，荷载产生的剪应力超过沥青混合料的抗剪强度，使流动变形不断累积形成流动性 车辙。尤其是密级配沥青混凝土和浇注式沥青混凝土铺装高温时的流动性，加之它们的混合料空隙 率小，如浇注式沥青混凝土的理论空隙率为0 ( 实际空隙率通常小于l ) ，容易产生塑性流动或剪 切变形，从而出现车辙破坏“j 。 钢桥面铺装车辙的产生机理与沥青路面基本相同，可以参照2 1 节的内容。 影响钢桥面热塑性类沥青混合料铺装车辙的因素很多，可分为内在因素和外部条件。内在因素 是指铺装层与牯结层材料本身的性能、沥青混合料的特征，以及铺装层与钢板复合结构整体性能， 而外部条件是指试验或现场条件，主要包括气候与环境条件、交通条件、结构组成及其受力状态、 施工工艺与质量控制。 2 2 1 内在因素 在钢桥面热塑性类沥青混合料铺装中，钢桥面铺装的沥青结合料本身的特性对其混合料抵抗永 久变形性能( 反映在钢桥面沥青混合料铺装上即是抗车辙性能) 有着重要的影响，沥青或改性沥青 的高温粘度越大、劲度越高及其与集料的粘附性越好、沥青结合料本身的质量越好，其混合料抗永 久变形性能越好。 合理级配