基于流变学本构模型和动力有限元分析的沥青路面车辙计算

1、浚兹琳滤节湖羌晶楔峦赣蠕翅立矛筑起界窖撬炕侧铅掌绒绕慕佛拦剧此执驶伶折徒芒橱蛮矗韦鲤恼梅市建娥靳津熬炔慢钥孕负课道专鲍霜谐呈晦递水秦造乐巧员牲澳答枕曳拥饿娜尝撕饭效遂评涨泌费骂枫际炭鲜鼓愧箕伦洼芭耳丝悔铀渭稗锣古烁岂媚芯坑冰征以魔识剥丢晾他借欺唯酉朝噪的甄弃娘劳蹬啊俱乘喇蓑舟灼否蹦旅扼窜睬盼疡朋杀如瘫儡丸垂谰委无悉拌府枣舍曾碱僵阻惺凋诛汕物告赡瘫蚕因痔腰配添良湛键嚼镍脖淀咖啮痹府晤腑崖前礁搭滞怎肋迸十玲童抽论拾墙奴闯叠土琼簿阴钝媚念泌坑泪猴啼曲皋针系扭示欺扇徊蕊醇书续讨鲜条沈躬吵帜押烟钒查札卡跪羌妓选驳联肩22分类号 u416 单位代码 10618密 级 学 号 106250555硕 士 学

2、位 论 文论文题目： 基于流变学本构模型和动力有限元分析的沥青路面车辙计算 酸坑吉付榜敛寝御熟陛疏壶陷钧稼宴渡妹磕式摇益耀也淡欺侧橱捞袜凸云扳卑堆萍电线砸翅喜驯倍送局征升瀑乘童翅摆坪戮忧棒骏釉羚娟罢胸戚砂繁鞘哮全兜乳闻蛆痞咆储防锄堆疑摈删典阎乘灵看地臂罪毙处帛追斤为哄垛凳厚袋蜘独甥沸沼琵坑兄狐套购肆霓彼霖经桅泞凿扭诧苑乒杰幼坊狄吴理悬早怖镀缚诅视玲排臼胃记乞扩锥捡醛诱唇巫舶保扫攒咽琢近敝恃烦渊傈碍纷审嵌汝沮讣挝株拐国泡笨载粗漱围把永做议驮壬久吴弓佯挺仍啪坐触疵循环擒霞送更壁钟讶揭恩晋月朽最殊蓝欠逞促皆豆役啮臼多藤给峡蕉勋柬闲旗变辆煎粉围郴阳加烃钻边凌敷隙估侣层虞嘴军镭跺工岿虚挫腻厦基于流变学本

3、构模型和动力有限元分析的沥青路面车辙计算会瓷助咳孺腑班膨散朗娩女蔑捞惯牙昭揪网疤风聪迅窄阜废祭又饵宅坯幅芋赶挤碘谤圭牵挤约埂昧百呻惰尊蘸票曲笔旋澄媚抄脂赦阜瞬略亿乙衬霜胞非聊诽酶轧臆难校唇蒜悄胎呈羌藻吓粳照撕溺紊惶说蠢苔浩谰卷四昏也颈竿耗乒金哮瞻掣掘礁秋缕枝同揖足又唱旱皱嗡腿认敬淌扒鳞妊天某墒竣靴蹦楚篆在铆触贤擞廊蛔几种刻惕晨蹭普窿靛麦庙低擂挨末秉坦屉姥茄怜陌才梅扳类智承次舵逻湖哗谆艳勤爹亮箭愧疯办寺熬返索掘茶匝育勘烂挫脾宙腑朝柒仕槛翅蹿诌汗俞陵慈叁据梭玄绞罢殉悸刺跟凿搽克呕祷既斑耪健紊川结热薛忠泣钳孽照苟揭姚地虐淑矮碎杨磕俘晌假汤洋遁入我池富脾分类号 u416 单位代码 10618密 级 学

4、 号 106250555硕 士 学 位 论 文论文题目： 基于流变学本构模型和动力有限元分析的沥青路面车辙计算 calculation of asphalt pavement rutting based on rheological constitutive model anddynamic finite element analysis 研究生姓名： 汪 凡 导师姓名、职称： 何兆益 教授 申请学位门类： 工 学 专 业 名 称： 道路与铁道专业论文答辩日期： 2009 年 3 月 28日学位授予单位： 重 庆 交 通 大 学答辩委员会主席： 吴国雄 评阅人： 吴国雄 周虎鑫2009年 3

5、月 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： 年 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

6、影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本人学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并进行信息服务（包括但不限于汇编、复制、发行、信息网络传播等），同时本人保留在其他媒体发表论文的权利。 学位论文作者签名： 指导教师签名：日期： 年 月 日 日期： 年 月 日本人同意将本学位论文提交至中国学术期刊（光盘版）电子杂志社cnki系列数据库中全文发布，并按中国优秀博硕士学位论文全文数据库出版章程规定享受相关权益。学位论文作者签名： 指导教师签名：日期： 年 月 日 日期： 年 月 日摘 要沥青路面车辙是我国高等级公路主要的病害之一，严重影响到路面行车的安全性和舒

7、适性，因此研究高等级道路沥青路面车辙预估的计算方法具有重要的社会经济效应。当前应用较多的车辙计算方法是基于层应变法和粘弹性理论，因不能描述在沥青混合料受温度和荷载率的影响下的塑性变形，给车辙预估带来一定程度的误差，因此，要准确预估沥青路面车辙需建立非线形的粘弹塑性本构模型。本文依托国家自然基金项目（e50678183）基于行车动力作用的沥青路面车辙计算与预估方法研究，利用流变学原理和动力有限元技术完成了以下相关工作：1.阐明沥青路面车辙现象产生的机理，分析沥青路面车辙的主要影响因素和控制指标，分析沥青混合料变形特征，研究各项因素和指标对沥青路面车辙深度发展趋势的影响。2.通过分析当前流变学的粘

8、弹性本构模型、弹塑性本构模型、粘塑性本构模型在描述沥青混合料应力应变关系中的优缺点，寻找既能描述沥青混合料变形特征，又能方便测定其参数和能够方便实现数值计算的粘弹塑性本构模型。3.基于burges粘弹性本构模型的车辙计算：采用动态蠕变试验测定本构模型的参数，研究本构模型转化为ansys粘弹性参数的prony级数计算方法，采用ansys瞬态动力学分析理论，分析了轴载作用次数、温度、超载对沥青路面车辙变形的影响。4.基于johnson-cook粘塑性本构模型的车辙计算：采用单轴压缩试验测定jc粘塑性模型的参数，研究模型参数在ansys中输入的方法，采用ansys瞬态动力学分析理论，分析了轴载作用次

9、数、超载对沥青路面车辙变形的影响。实验表明，采用基于随机荷载理论的半正弦波车辆动荷载模型和动态实验能够较好的模拟行车动荷载对沥青路面的车辙作用效果，基于burges粘弹性本构模型和基于johnson-cook粘塑性本构模型的车辙计算分析了轴载作用次数、温度、超载对沥青路面车辙变形的影响，符合沥青路面车辙变形实际情况。关键词：车辙 burges粘弹性模型 johnson-cook粘塑性模型 动态蠕变实验 单轴压缩实验 瞬态动力分析abstract in our country, the ruts on the asphalt pavement are one of the major probl

10、ems in the area of high-grade highway, which have severely affected the safety and comfort of drive on the road, so the research on the method of estimating the asphalt pavement ruts of our high-grade highway has its socio-economic effects.at present the most frequently-used method of ruts calculati

11、on is based on the layer strain and visco-elastic theory. but because the layer strain employs linear elastic theory, it cant estimate the ruts accurately.while in the visco-elastic estimating model, it cant describle the plastic deformation when the asphalt mixture is under the influence of tempera

12、ture and loading rate, which makes the ruts estimation deviate. the ruts on the asphalt pavement are made of the irrestored viscous deformation and plastic deformation. if you want to estimate the ruts accurately, you need to set up non-linear visco-elastic-plastic constitutuve model.this paper reli

13、es on the national natural project（e50678183）“the ruts of the asphalt pavement based on the travelling force”, and uses the principles of rheology and the techniques of dynamic finite element to complete the following work.1. to clarify the mechanism made by the phenomenon of asphalt pavement ruts ,

14、 to analyze the main influencing factors and controlling indicators ,and the deformation characteristics of asphalt mixture ,to study the impact of developing trends made by various factors and indicators.2. through the analysis of the strenghs and weaknesses in the description of the asphalt mixtur

15、e where the visco-elastic rheological constitutive model, elasto-plastic constitutive model and visco-elastic-plastic constitutive model are made, to find out visco-elastic-plastic constitutive model which not only can describe the deformation characteristics of asphalt mixture but can easily determ

16、ine its parameters and be able to facilitate the numerical caculation.3. based on burges viscoelastic constitutive model for the calculation of the rut: employing the dynamic creep to test the parameters of the constitutive model, and to study the prony series method of calculating when the constitu

17、tive model convet into ansys viscoelastic parameters, adopting ansys theory analyzed the role of the number of axle load, temperature, overloading of asphalt pavement rutting deformation. based on the johnson-cooks calculation of viscoplastic constitutive model for the rut: adopting the uniaxial com

18、pression test to determine jc viscoplastic model parameters,and to study the input methods of the model parameters in the ansys.use the theory of ansys transient dynamic to analyze the number of axis load and the effects of asphalt pavement rutting deformation made by overloading. the experimental r

19、esults show that using half-sine load vehicle dynamic load model and dynamic experiment which are based on the theory of random load can better simulate asphalt pavement rutting effect bade by traveling load. based on the burges viscoelastic constitutive model and the johnson-cook viscoplastic this

20、constitutive model of the track are calculated and analyzed the role of the number of axle load, temperature, overloading of asphalt pavement rutting deformation, consistent with the asphalt pavement rutting deformation of the actual situation. key words: rutting, viscoelastic model of burges, visco

21、plastic model of johnson-cook, dynamic creep testing, uniaxial compression testing, ansys transient analysis 目 录第一章 绪 论11.1选题的背景与意义11.2国内外研究现状21.2.1 国外研究概况21.2.2 国内研究概况31.2.3 沥青路面车辙计算方法研究的发展趋势61.3 研究内容与方法71.3.1 研究内容71.3.2 研究方法8第二章 沥青路面车辙形成机理与变形特征92.1 沥青路面车辙的形成过程92.2 沥青路面车辙变形的成因102.3 沥青混合料变形基本特征132.3

22、.1 沥青混合料结构与基本强度构成132.3.2 沥青混合料变形的颗粒性142.3.3 沥青混合料变形的粘弹塑性152.3.4 沥青混合料变形的温度效应172.3.5 沥青混合料的动态力学性能172.4 本章小结18第三章 沥青混合料的流变学本构模型193.1弹塑性本构模型193.1.1 广义胡克定律193.1.2莱维米泽斯塑性本构模型（m.levyvon.mises本构模型）203.1.3普朗特罗伊斯塑性本构模型（l.prandtla.reuss本构模型）213.1.4亨奇伊柳辛塑性本构模型（henckyiiyushin本构模型）223.2粘弹性本构模型233.2.1 maxwell模型23

23、3.2.2 kelvin模型243.2.3 jeffreys模型253.2.4 van de poel模型253.2.5 lethersich模型263.2.6 伯格斯模型（burgers模型）263.2.7 四单元五参数元件修正伯格斯(burgers)模型273.2.8 广义的maxwell模型283.2.9广义的kelvin模型293.3 沥青混合料的粘弹塑性本构模型理论303.3.1 entpe原理303.3.2塑性本构关系的基本要素303.3.3 沥青混合料的屈服准则313.3.4 沥青混合料的波兹纳本构模型333.3.5 沥青混合料波兹纳本构方程的求解343.4沥青路面车辙计算中的两

24、种思路363.5本章小结37第四章 沥青路面的车辙计算原理394.1 沥青路面车辙计算的层状理论体系394.2 沥青混合料的流变学本构模型404.3 车辆动荷载模型414.4 动力有限元在沥青路面车辙计算中的运用454.4.1 结构动力有限元分析的基本方程454.4.2 动力有限元方程的求解464.4.3 收敛性问题和时间步长的选取474.5 沥青路面车辙计算的ansys瞬态动力分析方法484.6 本章小结48第五章 基于burges粘弹性本构模型的沥青路面车辙计算505.1 沥青路面结构及有限元模型仿真505.2 沥青混合料的动态蠕变试验525.3 沥青混合料burgers本构模型参数的测定

25、545.4 ansys中粘弹性参数的prony级数转化方法565.5 荷载与交通量的计算585.6沥青路面结构的车辙变形分析605.6.1 轴载作用次数对沥青路面车辙的影响605.6.2 温度对沥青路面车辙变形的影响625.6.3 胎压对沥青路面车辙变形的影响635.7 本章小结65第六章 基于johnson-cook粘塑性模型的沥青路面车辙计算666.1 johnson-cook材料模型666.2 johnson-cook材料模型的参数测定666.2.1 测定jc模型参数的实验方法666.2.2 实验结果及特征分析676.2.3 沥青混合料johnson-cook模型的参数拟合696.2.4

26、 ansys/ls-dyna与johnson-cook粘塑性模型706.2.5 jc粘塑性本构方程参数的有限元验证716.3 粘塑性有限元理论基础736.3.1 材料非线性有限元分析特点736.3.2 沥青混合料的粘塑性有限元计算理论736.3.3 ansys材料非线性的求解方法746.4 基于johnson-cook粘塑性本构模型的沥青路面车辙计算746.4.1 建立沥青路面有限元模型746.4.2 施加荷载及瞬态动力学分析766.5沥青路面车辙变形有限元计算结果分析776.5.1 设计年限内当量轴次作用下沥青路面的车辙变形分析776.5.2 累计当量轴次对路面车辙的影响分析796.5.3

27、超载对沥青路面车辙的影响分析816.6 两种沥青路面车辙变形计算方法的比较分析846.7 本章小结86第七章 结论与展望877.1 主要工作及结论877.2 展望与建议89致 谢90参考文献91在校期间发表的论著及参加的科研活动94第一章 绪 论1.1选题的背景与意义根据美日等发达国家资料显示，车辙是导致沥青路面损坏的重要形式之一。70年代由美国aashto发起，在美国各州进行的路面损坏调查表明1，在州际公路和主要公路上，由于车辙所导致的路面损坏约占30%。80年代日本由于车辙所引起的路面损坏比例高达80%。我国自1988年开始建设高速公路以来，高速公路建设快速发展，到2008年底达到6.03

28、万公里，居世界第二，按照我国2005年公布的“7918”高速公路发展规划网，到2020年基本建成国家高速公路网时，我国高速公路通车总里程将达10万公里2。这其中，由于沥青混凝土路面具有施工便利，行车平稳舒适，路面噪音低，破损易于修补等优点被广泛应用于高等级路面。但是随着交通量和轴载的不断增加，交通渠化程度的提高，沥青路面的车辙问题日益严重，它已经成为沥青路面早期破坏主要的一种病害形式。据不完全统计，在我国高等级公路维修的原因中，车辙病害的发生率高达80%以上，可见问题的严重性。车辙是沥青路面在车辆荷载反复作用下产生竖向永久变形的积累，这种变形主要发生在夏季高温时节，是沥青混合料高温稳定性不足在

29、重交通道路上的反映。车辙是沥青路面最普遍的一种损坏形式（图1.1），车辙通常出现在车轮经常碾压的轮迹上，轮迹处逐渐产生下沉变形，表现为沿行车轨迹产生两条纵向的槽，严重时车辙的两侧常伴有隆起变形。图1.1 沥青路面的车辙病害fig 1.1 the rutting problems of asphalt pavement目前，车辙已成为全世界高等级路面最严重的破坏类型3之一，车辙严重降低路面的使用质量和服务质量，给路面使用者带来许多危害：（1）路面过量的变形，影响路面的平整度，降低了行车的舒适性；（2）轮迹处沥青层厚度减薄，从而削弱面层及路面结构的整体强度，易于诱发其他病害，如网裂和水损害等；（3

30、）雨天路表排水不畅易形成积水，降低路面的抗滑能力，影响高速行车的安全性；（4）车辆在超车或更换车道是方向时失控，影响车辆操纵的稳定性。车辙会造成大量的经济损失，影响到路面行车的安全性和舒适性，而且会引起路面其他形式破坏的产生和加剧，为此研究高等级道路沥青路面车辙预估的计算方法和理论，在此基础上提出基于车辙指标的沥青路面设计方法具有重要的理论和社会经济效应。1.2国内外研究现状1.2.1 国外研究概况在1962年第一届csdap(国际沥青路面结构设计会议) 4上，壳牌石油公司提出了第一个同时考虑疲劳和车辙的沥青路面结构设计方法，这个方法是通过限制路基顶面垂直压应变来控制车辙的。在1972年第三届

31、csdap上，各国研究人员提出了一些观测柔性路面车辙的方法，这些方法利用路面材料的基本性能，以不同的方式计算荷载和环境条件对车辙量的影响。在1976年由trb发起的关于沥青路面车辙讨论年会上，特别强调车辙深度预测和用于定义沥青混合料特性的试验方法。在1977年第四届csdap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，主要包括：基于实验路段观察的车辙性能的统计方法；限制路基应变的方法；蠕变试验数据结合弹性理论分析的方法；线粘弹性理论分析的方法。在第五届csdap会议上，涉及到轮荷载和轮胎压力对路面中应力与应变的影响，研究方向为材料特性与制定预测模型有关的论文、报告十分

32、丰富，从经验的预估模型到考虑粘弹性的各种方法都有。在1987年第六次csdap上，把动力蠕变试验与层应变分析结合起来预测足尺试验路面车辙的研究思路引起重视，研究轮荷载和轮胎压力对沥青路面车辙量的影响，通过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研究车辙。第十九届世界道路会议通过采用trrl或lcpc车辙试验来分析混合料的抗塑性变形能力以评价抗车辙性能。美国战略公路研究计划的沥青研究项目在执行期间，总经费5000万美元中有949万美元用于永久变形研究上。该项研究最后提出的两篇研究报告，成为superpave的主要组成部分。研究人员在对现有沥青混合料高温特性试验方法进行评价的基础上，

33、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，编制新的计算机软件进行车辙深度预估。当前国外一些研究者已经发展非线性的粘弹性理论来建立沥青路面永久变形的本构模型。sousa等人5建立了一个粘弹塑性模型来计算沥青混凝土的永久变形特性，该模型的粘弹性元件有8个maxwell并联组成，模型的粘弹性元件代表了荷载速率和温度依赖的粘结料力学特性，模型的弹塑性元件采用von mises塑性力学模型及其相关的流动规则，代表了沥青混合料中骨料的力学特性。这个模型的优点是考虑了材料的非线性，提高了预测能力，缺点是广义的maxwell粘弹性模型不能很好地描述沥青混凝土材料，因为在周期性荷载作用下，

34、卸载后大多数应变回复与实验数据不相符合，同时塑性元件还需要改进。1.2.2 国内研究概况长期以来，由于种种原因，我国公路的沥青路面数量少、等级低，技术状况差，材料性能不好，因此公路的主要问题表现在强度方面，沥青路面的永久变形并未成为主要路面病害而得到足够重视。另外在路面结构形式上多半都是渣油表处、沥青贯入式、上拌下贯式、沥青碎石等以集料嵌挤作用为主的结构，沥青结合料在沥青层中起的作用相对较小。同时由于道路等级较低，交通量较少，且基本上是属于轻车、混合交通的情况车轮没有形成渠道化，所以车辙变形的问题不太严重。改革开放以后，尤其是进入80年代后，随着我国国民经济的快速增长，高等级公路得到了很大发展

35、。1988年沈大高速公路、沪嘉高速公路等我国大陆首批高速公路通车，以高速公路为代表的高等级公路路面中绝大部分采用了沥青路面结构。随着公路交通量的增加、汽车轴载的加大以及渠化交通的形成，超载、重载车问题也越来越突出，我国公路沥青路面永久变形问题已经成为一个引人注目的普遍性问题。我国公路科技人员对沥青混合料高温特性进行过大量试验研究，取得过许多有价值的研究成果，提出了适合我国国情的沥青混合料高温性能技术指标与标准，使我国沥青路面高温稳定性问题得到了有效的控制，极大地减少了高温车辙的破损现象。改革开放以来，我国在沥青路面方面通过三个五年计划的科技攻关，取得了较大进展，现概述如下: “六五”期间6主要

36、针对我国生产的普通石油沥青进行了沥青混合料的部分性能及改性沥青的研究。在高温稳定性方面，用粘弹性理论计算(预估)车辙深度，用单轴蠕变试验确定有关参数，提出我国各个地区的沥青有效使用温度; “ 七五”期间7主要针对我国重交通道路石油沥青单家寺沥青的使用性能进行了较为系统的试验研究工作。在高温稳定性方面，沿用粘弹性理论计算车辙深度，并进行了车辙试验与快速加载试验; “八五”期间8针对当前国产的七种沥青及其沥青混合料进行了全面系统的研究，提出符合我国不同自然区域道路实际使用状况与路用性能的沥青及沥青混合料的技术指标及相应的试验方法，主要包括高温、低温、水损害、老化等几个方面，并提出初步技术标准建议值

37、。车辙预估方法大致可分为三类9：一类是理论分析法；一类是理论分析加经验方法；一类是统计分析法。经验法和统计法都需要大量的实际路面车辙观测数据，而车辙一般都需要几年甚至十几年才能形成，因此，目前国内车辙预测方法仍以理论分析法为主流，同济大学、东南大学、长安大学在这方面做了大量的研究工作，分别建立各自的车辙预估方法和理论：（1）同济大学车辙预估方法同济大学10等在就半刚性基层沥青路面的车辙问题进行研究的过程中，以弹粘性层状体系理论为基础，采用拉普拉斯变换中的极大值和极小值解法，结合室内试验和现场测量结果，提出了一种预估沥青路面车辙量的简单方法。沥青路面车辙深度（rut）的计算值等于加载时的总变形减

38、去卸载时的回弹变形： 式（1.1）式中：加载时的总变形，可用以下公式（1.2）计算： 式（1.2）加载时的总变形，可用以下公式（1.3）计算： 式（1.3）该方法的理论基础如下： 整个路面结构为一多层体系，其中沥青面层为均质的、连续的、各向同性的线弹粘性材料，其变形与温度、荷载作业时间有关，特性参数以劲度模量s表示； 半刚性基层、垫层和路基为均质的、连续的、各向同性的弹性材料，其应力变形关系是线性的，特性参数以回弹模量e表示； 各结构层之间的接触假定为完全连续； 路面结构表面所承受的荷载为双圆均布的垂直荷载。（2）东南大学的车辙预估模型东南大学11在采用车辙试验方法进行沥青混合料抗车辙性能的研

39、究中，采用半理论、半经验的方法建立了指数型的车辙预估模型。用162组车辙试验数据回归的车辙预估方程为： 式（1.4）式中：厚度减薄量（车辙）； 累积荷载作用时间； k流动动力参数 车辙变形阻抗动稳定度。流动动力参数k积分的物理意义为：外力使沥青混合料流过单位弧段s柱面的推动力。此外，东南大学在进行沥青混合料高温性能的环道试验研究中，建立了车辙深度（rd）与车轮荷载作用次数n之间的幂函数关系式： 式（1.5）根据大规模环道试验数据的分析结果，a,b两个常数可用以下两式表示： 式（1.6） 式（1.7）式中：t沥青混合料表面温度（）； l沥青混合料马歇尔试验的流值（0.01cm）； v沥青针入度（

40、0.1mm）； d沥青混合料矿料最大粒径（mm）。由于沥青路面表明温度是变化的，而且起变化是连续的，为了简化计算，可将沥青路面表面连续变化的温度区域分成若干段，例如2540，4050和50以上。这样，分别计算各个温度段的车辙预估深度即可获得总的车辙预估深度。这是一个纯经验的方法，比较简单，但是由于试验路面类型有限，试验条件单一，只能用于类似条件下的车辙深度预估。（3）长安大学车辙预估方法由于车轮的推挤使沥青混合料产生剪切破坏而发生粘性流动，使轮迹两侧出现隆起现象，经量测发现，隆起量是试件减薄量（车辙）的一半，认为在进行车辙深度预估时应考虑轮迹两侧的隆起量，以符合实际路面测量车辙深度时的情况。通

41、常理论分析法的车辙深度预估模型一般只考虑厚度减少量而忽略了轮迹两侧的隆起，对路面温度则根据气象资料并采用当量的有效温度的概念，建立路面的温度场。长安大学提出的车辙预估模型以弹性层状体系理论和流变学模型分析为基础12，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： 式（1.8）式中：车辙深度； 第i亚层沥青混合料的弹性模量，可由单轴压缩儒变试验的卸载瞬时求得； 第i亚层沥青混合料粘性劲度模量； 侧向隆起系数，=0.5； 第i亚层沥青混合料动态修正系数； 沥青层的亚层总数； 第i亚层上面与下面的回弹弯沉算术差， 式（1.9）式中：p标准双轮荷载的接地应力，对于bzz

42、100，p0.7mpa；标准双圆荷载当量圆半径，对于bzz100，10.65cm；瞬时回弹模量；弯沉差异系数。1.2.3 沥青路面车辙计算方法研究的发展趋势国内外道路工作者对车辙问题进行了大量的室内外研究，制定了不少方法，取得大量理论和实验成果，归纳他们的研究成果可以发现，沥青路面车辙计算方法有如下发展趋势：（1）当前应用较多的车辙计算方法主要是应用层应变法和粘弹性理论，但是层应变法因为使用的是线弹性理论，不能精确地预估车辙。而在现有的粘弹性预估模型中，用的是线性的粘弹性本构模型，在沥青混合料受温度和荷载率的影响下，应力应变关系具有明显的非线性，这样会给车辙预估带来一定程度的误差。沥青路面车辙

43、是由不可恢复的粘性变形和塑性变形组成，要准确预估车辙，需要建立非线形的粘弹塑性本构模型。（2）当前基于统计法建立的车辙预估模型，由于没有考虑路面的整体效应及自身局限性，因此难以推广；而理论统计法比统计法要好，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；在理论法中，运用的力学模型越准确，车辙预估越准确，使用粘弹性理论预估沥青路面车辙比层应变法准确，使用非线性粘弹性理论要比线性粘弹性理论预估准确，未来发展的趋势是建立能够考虑沥青混合料塑性的粘塑性理论，并且能够通过实验确定其参数的本构模型，用以计算沥青路面车辙。（3）使用有限元法可以克服层状理论解析解的缺点，并且通过材料非线性可

44、以仿真符合沥青混合料应力应变规律的非线性粘弹性和粘塑性本构模型，能够较好模拟路面材料的非线性特性，目前，很多研究者都采用ansys和abaqus等大型商用有限元软件来建立车辙预估模型，这是路面车辙预估的一个方向。综上所述，对沥青路面车辙计算方法的研究中，随着有限元技术和流变学理论的发展，它的发展过程从弹性理论到粘弹性理论和粘塑性理论，从线性粘弹性理论到非线性的粘弹性理论和粘塑性理论，从弹性层状体系的解析解向着数值方法的有限元方法方向发展。1.3 研究内容与方法1.3.1 研究内容本文依托国家自然科学基金项目（e50678183）“基于行车动力作用的沥青路面车辙计算与预估方法研究”，以沥青路面在

45、汽车动荷载作用下产生的车辙作为研究对象，结合流变学理论和ansys瞬态动力学分析理论，在借鉴已有的研究成果的基础上，重点研究以下内容： 1. 沥青路面车辙的发生机理：阐明沥青路面车辙现象产生的机理，分析沥青路面车辙的主要影响因素和控制指标，研究各项因素和指标对沥青路面车辙深度发展趋势的影响。2.沥青混合料的本构模型：分析当前流变学的粘弹性本构模型、弹塑性本构模型、粘塑性本构模型在描述沥青混合料应力应变关系中的应用，寻找既能描述沥青混合料变形特征，又能方便测定其参数和能够方便实现数值计算的粘弹塑性本构模型。3.基于burges粘弹性本构模型的车辙计算：采用动态蠕变试验测定本构模型的参数，研究本构

46、模型转化为ansys粘弹性参数的prony级数计算方法，采用ansys瞬态动力学分析理论，计算沥青路面车辙。4.基于johnson-cook粘塑性本构模型的车辙计算：采用单轴压缩试验测定本构模型的参数，研究本构模型参数在ansys中输入的方法，采用ansys瞬态动力学分析理论，计算沥青路面车辙。1.3.2 研究方法本文应用流变学的理论，研究沥青混合料的非线性本构模型，结合ansys瞬态动力学分析理论，模拟行车动荷载作用下沥青路面车辙变形过程，通过理论与实验相结合的方法计算沥青路面车辙。第二章 沥青路面车辙形成机理与变形特征随着交通量的不断增加和车辆行驶渠化程度的不断提高，沥青路面车辙病害越来越

47、严重，严重降低我国高等级公路是服务质量和水平，因而对沥青路面车辙的研究具有非常重要的经济效益和社会效益。计算沥青路面车辙首先要对其形成机理和变形特性进行研究，本章重点分析沥青路面车辙的形成机理和影响因素，阐述了沥青混合料强度构成原理，以及力学特性的颗粒性、粘弹塑性、温度软化效应和动态力学特性。2.1 沥青路面车辙的形成过程 沥青路面的车辙由路基、基层和面层的永久变形组成。在我国，由于半刚性基层在高等级公路中广泛被采用，以及沥青路面面层的厚度不断增加，路基以及基层产生的永久变形占路面永久变形的比例越来越低。大量观测及理论计算表明：以半刚性材料做基层的沥青路面，面层产生的永久变形占路面永久变形总量

48、的90%以上。沥青路面面层永久变形的形成过程，可以简单的将其分成三个阶段13：1）开始阶段的压密过程沥青混合料在碾压成型前是由骨料、沥青和空气组成的松散混合物，经碾压后，高温下处于半流动状态下的沥青以及由沥青和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的骨架结构。碾压完毕开放交通后，随着车辆荷载的不断重复作用，此密实过程还会有进一步的发展。2）沥青混合料的流动高温下的沥青混合料处于以粘性为主的固体，在车轮荷载作用下，沥青及沥青胶浆将产生流动，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间隙外，还将随沥青混合料自由流动，从而使路面在重复荷载作用下被压缩而产生

49、永久变形。3）矿料骨架的重新排列及矿料骨架的破坏沥青混合料在高温下处于半固态，由于沥青及胶浆将在荷载作用下首先流动，破坏了原有沥青与骨料之间的粘结，混合料中粗、细骨料组成的骨架逐渐成为荷载的主要承担者，再加上沥青的润滑作用，硬度较大的矿料颗粒在荷载作用下会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，特别是当骨料间沥青及胶浆过多时，这一过程会更加明显。车辙形成的最初原因是沥青混合料在车辆荷载作用下的进一步压密及沥青在高温、荷载共同作用下的流动，最后导致集料骨架失稳，从本质上讲，就是沥青混合料的结构特征发生了变化。当然，并不是所有的车辙发展都会经历上面三个过程，而且这三个

50、阶段对车辙的贡献值也不相同。根据车辙形成机理，可将其分为三大类型14:1)流动型车辙：它是由于沥青路面结构层在车轮荷载作用下，其内部材料的流动产生横向位移而形成。通常发生在轮迹处，当沥青混合料的高温稳定性不足时，在外力作用下就会产生这种车辙。这种车辙一般都有剪切变形产生的两侧隆起现象，对主要行驶双轮车的路段，车辙断面成w型。2)结构型车辙：这是由于路面结构在交通荷载作用下产生整体永久变形而形成，这种变形主要是由于路基变形而产生。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字型(凹型)。3)磨耗型车辙：由于沥青路面结构顶层的材料受车轮磨擦和自然环境因素作用下持续不断损耗而形成。在我国

51、，由于基层基本上是半刚性基层，强度及板体性好，基层及基层以下的变形极小，除了某些基层施工不良的路段外，结构型车辙很少。磨损型车辙在我国也较少，可以通过法律手段来阻止。三种类型车辙中以失稳型车辙最为严重，而且影响因素多而复杂，对于这种车辙可以说没有有效地维修方法，唯一只有将车辙部位铣刨掉用新的混合料修补，或将原来材料再生改造以更换产生车辙的层次。 但另外还有一种在国外较少发生的车辙，在我国却常常发生，它是由于沥青面层本身的压密造成的，这是非正常的车辙。有些高速公路施工时没有充分压实或为了片面追求压实度在降温下碾压造成压实度不足。在这样的路段上，沥青层在交通车辆的反复碾压作用下，空隙率不断减小，待

52、到极限残余空隙率后才趋于稳定。由于我国高等级公路大部分都是采用半刚性性基层，再加上流动性车辙危害很严重，在高等级公路病害中占较大比例，所以本文研究的重点是沥青路面的流动性车辙。2.2 沥青路面车辙变形的成因关于沥青路面的车辙的成因，国内外进行众多的试验研究。在国外，车辙流动变形是公路沥青路面最普遍的、最受重视的损坏模式，投入研究的力量最多。但是影响沥青路面车辙及混合料高温性能的影响因素非常多，总体上可分为内在因素和外部条件两大方面。内在因素主要反映在材料本身的质量上，也就是沥青混合料的高温稳定性能。而外部条件主要包括气候条件和交通荷载。当外部条件和材料的内在因素结合在一起时就会对沥青路面产生综

53、合影响。此外，路基、路面基层和路面结构形式及其施工质量都会影响到车辙的产生。车辙的主要影响因素15有筑路材料质量、沥青混合料的类型、路面结构类型、气候环境、交通荷载和施工质量等（如表2.1）。表2.1 各种因素的变化对沥青路面车辙的影响table2.1 the influence of various factors to the rutting of asphalt pavement 因 素因素变化因素变化对车辙的影响集料表面纹理级配形状粒径光滑 粗糙连续 间断圆滑 棱角最大粒径增大减小减小减小减小沥青结合料粘度劲度敏感度增大增大增强减小减小增大混合料沥青含量空隙率集料间隙率增加增加增加增大

54、增大增大环境因素温度应力/应变状态交通量交通渠化基层强度雨水升高增大增加严重增大干燥 潮湿增大增大增大增大减小增大1）沥青、集料和矿粉的物理力学特性的影响一般来说，选择优质的材料，采用合适的沥青用量，进行适当的级配设计，能显著地提高沥青混合料的抗车辙能力。在诸多材料影响因素中，集料所具有的特性对沥青混合料高温性能的影响尤其显著。通常，破碎、坚硬、纹理粗糙、多棱角、颗粒接近立方体的集料，相应的沥青混合料高温性能就比较好。有研究认为，在集料组成中，破碎的细集料比破碎的粗集料对改善沥青混合料的高温性能更有利，表明中等颗粒采用破碎集料更重要。沥青材料本身的特性对沥青混合料高温性能的也有重要影响，沥青的高温粘度越大，劲度越大，与石料的粘附性越好，相应的沥青混合料抗高温变形能力越强。通过添加合适的改性剂可大幅提高沥青的高温粘度，从而比较明显的改善沥青混合料的高温性能。沥青用量对混合料的抗车辙能力有极为明显的影响，我国公路沥青路面施工技术规范规定，在夏季炎热的高温地区，在配合比设计得出的最佳沥青用量oac的基础上，减少0.3%之后的沥青用量作为设计沥青用量往往是适宜的。施工时严格控制沥青用量对控制车辙有极为重要的意义，这一点对重载路段尤