基于温度场和动态模量的沥青混合料车辙预估模型研究.docx

1、基于温度场和动态模量的沥青混合料车辙预估模型研究 基于温度场和动态模量的沥青混合料车辙预估模型研究研究大纲西安建筑科技大学2011年5月一、项目研究的必要性由于沥青路面具有良好的行车舒适性和优良的使用性能，且维修方便，我国高速公路绝大部分都采用了沥青路面。然而，由于交通量的迅猛增长和重载、超载情况的加剧，沥青路面的损坏现象也日趋严重。其中，车辙是当前我国高等级公路沥青路面问题最突出，危害最大的损坏类型之一。近年，由车辙引起的路面损坏所占比例有愈来愈大的趋势，车辙问题已经成为道路交通领域的世界性难题。美国西部公路交通运输协会在报告中指出，在许多国家沥青路面车辙问题是目前公路管理部门所面临的最迫切

2、的问题。从我国属于热区的南方到属于寒区的北方，从西部地区到东部沿海，许多高速公路均出现了不同程度的车辙损坏。车辙病害的出现，不仅严重影响路面的使用质量和服务寿命，而且严重影响交通安全性。国外认为当车行道车辙深度达到15mm20mm时，路面就已经损坏。若按此标准，我国很多通车不久的高速公路都需要维修或改建。可见，沥青路面车辙的危害不容忽视，如何采取有效方法控制车辙成了公路部门的当务之急。由于沥青混合料是一种典型的粘弹性材料，影响沥青混合料高温特性的因素很多，车辙的形成原因非常复杂。尽管国内外沥青路面的设计方法已经在路面结构组成设计和路面材料组成设计上对沥青路面车辙的控制进行了大量的研究，但是实用

3、效果并不明显，沥青路面的车辙现象依然显著。随着对路面结构行为研究的深入，国内外部分道路研究人员逐渐认识到只是材料上的改进并不能彻底解决车辙问题，必须在车辙性能指标以及设计方法上进行系统性改进才能最终防治车辙损坏，即需提出有效的车辙性能评价指标、建立合理的车辙预估模型并据此提出控制车辙的路面设计指标。目前我国公路沥青路面结构设计和车辙预估模型均采用静态参数。由于路面结构在车辆荷载的作用下其实际工作受力状态、材料性质等都处于动态体系，因此，研究沥青路面材料的动态参数和基于动态参数的车辙预估模型十分必要。本研究深入分析沥青混合料的动态模量参数指标，讨论沥青混合料的动态模量与混合料组成及性能的关系，在

4、沥青路面车辙病害成因及机理分析的基础上，探索沥青混合料高温性能试验方法及动态模量参数，提出引入动态模量参数的沥青路面永久变形预估模型，对提高我国沥青混合料设计水平及控制路面病害具有重要意义。二、国内外研究应用现状车辙问题一直是困扰世界各国道路设计人员的主要病害类型，很多路面设计方法都将车辙作为路面结构破坏的首要判定准则。近年来，随着施工机械的发展及施工技术的提高，由路基和基层产生的永久变形在车辙总量中所占的比重越来越小，沥青面层所占的比例越来越高。对于我国广泛采用的半刚性基层沥青路面而言，车辙主要产生于沥青层，这一点已在相关的调研结果中得到证实。车辙发展的精确预估可以用来进行指导沥青混合料和路

5、面结构设计，还可以为路面养护和维修提供决策。因此，国内外学者对沥青混合料车辙预估开展了大量的研究，一些国家明确将车辙预测作为沥青路面设计方法的一部分，如美国沥青协会规范、壳牌设计指南、南非的力学设计法等。经过多年的研究，国内外研究者针对路面沥青层的永久变形分别从不同的角度建立了形式多样的车辙预估模型。1.国外研究现状国外对车辙预估问题的研究已有近三十年的历史，关于路面车辙预估，从经验性方法到考虑粘弹塑性理论等各种方法都有，这些车辙预测方法大致可分为三类：理论分析方法、半理论半经验法、经验法，其中经验法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，因此国外车辙预估方法以

6、理论分析法为主。（一）经验法经验法是从试验路或者室内试验测定数据，采用统计方法建立沥青混凝土层永久变形与材料参数、荷载作用次数的经验关系。1986年Finn等人根据AASHTO试验路观测结果编制了PDMAP的计算程序来预测沥青混凝土路面车辙。2002年，Archilla根据AASHTO路面试验数据提出了统计车辙模型： （1.1）式中：为在时间t时，断面i的车辙深度；为路面断面i竣工时源于下卧层的车辙深度，为一与全部初始车辙深度相关的非观察值；，为路面特性函数；为在时间t时，路面断面i累积荷载重复作用次数。由于经验法建立的经验模型没有考虑路面结构的整体效应，模型中结构很少，甚至没有考虑到沥青材料

7、的力学参数，不能对混合料的力学性能有较深入的概括，且预估车辙的公式外延性差，适用面窄，所以经验法只能用于非常具体的环境，应用局限性较大，难以推广，用于评价沥青混凝土路面的永久变形受到了一定的限制。（二）理论法理论法通过试验测得沥青材料的性质参数，利用弹性或者粘弹性层状体系理论计算路面内部的应力、应变，然后根据路面材料的永久变形与应力之间的关系，建立沥青混凝土层的永久变形预估模型。理论法主要包括层应变法和粘弹性法。在70年代提出了一种车辙预估的层应变方法。层应变法将路面的每个结构层划分成较薄的层次，并计算每层中心位置的应力和应变而得到总的车辙变形，这种车辙模型综合考虑了轴载、温度、湿度等因素，把

8、沥青层的变形看成是若干个亚层变形的叠加，通过假设弹性应力区域与各层的垂直永久变形之间的一种线性或非线性的关系计算出所有路面层的永久变形，计算模型如下： （1.2）式中：为每一层的永久变形；为每一亚层的塑性应变；为每一亚层的厚度。国际上应用最广的层应变法是壳牌（Shell）法，壳牌车辙预估方法是在大量蠕变试验、轮迹试验和一系列假设的基础上建立起来的。该方法假定沥青混合料的变形是由于相邻矿料间的滑移所形成的，并且从蠕变试验得到沥青混合料劲度与沥青劲度的关系。考虑到动态与静态之间的差异，提出了修正的车辙计算公式： （1.3）式中：为车辙深度；为动态修正系数；为构造因子，用于调整试验室的单轴静态蠕变试

9、验与实际路面侧向为受约束状态下不一致而造成的结果误差；为第i分层内的平均压应力；为第i分层沥青混合料的粘滞劲度；为第i分层厚度。尽管层应变方法可以计算出路面每一层的永久变形，而且理论简化，基本能满足工程精度的要求。但该法只考虑轮胎中心位置下单轴压缩蠕变模式的变形，没有考虑轮胎边缘下路面产生的剪切变形，不能预测车辙变形两侧的车辙“隆起”。此外，这种类型的模型还假设路面的永久变形只是与弹性应力相关，限制了其对于沥青路面永久变形的预估能力。粘弹性法尝试解释沥青混合料永久变形中沥青混合料的粘弹性质并引进Maxwell模型、Kelvin模型或Burgers模型等来预测沥青混合料的车辙变形，与层间应变方法

10、不同的是，这种模型假设永久变形与路面材料的弹性特性无关。1994年Sousa等建立了一个非线性的粘弹塑性模型。该模型的粘弹性元件由8个Maxwell并联而成，模型的粘弹性元件代表依赖荷载速率和温度的沥青结合料，弹塑性元件代表沥青混合料中的骨料，采用Von Miser塑性力学模型及其相关的流动法则，以及线性的各向同性和运动硬化定律通过一系列的试验，最后得到车辙深度和最大永久剪应变之间的关系： （1.4）式中：为车辙深度；为最大永久剪应变；k为系数。该模型考虑了剪应力，可以反映沥青混合料的高温变形机理，而且由于模型中考虑了沥青混合料的粘弹塑性响应，所以有其自身的优势，考虑了材料的非线性，提高了预测

11、的能力。但该模型是建立在广义Maxwell模型基础上的，有其无法避免的缺陷，即在周期荷载作用下，卸载后大多数应变恢复，与试验数据及车辙实际发展状况不符。用粘弹性预估沥青混凝土永久变形，是一个很大的进步，但技术仍不成熟，大部分研究成果只考虑了沥青的粘弹性并间接使用了混合料的粘弹性特征。由此可见，以粘弹性方法为基础的车辙预测模型的建立有其合理性，但研究发现仅考虑沥青的粘弹性质，不考虑矿料以及矿料与沥青之间的相互作用，还不足以准确预测沥青路面的车辙变形。SHRP研究者也建立了沥青混凝土永久变形的粘弹性模型，但是该模型不能充分描述响应，后来对模型又加入弹塑性部分，目前仍然在进一步完善粘弹性模型。（三）

12、力学经验法力学经验法采用弹性层状体系理论或粘弹性层状体系理论计算路面的应力和应变，并结合室内外试验，统计得出沥青混凝土路面的车辙与材料特性、路面结构及荷载作用次数之间的经验关系式，其中最常用的模型为如下的形式： （1.5）式中，P为永久变形或塑性应变；N为应力数；a和b为模型参数，是外加应力和材料性质的函数。Kenis和Ali et al在以上模型的基础上，基于在交通荷载作用下路面结构层的弹性和塑性应变的均衡进行了修正，采用如下模型预估沥青路面车辙： （1.6）式中，为弹性应变；和为永久变形参数。2000年Monismith提出了一种层应变的替换方法用来描述沥青路面的车辙行为，在这种方法中把路

13、面模拟成多层弹性体系，沥青混凝土模量由恒高度重复简单剪切试验（RSST-CH）得到。这种方法的优点是考虑了轮胎边缘下的剪切变形，缺点是其为基于非线性的弹性理论，且无标准。2004年Fwa等根据沥青混凝土的剪切流动变形原理，采用C 模型进行沥青混凝土路面的车辙预估。该模型考虑了沥青混凝土路面车辙的发生机理及各种因素，是力学-经验法的典型代表，但该模型中的意义并不明确，且模型的建立仅限于室内试验，还需要现场数据的进一步修正。力学经验法认为沥青混合料的车辙是由沥青混合料的剪切变形引起，曾被用来描述美国西部环道车辙，其优点是可以考虑轮胎边缘处混合料的剪切变形，但该法还是基于沥青混合料的线弹性假设，其合

14、理性有待验证。（四）有限元法早期关于沥青混合料粘弹性特性的研究中，研究者普遍关注材料本构模型的选择及力学特性的分析。近年来，随着计算机硬件水平与数值计算方法的不断进步，国际上越来越多的学者开始偏重于粘弹性理论的数值计算方法。目前工程领域常用的数值模拟方法有：有限元法、边界元法、离散单元法和有限差分法，就应用广泛性而言，现在国内外主要采用有限元计算法，来对沥青混合料在复杂的荷载条件下的力学响应进行研究。车辙起因于路面材料的非线性特性，例如沥青混合料的粘弹性和粘塑性、骨料和土的塑性，有限元法能很好地模拟具有非线性特性的路面车辙。有限元分析法用于路面工程己有几十年的历史。1968年Duncan等第一

15、次将有限元方法用于柔性路面分析，此后有很多研究人员致力于将有限元法用于路面车辙预估。1982年Desai等通过将荷载与路面层的接触面积在有限单元网格上平移来模拟运动荷载，从而解决了瞬时荷载的车辙预估问题。随着计算机的发展，ABAQUS和ANSYS等大型商业有限元分析软件，得到了广泛的应用，并逐渐与粘弹性理论开始综合应用。Huang利用粘弹性有限元进行车辙预估并与APT(Accelerated Pavement Testing)和PURWhell(普渡轮碾仪)进行对比证明了有限元预估车辙的有效性。Fang利用ABAQUS中时间硬化蠕变模型（采用Bailey-Norton 蠕变规律）进行了非均布接

16、触压力下的实际路面的有限元模拟。Long认为沥青混合料是粘弹塑性材料，用恒高度简单剪切频扫试验研究了沥青混合料的非线性粘弹性本构方程，从主曲线得到了移位因子和材料参数，并用有限元对恒高度剪切试验和实际路面做了模拟，证明了有限元模拟的有效性。Qablan等78建立一个复合的粘弹塑性本构模型，采用有限元分析方法模拟APA试验的车辙发展。Szydlo and Mackiewicz对沥青混合料建立了Burgers模型，并对路面建立有限元的车模拟，得到了流变参数对沥青混合料的粘弹响应的影响。2.国内研究现状我国对沥青路面车辙问题的研究起步较晚，这主要是由于我国在80年代以前修建的沥青路面等级较低，而且当时交通量也比较小，大多是轻型、混合型交通，没有形成渠化交通，所以