基于温度场和动态模量沥青混合料车辙预估模型研究.docx

基于温度场和动态模量沥青混合料车辙预估模型研究.docx

《基于温度场和动态模量沥青混合料车辙预估模型研究.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于温度场和动态模量沥青混合料车辙预估模型研究.docx（13页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。

基于温度场和动态模量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15mm～20mm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VonMiser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）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，εP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Alietal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–φ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（AcceleratedPavementTesting）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。

SzydloandMackiewicz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，所以车辙病害并不突出。

近年来，随着我国经济的发展，高等级沥青公路建设已进入快速发展时期。

由于交通量逐年增加，渠化交通形成，车辆轴载的增大以及超载等方面的原因，沥青路面车辙已成为我国一个普遍而且严重的路面病害问题。

我国同济大学、长安大学、东南大学等高校及科研单位的研究者纷纷开展路面车辙方面的研究，提出了各具特色的车辙预估方法。

1988年徐世法等在分析沥青混凝土路面永久变形时，根据粘弹性层状体系理论计算路面内的应力、应变，提出了“四单元五参数”车辙预估方法。

1990年许志鸿等把路基路面看成粘弹性层状体系，提出了基于粘弹性层状体系理论的车辙理论计算方法。

李一鸣等在理论分析和室内车辙试验的基础上建立了指数型车辙预估模型。

1995年张登良等以弹性层状体系理论和流变学模型分析为基础，结合沥青混合料的变形特性，提出了考虑层减薄量和侧向隆起高度的车辙深度预估模型。

然而，以上模型有的含有粘弹性模型元件或参数太多、确定材料参数困难；有的没有考虑影响车辙的温度等主要影响因素，而且计算复杂；有的没有考虑车辙的侧向流动变形，且没有通过现场调研数据的校正，都没有得到广泛的应用。

1995年茅梅芬在分析室内环道车辙试验结果的基础上建立了重复荷载作用下沥青混凝土的永久变形规律车辙深度与荷载作用次数之间的关系。

2000年黄晓明通过环道试验分析结果提出了考虑路面厚度的车辙预估模型。

但更多的研究表明，路面车辙并不随着路面增厚而逐渐加深，因此模型对于不同路面的适用性有待进一步验证。

2004年李静在Shell方法中引入粘塑性参数对沥青混合料永久变形进行预测。

2004年周富杰采用加速加载试验验证了沥青混凝土的三阶段变形特性，并在此基础上提出了基于三阶段变形的车辙预估模型，但是由于很难完全把车辙变形的三阶段分开，所以在实际应用中存在很大的困难。

2006年鲁正兰根据室内车辙试验数据建立了含有温度、材料抗剪强度、路面中的剪应力、试件厚度、轴载作用次数等影响因素的车辙预估模型，但该模型完全是基于室内试验基础上建立的，模型参数没有进行实际路面的修正，模型对实际路面的适用性值得怀疑。

2007年苏凯采用“亚层变形叠加”的方法建立了考虑温度、应力、材料强度及行车速度的车辙预估模型，该模型虽然考虑了抗剪性能，但建立模型的车辙试验仅采用较薄的单层试件，与实际路面结构相差较大。

综上所述，沥青路面车辙预估模型种类繁多，有些预估方法参数过多，模型复杂，为推广应用带来很大的困难；有些预估方法完全建立的经验统计的基础上，甚至没有考虑沥青材料的力学参数，仅能在特定的环境下的车辙预估，没有普遍性；有些预估模型是建立在静态特性假设的基础上，与沥青混合料的动态力学响应存在很大差异；还有些车辙预估模型完全建立在室内车辙试验的基础上，并没有通过加速加载试验或实际路面调研数据的校正，其适用性值得怀疑。

本研究从沥青混合料的动态力学特性出发，选择合理的参数，通过大量的试验研究及实际路面车辙调查，建立车辙预估模型，并应用预估模型指导沥青混合料的设计。

三、主要研究内容及工作方案

1.沥青路面车辙状况调查及车辙形成机理分析

（1）沥青路面车辙调查

对已建成高速公路车辙状况进行详细调查，调查内容包括交通量、气候环境、车辙深度等。

通过交通管理部门及气象部门搜集交通量、气候温度等资料。

对调查结果尤其是典型实例进行分析，找出和总结车辙严重路面处存在的主要问题。

（2）典型沥青路面取样分析

选择调查所得典型路面，在车辙严重道路断面上的车辙处、隆起处及轮迹两侧钻芯取样，研究该处沥青混合料的级配、空隙率、沥青用量，并通过试验分析其高温稳定性。

（3）沥青路面车辙形成机理分析

在分析沥青路面车辙影响因素的基础上，根据车辙调查结果及钻芯取样分析结果研究路面车辙变形特性及形成机理，确定车辙严重路段的具体原因。

2.沥青路面温度场研究

（1）沥青路面温度场预估模型研究

调查当地不同时间路面温度分布状况，分析温度对沥青混合料变形特征的影响，总结现有的沥青路面温度场预估模型研究成果，根据调查和现场测量结果，确定合适的沥青路面温度场预估模型。

（2）沥青面层代表温度的确定

针对沥青层内部存在的温度梯度，选取有代表性的温度参数作为动态模量及室内车辙试验温度，关键在于确保工程应用的易操作性，即要求温度参数的容易获取以及计算的简洁。

（3）不同温度下累计轴载次数的转换

通过不同温度下的车辙试验，建立不同温度下产生等效车辙的交通量换算关系，为准确建立车辙预估模型提供参数。

3.沥青路面力学分析

（1）沥青混合料粘弹性及永久变形机理分析

总结现有的沥青混合料粘弹性研究成果，在此基础上分析沥青混合料的粘弹性响应特征，探讨沥青混合料永久变形行为及机理。

（2）沥青面层应力分析

计算沥青路面各层内部最大剪应力及荷载中心下与轮隙中心下层底拉应力的分布，分析层间接触状态对半刚性基层沥青路面的最大剪应力的影响。

（3）行车荷载对路面剪应力影响分析

根据行车荷载调查结果，计算不同轴载作用下路面内部剪应力，分析轴载对于面层结构内部剪应力的影响，探讨超载对车辙病害的影响。

（4）温度场对路面剪应力影响分析

考虑温度对沥青混合料模量的影响，计算不同温度下路面内部剪应力，分析混合料温度场对于面层结构内部剪应力的影响。

4.沥青混合料动态模量研究

（1）路面芯样试件的动态模量试验

选择合适的试验方法测试沥青路面芯样试件的动态模量，分析动态模量试验结果与其路面实际车辙的相关性。

（2）沥青混合料材料组成对动态模量的影响

研究材料组成对沥青混合料动态模量的影响，主要包括混合料级配类型、空隙率、沥青用量和沥青性质等因素。

（3）沥青混合料动态模量预估模型研究

在分析材料组成对沥青混合料动态模量影响的基础上，建立沥青混合料动态模量预估公式。

5.室内车辙试验及高温变形性能与动态模量相关性分析

（1）沥青混合料的车辙试验

针对选定的典型沥青混合料进行车辙试验，分析车辙影响因素，根据车辙试验结果，研究沥青混合料级配类型、沥青用量、沥青性质、荷载作用次数和温度等因素与车辙深度的关系。

（2）车辙变形量与动态模量相关性分析

根据所选的典型沥青混合料动态模量和车辙试验结果，考虑不同的混合料级配类型、空隙率、沥青用量和沥青性质等因素，分析车辙变形量与动态模量的关系，为建立车辙预估模型奠定基础。

（3）重载交通下累计轴载次数的转换

对车辙影响最严重的是作用在轮迹带上的那部分交通量，尤其是重载条件下，在进行车辙预估时应考虑使路面产生车辙的有效交通量。

通过不同荷载下的车辙试验，建立不同荷载作用下产生等效车辙的交通量换算关系，为准确建立车辙预估模型提供参数。

6.沥青路面车辙预估模型研究

（1）路面车辙影响因素分析及预估模型参数选取

影响路面沥青层车辙的因素较多，如车辆荷载的大小及施加速度、荷载重复次数、路面温度以及沥青混合料的性质等。

本研究的目的是寻求车辙与动态模量的关联特性，所以在考虑荷载作用次数和温度的基础上，采用混合料动态模量和相位角等性能参数建立车辙预估模型，体现混合料动态模量特性对其抗车辙性能的影响。

（2）车辙预估模型的建立

在车辙深度与其影响因素数学关系回归分析的基础上，根据面层上、中、下三层各材料特性及力学分析结果，建立各层车辙预估模型，并根据不同混合料在不同温度下的车辙试验结果评价该预估模型的准确性。

（3）车辙预估模型参数修正

沥青路面实际受到的交通荷载形式多样，车辙的发展受到的影响远比室内车辙试验复杂，应在室内车辙试验的车辙预估模型的基础上，根据不同沥青路面实际车辙深度调查结果对室内试验模型进行修正，结合荷载作用次数、温度以及沥青混合料的动态参数，提出实际路面车辙预估模型。

7.试验路验证

（1）试验路材料特性分析

针对当地高速公路面层材料的应用、使用、病害情况，综合考虑使用效果、经济性、地域特点等因素，利用动态参数进行路面材料选择。

通过室内试验研究，提出该地区面层材料的合理组成方案，以期达到减少车辙，提高路面整体使用寿命的目的。

（2）试验路车辙调查

采用基于动态模量的车辙预估模型对试验路采用的路面结构型式进行车辙预估，并对各种沥青路面车辙进行现场调查分析评价，以此验证沥青路面车辙预估模型的实际效果。

四、技术路线

以沥青混合料的动态力学特性为基础，通过大量试验深入分析沥青混合料的动态模量与混合料组成及性能的关系，研究沥青混合料材料组成对动态模量的影响。

在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与动态参数的关系，根据路面温度场分布及力学分析结果，提出基于动态模量参数的沥青路面永久变形预估模型，根据大量实际车辙变形调查，对车辙预估模型参数进行修正。

具体技术路线如图1所示。

五、创新点

（1）建立基于温度场和沥青混合料动态模量的沥青路面车辙预估模型；

（2）提出不同温度下等效车辙累计轴载次数转换关系；

（3）提出沥青路面芯样动态模量测试方法。

图1技术路线