（模式识别与智能系统专业论文）长大纵坡路段沥青混合料配合比设计及路用性能试验研究.pdf

合肥工业大学 帅m f f f 俐 y 1 8 8 6 i j i | j ： 呵。 本论文经答辩委员会全体委员审查，确认符合合肥工 业大学硕士学位论文质量要求。 答辩委员会签名：( 工作单位、职称) 主席： 委员： 导师： 锄殍 l o 劫垒处 名揪缎 角舷缈础磁微 谝丘 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加本以标志和致谢的地方外，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 金日巴工些太堂 或 其他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谢意。 学位论文作者签字：钧更 签字日期：2 秒年历月巧日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盒壁王些盍堂 有关保留、使用学位论文的规 定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被 查阅或借阅。本人授权 盒g 墨兰些太堂 可以将学位论文的全部或部分论文内 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、汇 编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文者签名：崩爻 导师签名： 厄堡八 签字日期咖h 勿月2 7 日签字日期：别年9 月吵日 学位论文作煮毕，业后去向： 工作单位：牧 通讯地址： 电话：| ；，留艿3 d 弘弓 邮编： 长大纵坡路段沥青混合料配合比设计及路用性能试验研究 摘要 车辙问题一直以来都是国内外研究的焦点问题，尤其对于长大纵坡路段，重载、 高温、低速的综合因素使得车辙病害变得尤为明显。本文对长大纵坡路段矿料级配组 成，路用性能、受力机理进行了系统研究。通过有限元模型，分析了长大纵坡沥青路 面剪应力随深度分布的规律，结果表明沥青面层内的剪应力在面层以下4 c m 1 0 c m 处出 现峰值，位于中面层中，因此要做好中面层结构设计。 针对长大纵坡路段沥青混凝土路面车辙破坏严重的问题，本文设计了有别于传 统的骨架密实型沥青混合料配合比设计方法，通过逐级填充法确定粗集料比例，得 出三档粗集料之间的最佳比例1 拌：2 群：3 拌为2 3 ：4 2 ：3 5 ，初选了六种不同级配的沥青 混合料。为了模拟实际路面剪应力的分布，采用单轴贯入试验进行沥青混合料抗剪强 度的测定，优选抗剪切性能最优的三种级配3 撑、4 拌和6 群。开展6 0 、8 0 车辙试验， 评价不同级配的高温性能，评价二氧化硅硅灰与聚丙烯腈纤维对沥青混合料高温性 能的影响，试验结果显示8 0 高温下掺硅灰的沥青混合料动稳定度要比掺纤维 的动稳定度要高5 0 。通过棱柱体单轴压缩试验，对比在常温( 2 5 ) 、高温 ( 8 0 ) 、低温( 10 ) 下普通沥青和改性沥青混合料的力学性质，在高温下 改性沥青混合料的弹性劲度模量最高达到1 5 6 m p a ，比普通沥青混合料的弹性 劲度模量提高了近3 0 0 ，在低温下效果并不显著。为评价混合料的低温抗裂性 能进行小梁弯曲试验，掺入硅灰和纤维均能改善沥青混合料的低温抗裂性能， 纤维在混合料中具有一定的加筋作用，改善沥青混合料低温性能的效果更为明 显。 关键词：道路工程；沥青路面；长大纵坡；级配；高温性能 e x p e r i m e n t a lr e s e a r c ho ng r a d a t i o nd e s i g na n dp a v e m e n t p e r f o r m a n c eo f a s p h a l tm i x t u r ei nl o n ga n ds t e e p l o n g i t u d i n a ls l o p es e c t i o n s a b s t r a c t r u t t i n gp r o b l e mh a sa l w a y sb e e nt h ef o c u so fr e s e a r c ha th o m ea n da b r o a d ， e s p e c i a l l yf o rt h el a r g el o n g i t u d i n a ls l o p er o a ds e c t i o nw h i c hh a sap a r t i c u l a r l ys i g n i f i c a n t t r a c kd i s e a s ec a u s eb yc o m p o s i t ef a c t o r sl i k eh e a v yl o a d ，h i g ht e m p e r a t u r ea n dl o w - s p e e d e t c t h i sp a p e rc o n d u c t sas y s t e m a t i cs t u d yo nm i n e r a la g g r e g a t eg r a d a t i o nc o m p o s i t i o n r o a dp e r f o r m a n c e ，l o a d i n gm e c h a n i s mo fl a r g el o n g i t u d i n a ls l o p er o a d b ya n a l y z i n gt h e l a wt h a ts h e a rs t r e s so fl a r g el o n g i t u d i n a ls l o p ea s p h a l tp a v e m e n td i s t r i b u t e sw i t hd e p t h t h r o u g hf i n i t ee l e m e n tm o d e l ，i ts h o w st h a tt h ep e a ks h e a rs t r e s so fa s p h a l tp a v e m e n t a p p e a ri n4 c m - 1 0 c mb e l o wt h es u r f a c el a y e r s oi t sn e c e s s a r yt om a k er a t i o n a ls t r u c t u r e d e s i g ni nm i d d l ec o u r s eb e c a u s et h ep e a ke m e r g e s i nt h i sp a p e r , n e wm i d d l ec o u r s em i x t u r er a t i od e s i g nm e t h o d so fs k e l e t o nd e n s e a s p h a l tm i x t u r eh a sb e e nm a d e ，w h i c hd i f f e r e n tf r o mt h et r a d i t i o n a lo n e s ，f o rt h es e r i o u s r u t t i n gp r o b l e mo fl a r g el o n g i t u d i n a ls l o p ea s p h a l tp a v e m e n t w h e nd e t e r m i n e st h e p r o p o r t i o no fc o a r s ea g g r e g a t eb ys t a g ef i l l i n g ，i tc o m e sa no p t i m u mr a t i oo ft h r e es t a g e s c o a r s ea g g r e g a t e ：1 撑：2 群：3 fa s 2 3 ：4 2 ：3 5 t h a np r i m a r yf i xs i xd i f f e r e n ta s p h a l tm i x t u r e g r a d a t i o n s i no r d e rt os i m u l a t es h e a rs t r e s sd i s t r i b u t i o n so ft h ea c t u a lp a v e m e n t ，w eh a v e a d o p t e du n i a x i a lp e n e t r a t i o n t e s tt od e t e r m i n et h es h e a rr e s i s t a n c eo fa s p h a l tm i x t u r e ，a n d h a v eo p t i m i z e dt h r e eg r a d i n gs i z e s ：3 # 、4 撑a n d6 群w h i c hh a v eo u t s t a n d i n ga n t i - u t t i n ga b i l i t y w eu s e dt h e s et h r e eg r a d i n gs i z e st oc a r r yo u tr u t t i n gt e s tr e s p e c t i v e l yu n d e r6 0 。ca n d 8 0 。c ，t oc o n t r a s th m ah i g ht e m p e r a t u r ep e r f o r m a n c eu n d e rt h ec o n d i t i o n so fd i f f e r e n t g r a d i n gs i z e s ，a d d i n gs i l i c af u m e ，a n da d d i n gp o l y a c r y l o n i t r i l e ( p a n ) f i b e r t h er e s u l t s s h o w e dt h a ta th i g ht e m p e r a t u r et h ed y n a m i cs t a b i l i t yo ft h ea s p h a l tm i x t u r ew h i c hh a s a d d e ds i l i c af u m ei s5 0 h i g h e rt h a nt h eo n eo fa d d i n gf i b e r t h r o u g ht h eu n i a x i a l c o m p r e s s i o nt e s to ft h ep r i s m ，c o n t r a s tt h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fc o m m o na s p h a l ta n d m o d i f i e dm i x e da s p h a l ta tn o r m a lt e m p e r a t u r e ( 2 5 ) ，h i g ht e m p e r a t u r e ( 8 0 。c ) ，l o w t e m p e r a t u r e ( - 10 ) t h es t i f f n e s sm o d u l u so fe l a s t i c i t yo fm o d i f i e dm i x e da s p h a l ti s 1 5 6 m p aa tt h eh i g h e s ts i t u a t i o na th i g ht e m p e r a t u r e n e a r l y3 0 0 h i g h e rt h a nt h eo n eo f o r d i n a r ym i x e da s p h a l t ，w h i l ei ti sn o ts i g n i f i c a n ti nt h el o wt e m p e r a t u r e w et o o ka t r a b e c u l a rb e n d i n gt e s ti no r d e rt oe v a l u a t et h ec r a c kr e s i s t a n c ea tl o wt e m p e r a t u r e i tc a i l c h a n g ec r a c kr e s i s t a n c ea tl o wt e m p e r a t u r ei fm i x e d 、析t hs i l i c af u m ea n df i b e r f i b e rw o u l d p l a yar e i n f o r c e dr o l ei nm i x e dm a t e r i a l ，a n dm a d eam o r eo b v i o u se f f e c to ni m p r o v i n gt h e a s p h a l tm i x t u r ea tl o wt e m p e r a t u r e k e y w o r d s ：h i g h w a ye n g i n e e r i n g ；a s p h a l tp a v e m e n t ；l o n ga n ds t e e ps l o p e ；g r a d a t i o n d e s i g n ；h i g h t e m p e r a t u r ep e r f o r m a n c e 致谢 首先感谢我的导师扈惠敏副教授，感谢导师在学习上的悉心栽培和在生活上的 细心关照。从论文的选题、研究、试验到最后完稿，字里行间无不凝聚着导师的大量 心血。导师在学习上、生活上给予我无微不至的关怀与照顾，学生终生难忘。导师高 尚的人品、渊博的学识、敏锐的洞察力、严谨求实的治学态度、务实的工作作风、诲 人不倦的学者风范和与人为善的为人都给予我极大的影响和熏陶，使我受益匪浅，都 将是我一生学习的榜样。值此硕士学位论文完成之际，谨向恩师表示最崇高的敬意! 并向恩师及其家人送上深深的祝福! 本文的顺利完成，也离不开我的师弟甘旭东、时啸林、张万里、杨雪峰、杨发 林等在课题研究与试验中一直给予的支持，是他们辛苦的工作保证了试验的顺利进 行，在此向他们表示感谢! 特别感谢师兄张明和周围帮助过我的同学，你们不仅在学 习和研究给予我指导，更在精神上给我鼓励，在此表示深深的谢意! 最后要深深感谢我的家人，是他们辛苦的工作、默默的奉献、长期的支持和鼓 励，才能使我安心学习，祝我的家人永远幸福、安康! 由于本人水平有限，论文中肯定还存在着一些不足之处，恳请各位批评指正! 作者：肖建 2 011 年4 月24 日 目录 第一章绪论1 1 1 研究背景及意义1 1 2 国内外研究现状3 1 2 1 长大纵坡路段车辙研究现状3 1 2 2 沥青路面车辙预估方法研究4 1 2 3 沥青混合料抗剪性能研究现状5 1 3 本课题主要研究内容及技术路线6 1 3 1 主要研究内容6 1 3 2 主要技术路线7 第二章长大纵坡沥青路面受力分析9 2 1 时间温度等效原理与w l f 方程9 2 2 沥青的蠕变和松弛10 2 3 车辆在纵坡路段上坡时的车辆路面力学10 2 4 有限元法分析及a n s y s 简介1 1 2 4 1 有限元分析( f e a ) 的基本思想1 l 2 4 2 有限元法( f e a ) 的基本假设：1l 2 4 3 a n s y s 发展和应用简介11 2 5 路面结构层的有限元分析l2 2 5 1 结构计算模型及边界条件假设1 2 2 5 2 计算参数12 2 5 3 有限元分析结果l3 2 6 本章小结、15 第三章原材料性质与检验16 3 1 沥青1 6 3 2 集料17 3 2 1 粗集料1 7 3 2 2 细集料2 1 3 3 矿粉填料2 2 3 4 纤维2 3 3 5 本章小结2 4 第四章长大纵坡路段沥青混合料配合比设计2 5 4 1 级配类型选择2 5 4 1 1 基于骨架结构理论的沥青混合料设计方法2 5 4 1 2 贝雷法级配设计2 6 4 1 3 酬阡设计法级配设计2 7 4 1 4 s a c 集料级配设计法2 8 4 2 确定骨架中各档租集料的比例2 9 4 3 初选级配31 4 4 马歇尔试验3 4 4 5 最佳油石比确定3 6 4 5 1 绘制沥青用量和物理力学指标关系曲线图3 7 4 5 2 最佳油石比的确定4 2 4 6 空隙率检验4 2 4 7 级配图像4 5 4 8 本章小结4 9 第五章沥青混合料路用性能5 0 5 1 抗剪切性能试验5 0 5 1 1 高温稳定性要求5 0 5 1 2 单轴贯入抗剪试验方法5 0 5 2 车辙试验5 9 5 3 沥青混合料单轴压缩试验( 棱柱体法) 6 3 5 4 沥青混合料低温弯曲试验6 7 5 5 本章小结7 1 第六章结论与建议7 3 6 1 本文的主要研究成果7 3 6 2 需要完善和解决的问题7 3 参考文献7 5 图1 1 图1 2 图1 3 图1 4 图2 1 图2 2 图2 3 图2 4 图2 5 图2 6 图3 1 图4 1 图4 2 图4 3 图5 2 图5 3 插图清单 我国高速公路总里程发展趋势图1 合徐北高速公路车辙2 合徐北纵坡路段车辙3 研究技术路线8 车轮受力分析图1 1 1 4 模型网格划分图13 加载处网格局部加密13 荷载作用下竖向位移图14 轮隙中间处剪应力沿深度方向变化图14 轮隙中间处剪应力沿深度方向变化图15 矿粉粒径分布2 2 第一级填充l # 、2 # 料混合振实堆积密度3 0 ( 14 、2 。料) 与3 。料混合密度3l 级配1 。曲线图32 贯入后试件的破坏表面51 单轴贯入应力变形图( 级配1 撑，h = 7 5 m m 试件) 51 表1 1 表2 1 表3 1 表3 2 表3 3 表3 4 表3 5 表3 6 表3 7 表3 8 表3 9 表3 10 表3 1 1 表3 12 表4 1 表4 2 表4 3 表4 4 表5 1 表5 2 表5 3 表5 4 表5 5 表5 6 表5 7 表5 8 表格清单 合徐北纵坡路段车辙2 路面结构主要计算参数12 s b s 改性沥青技术要求与检测数值16 石灰岩密度记录18 石灰岩针片状颗粒含量18 石灰岩压碎值记录19 石灰岩粘附性20 石灰岩矿料筛分试验汇总表20 粗集料技术指标与质量要求21 细集料表观密度2l 细集料试验指标及技术要求22 矿粉平均粒径及比表面试验结果23 矿粉填料质量技术要求2 3 聚丙烯腈纤维物化性能参数2 4 1 # 、2 4 料混合振实堆积密度3 0 ( 1 # 、2 。料) 与3 # 料混合密度3 0 初选级配表3 2 马歇尔稳定度试验结果( 14 6 4 级配) 34 贯入试验结果汇总5 4 有限元计算的基本抗剪强度参数56 单轴贯入剪切试验结果5 7 车辙试验结果( 6 0 ) 60 车辙试验结果( 8 0 ) 6 2 2 5 常温下单轴压缩结果6 5 8 0 高温下单轴压缩结果66 1 0 低温下单轴压缩结果6 6 第一章绪论 1 1 研究背景及意义 截至到2 0 l0 年底，中国公路网建设总里程已经达到3 9 8 4 万公里，五年 新增6 3 9 万公里。其中，高速公路由“十五”期末的4 1 万公里发展到7 4 万公 里，五年新增3 3 万公里，居世界第二位。沥青路面由于良好的使用性能被广 泛应用于现代高等级公路的建设。然而，一部分高速公路在通车1 3 年甚至更 短的时间内就出现了车辙、开裂、剥落等早期病害，不仅降低了道路的使用性 能，并大大降低了道路的使用寿命，造成巨大经济损失。目前，沥青混合料的 高温稳定性不良而产生的塑性流动变形即车辙是沥青路面典型的破坏形式。 7 4 0 0 0 6 0 3 0 0 ，名5 c 5 3 6 0 0 4 1 0 0 5 ，5 3 0 0 2 9 7 4 5 j 彳2 8 8 1 9 4 7 7 磊3 0 4 7 7 11 1 师3 4 1 4 7 2 7 15 2 2 5 7 46 5 21 1 4 51 6 0 3 竺j5 彳7 3 3 1 9 8 71 9 8 8 1 9 8 9 1 9 9 01 9 9 i 1 9 9 21 9 9 3 1 9 9 4 1 9 9 51 9 9 6 j 9 9 71 9 9 8 1 9 9 92 0 0 02 0 0 12 0 0 2 2 0 0 3 2 0 0 4 2 0 0 52 0 0 2 0 72 0 82 0 9 2 0 1 0 图i - i我国高速公路总里程发展趋势图 沥青路面的车辙变形以沥青混合料的粘性变形为主，同时包括土基和基层 的部分变形以及材料的后继压实和表面材料的磨耗，往往发生在夏季炎热的高 温季节。由于半刚性沥青路面结构广泛应用于我国道路路面，结构性车辙产生 的情况较少，由沥青混合料的剪切流动变形产生的失稳性车辙占沥青路面车辙 总变形的9 0 。因此，目前主要研究的是失稳性车辙，其变形产生的机理主要 与沥青路面在车轮荷载作用下的粘弹性变形即塑性变形有密切关系。通过对现 有的文献加以总结可以看出沥青路面的车辙病害有以下三个特点【1 1 ：( 1 ) 超载、重 载、低速以及持续高温是导致沥青路面车辙变形的主要因素；( 2 ) 严重的车辙变 形主要发生在沥青路面的中下面层；( 3 ) 在长大纵坡路段沥青路面容易产生严重 的车辙变形。 我国是多山岭重丘的国家，高速公路路网己逐步扩展到山区，山区高速公 路不可避免的遇到“长”、“陡”纵坡的问题。同一条高速公路长大纵坡路段也 同样面临着重载、超载、持续高温天气的考验。汽车行驶在长大纵坡路段，往 往由于动力不足而降低行车速度，而重载、超载车辆速度更低，相应的单轮荷 载与路面的作用时间更长1 2 j 。根据粘弹性理论中的时温等效性原理，沥青混合 料长时间承受荷载的作用与高温条件等效，而长大纵坡路段的慢速交通相当于 提高了沥青路面的温度，产生的车辙必然严重。此外，纵坡坡度的增大，导致 0 啪 瑚 咖 姗 枷 咖 渤 瑚 行驶车辆对沥青路面的横向剪切作用增大，同时也加速了沥青路面永久变形的 产生 3 1 。因此，同一条高速公路车辙产生的严重区域更多地出现在长大纵坡路 段。为了解决上述问题，研究人员从改善材料的角度，通过使用改性沥青、调 整粗细集料级配、局部修正设计参数和控制施工质量来改善沥青路面的性能， 延长道路的使用寿命，但是这些措施并没有从根本上解决长大纵坡路段沥青路 面产生的车辙病害。本文对此展开研究，分析长大纵坡路段沥青路面车辙产生 的机理，并从集料级配角度提出相应的防治措施，研究成果具有较大的理论意 义以及实用价值。 课题组调查合徐高速公路北段，长大纵坡路段存在明显车辙( 见图1 2 ) 。 图l - 2 合徐北高速公路车辙 表1 - 1 合徐北纵坡路段车辙 调查桩号左轮( m m )右轮( m m )调查桩号左轮( m m )右轮( m m ) k 7 6 l + 6 0 08 59k 7 6 2 + 2 0 066 k 7 6 1 + 5 5 05 5 4k 7 6 2 + 1 5 056 k 7 6 l + 5 0 03 55 5k 7 6 2 + 1 0 08 9 5 k 7 6 1 + 4 5 06 55 5k 7 6 2 + 0 5 068 k 7 6 1 + 4 0 077k 7 6 2 + 0 0 05 58 5 k 7 6 l + 3 5 05 7 k 7 6 1 + 9 5 0 9 1 2 k 7 6 1 + 3 0 081 4 k 7 6 1 + 9 0 0 8 9 5 k 7 6 1 + 2 5 081 2 5k 7 6 l + 8 5 06 51 1 5 k 7 6 1 + 2 0 07 5l lk 7 6 1 + 8 0 07 51 0 k 7 6 1 + 1 5 067k 7 6 1 + 7 5 0 57 5 k 7 6 1 + 1 0 06 56k 7 6 l + 7 0 054 k 7 6 1 + 0 5 065k 7 6 1 + 6 5 077 平均值 6 8 7 8 平均值 6 58 3 2 量 3 型 送 藜 * k 7 61 + 0 5 0 - k 7 6 2 + 2 5 0 车辙深度 - u + 左轮 【4 - 【2 八 一 【0 、八入 8 扛羲一杰 i 6 4一 一1 了 2 n 图1 - 3 合徐北纵坡路段车辙 合徐北k 7 6 1 + 0 5 0 - k 7 6 2 + 2 5 0 上坡路段车辙深度最大值1 4 m m ，上坡路段车辙更为 明显( 表1 3 ) 。因为道路横坡的影响，右侧轮迹带车辙深度比左侧轮迹带大。该路段 与邻近路段相比，车辙较大。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 长大纵坡路段车辙研究现状 近年来由于长大纵坡车辙病害问题得到关注，国内有些学者做过一些关于 此方面的研究，吴少鹏，王家主【5j 通过有限元方法对不同工况下长大纵坡沥青 路面应力峰值进行了计算；李明国1 6 】研究了超载对山区高速路面沥青混合料抗 车辙能力的影响，提出减小坡度和控制坡长是提高路面抗车辙能力的有效方法； 李凌林【7 j 在论文里较详细的考虑了温度场的因素，以车辙大小、竖向蠕变应变、 最大剪应力为研究指标，通过不同坡度水平相同超载水平和不同超载水平相同 坡度水平的对比分析，归纳总结出了长大纵坡条件下的车辙形成及发展规律； 杨海荣，关宏信垮j 利用粘弹性理论，采用b u r g e r s 模型模拟沥青混合料粘弹特性， 计算了汽车通行一次情况下沥青路面的残余剪应变，指出高温、重载、慢速的 不利组合是导致上坡沥青路面短期内出现车辙的决定性因素，而重载和慢速的 联合影响是引起上坡车道反复出现车辙的主要原因。 徐世法等1 9 j 的调查发现，河南省境内1 0 7 国道某长大纵坡路段，最大纵坡 5 2 ，平均纵坡达4 7 5 坡长1 0 4 0 m ，在2 0 0 2 年7 月重新改造开放交通后1 0 余天就开始出现车辙，2 0 来天车辙深度就发展到4 c m ，通车后1 个月部分车辙 深度达9 5 c m ，到8 月中旬最大车辙深度达1 5 c m 。路面车辙呈凹槽型，并由推 移引起侧向隆起现象，严重车辙部位最后发展到己露出半刚性基层，沥青层全 部被推移到轮迹两侧。究其原因主要该路段为我国南北大通道，交通大，货车 比例大，而货车因严重超载而被从高速公路赶到该路上行驶，货车超载率高于 9 0 ，最严重的超载5 倍以上；另一个重要的外因就是该路段自通车以来连续 高温作用，从7 月7 日到7 月2 0 日的最高气温介于3 8 4 1 之间。在超载严重 的货车慢速、渠化和高温等外因联合作用下加速了该段沥青路面车辙的形成。 东南大学杨军等一j 通过足尺环道试验及德国汉堡车辙试验方法评价了不 同路面组合的抗车辙性能，试验结果表明：高温致使车辙深度迅速增加；沥青 的性质影响车辙剪切流变部分的大小，在中面层使用改性沥青可减少车辙；与 半刚性基层相比，沥青稳定碎石基层主要增加车辙的密实部分，而剪切流动部 分几乎不变；上面层不同级配形式对混合料的抗车辙能力有显著影响；采用高 粘度沥青、聚酯纤维s m a 可减少沥青路面的车辙；中面层对车辙变形贡献率 达到6 0 以上，中面层变形贡献率大于上面层，应该重视中面层抗车辙能力的 提高。梅廷义等【lo 】结合高速公路车辙病害的调查和沥青混合料技术指标的测 试，认为理论最大相对密度的失真将直接造成体积指标的失控，很容易造成混 合料软弱易塑而发生车辙。李立寒等l l l j 采用室内车辙试验分析了室内车辙板的 隆起部分在整个变形中所占的比例及其影响因素，提出了隆起系数的概念，在 车辙试验中，车辙板的隆起系数与试件空隙率大小密切相关，空隙率越大隆起 系数越小，这要是因为空隙率越大，沥青混合料压密变形所占的例越大。周刚 等【l2 j 通过在5 0 6 0 高温下进行的室内大型足尺环道路面加速加载试验，分析 了厚沥青层的柔性基层和半刚性基层沥青路面在轮载作用下各结构层永久变形 发生发展的规律，测试了不同轮载作用次数下沥青路面各结构层的永久变形。 环道试验测定结果表明：对于三种沥青层厚度超过2 0 c m 的沥青路面结构，土 基对车辙的影响很小，级配碎石柔性基层和水泥稳定碎石半刚性基层对车辙的 影响也很小，路面永久变形主要发生在2 0 c m 深度范围的沥青层内。黄晓明等【l 3 j 通过室内环道试验，分析了沥青路面车辙( 剪切流动) 与当量轴载，探讨车辙影 响因素及预估模型。 由于沥青混合料在高温季节表现出明显的塑性，当它受到较大的剪应力作 用时，就会使塑性区域不断扩大，造成材料颗粒之间出现推移和变形，这说明 大多数车辙问题是沥青混合料在高温重复车辆荷载作用下剪切流动的结果，并 且可能出现在沥青路面的任何一层结构层内i l 引。因此，国内外对重载高温下路 面破坏的理论机理主要从弹性、粘弹性等角度进行了研究，包括粘弹性条件下 车辙的发展和路面结构内的剪应力状况。 1 2 2 沥青路面车辙预估方法研究 由于沥青混合料固有的粘弹特性、影响路面高温稳定性因素的多样性、车 辙形成的复杂性，使得永久变形的损害成为世界性的难题，预估和防治沥青路 面的车辙也成为了各国公路技术人员研究的重要课题【l5 1 。当今，国内外基本成 型的车辙的预估方法有三种：经验法、半理论一半经验法、理论法。由于经验法 和半理论一半经验法需要大量的路面实际的车辙观察数据，而车辙的形成一般 都需要几年甚至十几年，因而目前仍主要以理论法为车辙预估方法。理论法以 4 粘弹性理论或弹性层状体系理论为基础，来计算路面结构内的应力，利用沥青 混合料永久应变和应力的关系来计算路面的永久应变，从而求出车辙变形。理 论分析法主要包括层间应变法和粘弹性法，以粘弹性理论为基础的车辙预估方 法逐渐发展成为理论计算方法的趋势【l 引。2 0 世纪8 0 年代，a w i j e r a t h e 、许志 鸿、徐世法等应用粘弹性理论为基础进行了沥青路面车辙预估研究，并建立了 相关预估方程1 1 7 】。9 0 年代以后，理论法的数值发展一有限元法开始得到广泛应 用。郑建龙、关宏信、蔡长展、张洪信等采用将有限元法与粘弹性理论相结合 的方法进行车辙预估，证明了粘弹性一有限元法在路面结构分析及设计中应用 的可行性【1 引。 现在，很多研究人员广泛采用了商用有限元软件a b a q u s 和a n s y s 来建 立车辙的预估模型【l 引。运用有限元法可以克服弹性层状理论的缺点，可进行复 杂的模拟，并且能够在一个模型中部分或全部模拟车辙的非线性特性最终得到 一个合理的车辙预估结果。虽然有限元方法尚未发展到特别成熟的阶段，但是 在合理准确的力学模型下精度较高，投入费用较少，能够节约人力和物力等资 源。在提倡节约和计算机硬件技术飞速发展的当今世界，它在国内外沥青路面 的车辙预估中将会成为最有发展前途的计算分析方法。当然，建立更能符合混 合料材料特性以及考虑路面结构各层变形的模型将是基于粘弹性一有限元方法 车辙预估方法面临的最大挑战。 1 2 3 沥青混合料抗剪性能研究现状 抗剪性能作为沥青混合料的重要指标，在当前混合料的设计和路面结构设 计中应用较少。以往各国进行的抗剪性能研究，大多均采用三轴试验，只是加 载的条件不同而已。在各国的路面设计规范中，目前采用抗剪指标的规范只有 美国加州路面设计规范。但各国公路研究人员却始终对抗剪性能充满了浓厚 的兴趣【2 0 1 。从2 0 世纪3 0 年代到6 0 年代，许多研究人员对其进行了大量的研 究，其中有代表性的有n o r m a nw m c l c o d ，他通过以下三种方法进行系统的研 究f 2 l 】： ( 1 ) 考虑静载作用条件下的路面抗剪性能； ( 2 ) 考虑轮胎内力分布时的路面抗剪性能； ( 3 ) 考虑刹车以及在车辆加速时有水平剪应力条件的路面抗剪性能。 应该说，在当时的条件下，n o r m a nw m d c o d 是第一个对道路抗剪设计进 行系统研究的人，它提出的这种设计方法对后来的科研人员中产生了重要影响。 但是由于该设计涉及的未知参数太多，在设计中很难付诸实施，很难对存在的 不可知因素有一个定量的把握。所以，在后来的道路设计中未能得到推广应用 1 2 2 o c o e t z a n d c h e n 考虑进行三轴试验时利用液体施加侧向力的方法比较复杂， 对三轴仪进行了改进，利用气压施加压力，这种方法方便实用。通过这种试验 方法，c o e t z a n d c h e n 对不同类型的集料和级配，不同的沥青用量以及不同加载 速率条件下进行抗剪性能的分析，得到一些有价值的成果【2 习： ( 1 ) 试验中不容忽视滤纸对试验结果的影响； ( 2 ) 不管侧压力有多大，最大抗剪稳定度并不发生在最大密度时的沥青混 合料，而是发生在略小于最大密度时的沥青混合料； ( 3 ) 沥青的最大粘聚力不是发生密度最大时混合料，而是发生在略小于最 大密度时沥青混合料中： ( 4 ) 随着沥青用量的增加，内摩阻角减小； ( 5 ) 内摩阻角与加载速率没有关系。 国内对沥青混合料抗剪性能的研究中，大多也都采用了三轴试验的方法。 三轴剪切试验固然有其优点，但也有其缺点【2 4 1 。从原理角度来看，它源自于对 土力学的研究成果，假设条件、材料参数和试验原理的不同局限了三轴试验对 沥青混合料的适用性；试验中的加载方式和受力模式与车轮作用下的路面受力 有较大差距；试验操作复杂繁琐，对试验人员要求较高，同时对数据的处理一直 存在不同的看法，很难在实际的工程中得到大量运用，对三轴试验的研究已经 几起几落。 1 9 9 6 年西安公路交通大学的延西利，吕篙巍等通过简单的拉压试验对沥青 混合料c 、( p 值进行了研究1 2 5 j 。 同济大学孙立军在总结了三轴试验对抗剪强度分析欠缺的基础上，经过力 学分析，提出了可以采用单轴贯入的方法对沥青混合料的抗剪强度进行研究， 配合同尺寸试件的无侧限抗压强度就可得出沥青混合料的粘聚力c 和内摩阻角 ( d f 2 6 1 。 虽然我国对混合料的抗剪能力的研究起步较晚，但目前由于长大纵坡路段 交通量大、重载和超载严重的高速公路沥青路面导致抗剪能力不足而产生推移、 车辙、拥包等严重的病害，研究人员也对沥青混合料抗剪性能研究产生了浓厚 的兴趣，正在从不同角度对抗剪性能进行研究。 1 3 本课题主要研究内容及技术路线 1 3 1 主要研究内容 1 长大纵坡沥青路面受力分析 根据沥青路面的时温等效原理，利用有限元方法计算长大纵坡沥青路面剪 应力的分布规律及最大剪应力发生的层位。 2 原材料的选择与性质检验 选择沥青、集料、矿粉、硅灰、纤维等原材料，并检验其物理力学性质。 3 沥青混合料配合比设计 针对长大纵坡沥青路面的性能要求，选用骨架密实型沥青混合料，通过逐 6 级填充试验进行级配设计，得到六组沥青混合料矿料级配，采用马歇尔试验， 确定最佳油石比。 4 路用性能试验研究 ( 1 ) 抗剪切性能试验 采用单轴贯入式试验进行不同级配类型下沥青混合料抗剪强度的测定。 ( 2 ) 车辙试验 沥青混合料的高温稳定性决定了路面抗车辙能力，本试验分别在6 0 和 8 0 下进行车辙实验，对比不同级配沥青混合料、掺入二氧化硅硅灰及掺入聚 丙烯腈纤维沥青混合料的高温抗车辙性能。 ( 3 ) 单轴压缩试验 通过棱柱体单轴压缩试验，对比在常温( 2 5 ) 、高温( 8 0 ) 、低温( 10 ) 下普通沥青和改性沥青混合料的力学性质。 ( 4 ) 沥青混合料低温弯曲试验 对掺入硅灰和纤维的沥青混合料，在低温下( 1 0 ) 进行小梁弯曲试验， 评价其低温抗裂性能。 1 3 2 主要技术路线 课题组在总结、调研国内外有关长大纵坡路段沥青混合料配合比设计研究 的基础上，主要采用室内理论分析与试验研究相结合的技术路线进行分析研究， 技术路线见图1 4 7 图1 - 4 研究技术路线 8 第二章长大纵坡沥青路面受力分析 车辆行驶在长大纵坡路段，车速会迅速下降，慢速荷载下车轮对路面的单 次作用时间较长，根据时间一温度等效原理可知这相当于提高了路面温度，导 致沥青路面产生较大车辙。长大纵坡路段沥青路面不仅受到慢速交通的影响， 还受到重载交通的影响，沥青混合料在使用过程中，不仅受到温度场、时间场 的共同作用，同时还受到应力场的作用，尤其在夏季高温季节，重载渠化交通 往往使材料长时间处于高温、高应力环境中。而基于时温等效的w l f 方程主要 反映沥青混合料力学性能的时间一温度相关性。为此，本章利用有限元方法计 算长大纵坡沥青路面剪应力的分布规律。 2 1 时间温度等效原理与w l f 方程 沥青混合料是典型的粘弹性材料，其力学行为是温度与时间的函数。沥青 混合料在路面中温度在3 0 6 0 范围内工作，荷载作用时间从10 3 s 至很长， 要了解和测试很大温度和时间范围内沥青混合料的劲度模量往往是有困难的。 沥青混合料的性质受温度和荷载作用时间的影响很大。许多材料的粘弹性性能 随温度发生变化，常温下没有明显蠕变特性，在较高温度时会产生显著的变形 与流动，即使温度变化不大，也会改变材料的力学性能。对于粘弹性材料，同 样的力学性质可以在高温一高荷载频率或在低温一低荷载频率下得到。 在