沥青车辙与拥包形成机理的粘弹性分析.doc

堕 垒 欤导 师姓 名：申 请 学位 专业论文提 交日 期答 辩 委 员 会 主 席目 琣 ， 东 南 大学 学 位 论文 独创 性 声 明东 南 大学 学 位 论文 使 用 授 权 声 明 因 为 ：结 构； 交 通量 小 ， 轴重也较 轻 ， 重车 比例少， 且多 系混 合 交 通， 车 辆 横 向 分布 较 大 ， 渠 化不 显 车 辙 形 成之 前 路面 开 裂已较 严 重 开 裂与车 辙 相比， 前 者 更引 人注目 ， 不 断 地加铺罩 面 东 南 大学 硕 十 学 位 论文 削 弱 了面层 及路面结 构 的 整 体 强度， 缩短了路面的 使用寿 命 ； 由 于路面的 凹陷 和凸 起 ， 会 使超 车或 更 换 车道时 方 向 失 控 ， 从而 影 响车辆 的 操 作 稳 定 性 。从一 定 程 度上 体 现 了对丁 塑 性 变形 量的 要 求， 也即 车辙 变形 的 要 求。沥青 路面的 拥包 、 车辙 、 疲 劳 等 破 坏问 题 都与沥青 混 合 料 的 粘 弹 塑 性 特性 有 关， 其 应力 应变的 本 构 关系受 温 度影 响， 并 且是 时 间相 关的 。 对丁路基、 基层 的 永 久变形 ， 通 常 是 利用二 轴实 验 或 承载板 实 验 ， 建 立 永 久变形 同荷 载及材 料 特性 之 间的 统 计 关系， 这 种 方 法， 如 果 面层 和基层 的 质 鼙 控 制很 好， 通 过限制路基顶 面的 乐 府 变， 可 以把 车辙 控 制剑 容 许 的 范 嗣。 其 缺点为 ： 车辙同路基顶 面的 竖 向 压 应变关系仅存在一 种 定 性 犬 系， 而无 定 晕关系； 它考虑较多 的 是路基材 料或 基层 材 料的 变形 特性 ， 对面层 考虑不 够 ； 无 法有 效衡 苗 路面结 构 在不 同时 期的 车辙深 度”。性 有 限元计 算 ： 和 上 压 力 的 不 均匀 性 ， 用有 限元法分 析 了车轮路面之 间的 作 埘 ， 并 对计 算 结果 进 行 了试 验 验 证 ： 见 的 渤 青 面层 压 密变形 在国内却 常 有 发 生 ， 压 密变形 形 成原 因 主 要 是 有 些高速公路施 工 时 没 有使通 车后 的 第 一 个 高温 季 节混 合 料 继 续 压 密形 成了车辙 。 面层 材 料 的 侧 向 流动 变形 ， 主 要 是 由于高温 条 件 下， 车轮碾 压 的 反 复 作 用， 荷 载产 生 的 剪 应力 超 过渤 青 混 合 料 的 抗 剪 强度， 即 稳 定方 法 ； 蠕 变试 验 数 据 加 上 弹 性 分 析 的 方 法 鸙 析 方 法。 东 南 大学 在采 用轮辙 试 验 方 法进 行 沥青 混 合 料 抗 印 辙性 能 的 研 究 当 中， 通 过对大晕试 验 数 东 南 大学 硕 十 学 位 论文川辙的 预测上。加载条件来 计算午 辙的 方法， 是 稃 中切实 可 行 的 途 径 。 近 年 来 ， 以粘 弹 性理 论 为 基础 的 车辙计算方法逐 渐成为 理 论分 析 方法的 发展主 流。 线 性粘 弹性理 论法分 柝把 路 砸各 层 对萄载的 反 映假定为 线 性粘 弹性的 ， 这 种 分 析 方法的 优点 是 ： 盲接考 虑 了运 动的 轮 载； 刖时 间 相 关的 特性左定 义 应 力 应 变 状态 ， 符 合渤 青 混 合料的 粘 弹性特 性； 考虑 了材 料的 侧 向 塑性流动； 可以提供 更 好 的 预估 。它的 缺点 是 ： 没 有 考虑 材 料的 非 线 性； 参数难确 定。许多 路 面材 料的 永久 交 形规 律 ， 但 至今仍朱得到完 满 的 解决 ， 尚 待 理 论 与实 践 的 进 一 步 检 验。对于产生 车辙及拥 包 的 影 响 。 运 用计算力 学 、 路 面力 学 及粘 弹 塑性力 学 相 关知识 ， 分 析 沥 青 混 合 料永 久 变 形的 特 性。分 析 荷 载类 型 ， 材 料结构与力 学 特 性等对于沥 青 路 面形成车辙及拥 包 的 影 响 ： 第 二章 沥 青路面车 辙与 拥包 的形 成 机 理在 混 合料 中沥 青一 方面自身 在 荷 载作用 卜以 及 温度的影 响下 有着自身 的变 形发 展 形式 ，另 图 籰 沥 青与 矿 料 交且作用 结 构 图沥 青混 合料 是一 种 复杂的多相 成 分 的材料 ，其 “结 构 ”概 念 同 样 也 极其 复杂。 特点 主要体现 在 ：矿 物 颗 粒 的大 小 及 其 不 同 粒 行的分 布； 颗 粒 的相 互位 置 ； 沥 青在 混 合科 中的分 布特祉 和矿 物 颗 粒 上沥 青层的性质、 空 隙 率 及 分 布； 闭口孔 隙 与 开 口空 隙 的比值 等 多方面。 “沥 青混 合料 结 构 ”是各 种 材料 单 一 结 构 和 相 互联 系 结 构 概 念 的总 和 ，其 中包 括 ：沥 青结 构 、 矿 物 骨 架 结构 和 沥 青一 矿 料 分 散 系 统 结 构 。 上述各 单 一 结 构 中的各 种 性质，都对 渤 青混 合料 的性质产生 很 东 南 人学 硕上学 位 论文生永 久变形 。以 后路 面 的 使 用 过 稗 中会 出 现 乐密 变形 。 沥青 混 合 料材 料特 性 薹 沥 青混合 料 永 久 变 形 机 理架 作 共 同 组 成的 缀 狭 咸 逑 怠 谕 夂 稍 刈 鱛 省 鯦由 应力圆 包络线 方 程可得 豢 冢 【 疓 痢 疓 ， 由 式 可得 剑 剪 切变 形 方 稃 嫜 、 貉 故 涤颍 珺 ： 松胀 域 ， 毫 鞫 烧 陀 颍 珼： 密实流 动 域 罅系 淖 畲罅 叮 以上 的碎石 含 量 椤秈 的宙 筮 、 表 面粗糙 程 度和 颗 粒 形状 嗟谋 旰派 馡 高温 粘 度 城 嗷 旌 狭系 募 杜 滢 窱 密实度 第 驴 鼻 嗦访姹 逭 总 之， 沥 青 路面车辙 不 是一 个方 面一 个因 素 的 作用 而促 使 其 形 成， 是各种 冈 素 的 综 合作用 。 通 过 本 章 的 论述，可 以得到下 面 儿 点 认 识 ：顿 流动定 律 的 牛 顿 流体 ，也不 是 遵 从胡克 定 律 的 胡克 弹 性 体 ，是 一 种 典 型的 流变 体 。 第 三章 枯 并分 析基 本 理 论论 是 线 性还 是 非线 性， 讨 论 戍 力 平位移时 一般 假定应 力 与 位移只 取决 于 作 用荷载的 人小 ， 而 与加荷过 程 及荷载时 间 的 长 短 无关。 具 有 层状 结 构 的 道 路 采 用了这 种假定， 使 道 路 的 变 形和寿 命的 计算大为 简 化。 但 在 荷载比 较 大时 ， 道 路 的 渤 青 面 层除产生 瞬 时 弹性变 形外 ， 还 会随 着荷载作 州 时 间 的 增 加， 变 形逐渐 增 大，￥ 现 山 蠕 变 效 应 。 如 果周 围 环 境 温度 比 较 高 ， 蠕 变 效 应 会更加显老 ”。 根 据 流变学 的模 犁 理 论 ， 弹、 粘 、 塑 性 是认 识材 料 力 学 特 性 的最 基本 单 元， 这些 基本 单 元更 为 复 杂 的组合 模 氆 ， 从 而最 人 群度 地 反 映 材 料 真实 的力 学 特 性 。互 ，当采 缂 扑 阆抡 奘匝 槎 榷菵 次， 时 嘲硼 第 三 章 粘 弹性 分 析皋 奉 理 论以 啊踋 岛 才 东 南 人 学 硕 上 学 位 论文式中 ， 铲为 粘 、 塑 性 应 变率 ；弹性 应 变率 可 直 接写 成， ： 鱼铲邓 卵薏 第 三 章 粘 弹性 分 析皋 奉 理 论芋： 皂妒 撼 珍 击将 上 述 各式 两 边 彼 此 相减平方 后 再 相加 ， 得融珍 统 霾鷏滓 还 敢 徊 恳 徊 东 南 人学 碗上学 位 论 文口 鳌俊 緖 以 桓 棕 恳 痪室粆 F矫嬗湫奚螮矩 阵 ； 弧蝟心 禞将 、 酱 式 可 得 一 鳓必 鳓 一 肺均 蝟 ：一 第 三章 粘 弹 性分析 摹 奉 理论喘 豸 踭； 諩 玶 篒 骫础临，对 于粘 弹 性面 层 采 用八节点 等 参 元 ，相麻的形函 数 为 ： 岛 搿 痮 籪 ： 搿羖 一 鲁 豢 陋卜 一 应 变矩 阵 。 东 南 人学 硕上学 位 论文扫砰 辏 禞【 车辙 与 拥 包形 成过 程分析 指 标的 确 定 第 三章 粘井竹分析 苹本 理论 竡 巳 吒 一 弓一 一 式中： 奴 称 为 平 均 应力 。占 丢 钿 趏 第 三章 粘 弹性分析 苹 奉 理论 的状态 进 行分 析 ， 搞清楚 车 辆行驶时 路 面 的动态 应 力 状况和特点。多 数 高 速公路 的、 招 曰 愫 笥 遥 纱 辔 榷 槭 或 砾 或 灰粉煤 灰稳 图 路面结 构图 示 东 南人 学 碗上学 位论 义大 ，可 起 到 事 半 功 倍 的 效 果。 在 所 研 究 的 路面区域 盗 拘 惺 磺 网 格划分 较密，而 将其它 平 衡 准 则 给 出 了 每 格荷 载 步 收敛 的 允 许 范 嗣 。 在 单 个 自 由 度 非 线 性 分 析时 采 。 赾 “通 过 实验积 累 数 据，按 步 骧对数 据进行多 次 同 归 分 析， 诿 扛鍪奔涞 除 起 始 点 梢 缘 媒 辍 ， ，输 入表格； 扣 、 石：面图 肿 鱆 接 地面积有 限元 计算 时 ，采用后 轴 载 进行加载 ，每 个 轮 胎 承受 荷 载 为 ，轮 胎 压 力 为 匀 速 移动 车载 下沥青 路 面 应 力状态 的 时 程特 性一局 部 范罔 内的 受 力情 况较为复杂 。来分析 其受 力状况。 由于 模犁 材 料 呈 粘 弹 性 ，故移动 荷 载 作 减小 。 沥青 表 面 层 范围 内的 压 应 力晟 人，其上 下表 面 应 力值变 化 并 不人，表 面 层以料 基 层和 底 基 层到 达 土 基 坝 面 时 ，已降 剑 了 一个 很 小 的 值。翟一 一。 。 沥青 、中 面 层结合 部 卜 沥青 中 ，下面 层结合 部面 ，随 着 深 度 的 增加 压 应 力逐 渐减小 。 至半 刚 性 基 层水平 应 力变 为拉 应 力。 最 人拉 应 力发 生在 东 南 大学 硕十学 位论 义昙 篓 图 为母 直 荷 载 什 懈招圆 城 嗦 访 婧 岫 厦娴 淖钊 擞 植 纪 肌 中 路 面出 现 拉 府力，晟 人值 簧 疃 菷 车道 两 侧 横向应 力方向与中 间相 反 。 说明 移动 荷 载 一 沥青 上中 向烂 结台 部 话 氪 曰 阌 氲 啄 崽 弧 弧 雇摹“与咖土基 话 擘 笮曰 朴 氚 嬲 辈憬 崽 恳弧 一扁辇艋 与土基 结合 部 出 现 在路 中 深 度 笥掖 繁淼 淖畲 蠹 舾 表 面 层底 部 最 大剪应 力值为 东 南 人学 顾上学 位 论 文观 测点 应一 一半 刚忭基 层与 底 孽从 结台部 一弧庭塾芷与 上萜站 台部形 与 蠕 变应 变均 曲 线增 大 。 加珊川加哪 啪咖叭帆 图 稍 刈 鱛 次 数 与 竖 向 变形 关 系 幽设 荷载作用 次 数 为 稍 刂 行牡闶 蛭 灰 莆 猋 。数 值预测模 型采用 以下多 项 式 ：杂 谕 一 中曲 线的 拟合 函 数 为 东 南 人学 硕上学 位 论文图 煌 浔 洳 问 潞 稍 刈 鱆 次数 与 竖向 变形 关 系图 不 同 面 层 厚 度 各 观 测 点 最 大 垂 直 压 戍力观 测 点 、应 力 值 一 表 不 同 面 层 厚 度 荷 载中心 的路 表 弯沉 表 不 同 面 层 厚 度 各 观 测 点 最 人剪 应 力面 层 厚 度 观 测 点 剪 应 力 表 不 同 面 层 厚 度 各 观 测 点 八面 体剪 廊 力观 测 点 剪 应 力 图 竖向 八面 体剪 鹿 力 分 布循环 荷 载数 值 模拟图 不 同 面 层 净 度 竖向 变形 比 较 图 观 测点 、 应力 值 表 不同 面 层厚度 荷 载 中心 的路 表 弯沉不同 面 层模 晕 各 观 测点 最人剪 府 力观 测点 剪 府 力 不 同 面 层 模晕 各 观 测点 八面 体 剪 应 力图 竖 向 八面 体 剪 应 力分 布图 不 同 面 层 模量 竖 向 变 形 比 较图 观 测点 麻 力值 一 不 同 基 层 模肇 各 观 测点 最 大剪 应 力观 测点 剪 应 力不 同 基 层 模晕 各 观 测点 八面 体 剪 应 力观 测点 剪 应 力由 倒 梢 允觯 娌 隳 谧钊 思 粲 欢 【嗦 繁砻 左 右 处 ，基 层 模督 的 增 加并 未、时， 东 南 大学 硕 十 学 位 论文鼋丝瓣 啪乏搿辬 不同 基 层厚 度荐 观 测 点 最 大垂 直 压 应 力基 层厚 度不同 面层 厚 度荷 载 中 心 的 路表弯沉基 层片 度大而减小 。可 见增加 基 层厚 度会 显 著 的 增加 面层 中 的 剪 切 破坏。不同 面层 厚 度各观 测 点 虽 人 剪 府 力不同 面层 厚 度各观 测 点 八面体剪 戍 力观 测 点 剪 应 力 东 南 人学 硕上学 位 论文图 竖 向 八 面 体 剪 应 力 分 布粕弹性 沥 青面 层的 竖 向 蠕变 受 温 度 的 影 响 较 大 。本 文 针 对 沥 青路面 层材 料的 粘 弹 性 特性 ，依据温 度 的 影 响 稃 度 不同 ， 选 取 了 三 组 材 料流 变 参 数 ， 对 材 料祀 弹 性 影 响 路面 变 形进行 了 数 值模拟， 计 算 结 果表明 ， 随着 温 度 的 增 加蠕变 参 数 的 增 大 ， 沥 青路面 的 竖 向 变 形逐 渐 增 人。在 低温 状态 下 分 析 模利产 生的 竖 向 蠕变 非 常 小； 而 在 高温 状态 ， 路面 产 生了 明 显 的 竖 向 蠕变 ， 并 随着 荷 载 作 用次 数 的 增 大 逐 渐 增 加。 第 五章 车 辆制动 作 用下沥青路 面 变 形 分析本 节计算分析水 平荷 载 和乖 肖 荷 载 综合 作 用下的 沥青路 面 的 应 力 和位 移 。 路 面 结构 的 有 限 兄一车 轮 对 路 面 作 用的垂直 力；妒 一路 面 的附 着系数 。良 好的沥青路 面 附 着系数 为 。图 为制动 荷载位 于 模 型中点 时 路 面 弯沉与 应 力截面 图 示。由以 割 可知 ，沿 荷载幽 乖 商 方 向 伸移蚓大 了 。可 见 制动 过 稃 中路 表弯沉有显 著 增 加 ，使路 面 的弯沉破 坏 大 大 增 强。 一图 路 表弯沉与 车 速 的关 系曲 线 牵 。一沥青表面 层卜 部一 一沥青卜 中面 层结合 部 祷 阌 星结合 部应 力值 变 化 较小 ，因 而 横 向 麻 力受车 速 变 化 的影 响 不 大 。 下面 层与 平 刚制基 层结合 部 图 垂直 应 力与 车 速 的关 系 曲 线一 一珊 肯上 ，中由联 结 酃 一半喇 性 摹 腭 枇=岷 喜恳 弧 械 基 层与 上 摹 结岔部 东 南 人学 硕上学 位 论文受 车辆 速 度影响 最大 ， 路表 最大 剪 应 力 由 增 大 到 ， 增 大 了 。 最大 剪应 力 沥青 表 层 最丈 ，随 着 深 度的 增 加逐 渐 减小，且增 加的 幅度也逐 渐 减小，至 底基 层 底部基 本无 变 化 。 由 此 可 见 ， 车辆 制 动 作 将 会 极 人的 增 加 沥青 面 层 的 剪 切破 坏。拥包 形 成 的 粘 弹性 数值 模 拟图 荷 载 作 用次 数与 荷 载 之 前的 路面 拥起高 度关 系 图 设 荷 载 作次 数 为 稍 刂 行牡 闶 蛭 灰 莆 猋 。数 值 预测模氆采用以 下多 项 式 ：通 过 多 次 返 算 发 现 当 时 拟 合 效果 良 好 ， 拟 合 曲 线 与 原 曲 线 基 本 重合 ， 此 时 多 项 式 相 关系 数 ， 计 算 结 果 如下：次循 环荷 载 作图煌 浔 洳 问 鼺 荷 载 作坩 次 数 与 路 面 最 人 拥 起高 度 关 系 图釜 东 南 大 学 硕 士 学 位 论立 面 层 底 部 基 层 底 部 草层 底 部 啪啪咖一占世蝮溜军面 层模晕 邓 东 南 人学 硕上学 位 论史 一 第 五章 中 辆制 动 作 用 下 沥青路面变 形 分 析模晕 下 面层底 部 与基 层底 部 随 车速 变 化 曲线 。 可 以看 出 ， 相 同车速 下 路表 水平 压 应 力随 着基 层模茸 的增 大而 减 小 ；面层底 部 水平 压 应 力与基 层底 部 水平 拉 应 力随 基 层模量 的增 人而 增 大。表 胪 说 明基 层挨 量 的增 大会 增 加制 动 路段面层底 部 与基 层底 部 的水平 力的破坏 。基 层模茸 邓 面层底 部 ： 嘭 贬 豁凳： ： ： ： 一一 乱 幻 娌 愕 撞 綪 基 层模昔 邓 一面层底 部 讲 愕 撞 东 南 丈学 硕士 学 位 论文图 不 同基 层 模鼍 路 面 拥起高 度 比 较 图 面层底部 一曲 崖 底部 第 五章 车 辆制动 作用下 沥青路 血 变形 分 析罢 相对车辙 深 度 、 ， 、 就越 长 ，对 路 面 的 破 坏 越 人。 基 层的 结合 处