基于蠕变试验的沥青混合料本构关系及车辙预估方法研究

摘要

随着交通量、轮载和轴压的不断增大，高速公路的渠化交通等，车辙已成为我国高等级沥青路面的主要破坏形式之一。在发达国家，限制沥青路面的车辙量已成为路面设计中的一项重要指标；我国沥青路面设计规范尚未将车辙纳入设计指标，也还未建立较成熟的沥青路面车辙计算与预估方法，因此对沥青路面车辙计算与预估方法展开理论与实验研究，对于完善沥青路面的结构和材料设计具有重要理论与实用价值。沥青混合料是具有弹、粘、塑性性质的复合材料，采用非线性有限元方法预测沥青路面车辙已成为目前道路工作者的重要研究课题。
　　 通过开展AC-13C级配基质、改性沥青混合料的静载、重复蠕变试验，研究沥青混合料的永久变形评价指标。发现以静载蠕变试验的流动时间FT、斜率m，重复蠕变试验的流动次数FN、斜率b作为高温重载下沥青混合料变形特性的评价指标是适宜的；而截距a与变形的关系没有明显的规律性，不适合于评价沥青混合料的变形性能。
　　 广义Kelvin模型、广义Maxwell模型的Prony级数表达式能很好地表征恒定荷载作用下沥青混合料的蠕变柔量、松弛模量随时间的变化关系。利用广义Kelvin粘弹性模型、广义Maxwell模型预测重复荷载作用下沥青混合料的变形时所选择的延迟时间谱、松弛时间谱应涵盖荷载加、卸载作用时间历程。基于广义Maxwell粘弹性模型的有限元分析方法能有效地实现变形值的粘弹分离，总应变由弹性应变和蠕变应变两部分组成，蠕变应变中不可恢复的部分即是沥青混合料的永久变形，通过分析沥青混合料的变形恢复能力评价沥青混合料抗车辙性能。
　　 采用基于Drucker-Prager屈服条件、“时间硬化”幂函数蠕变法则的线性Drucker-Prager蠕变模型的粘弹塑性有限元方法对单轴静载蠕变试验、重复蠕变试验的沥青混合料变形进行数值模拟，发现蠕变模型适合于描述破坏阶段出现较晚的沥青混合料的蠕变性能。沥青混合料的蠕变应变随着时间的增长而增大，初期增长率大而后期增长率小。在沥青混合料未屈服时，蠕变应变就是沥青混合料的永久应变；当沥青混合料发生屈服，产生了不随时间变化的塑性应变，此时蠕变应变加上塑性应变即为沥青混合料的永久应变。可以利用线性Drucker-Prager蠕变模型预测重复荷载作用下沥青混合料的永久变形，进而研究沥青混合料的抗车辙性能。
　　 利用线性Drucker-Prager蠕变模型对沥青路面结构进行三维有限元分析，研究温度水平、荷载水平和沥青路面类型对路面弯沉、车辙、竖向应力、剪应力和应变等路面力学指标的影响。发现路面产生的车辙形状为W型，车辙深度随荷载作用次数增大而增大，初期增长快而后期增长慢。面层剪应力呈“W”形分布，分别在轮胎与路面接触面边缘处取得极值，且以接触面外侧边缘处剪应力更大；面层剪应力沿路面深度方向先增大，后减小，路面结构内最大剪应力峰值发生在路面以下约6cm处。沥青路面面层的蠕变应变和塑性应变的极大值出现在轮载中心处路面以下6～12cm范围内。在研究了沥青路面车辙的有限元预估基础上，提出增加容许车辙深度、容许剪应力为控制指标的沥青路面设计方法。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 绪论

1.1 研究背景

1.2 国内外研究现状

1.2.1 沥青路面的车辙预估方法研究现状

1.2.2 沥青混合料变形的粘弹性研究现状

1.2.3 粘弹塑性有限元预估车辙方法研究现状

1.2.4 永久变形测试和评价指标研究现状

1.3 主要研究内容及研究方法

1.3.1 主要研究内容

1.3.2 研究方法及创新之处

第二章 沥青混合料的蠕变试验及评价

2.1 蠕变试验方法

2.1.1 荷载模式

2.1.2 试验方案设计

2.1.3 原材料性质

2.1.4 试验设备与试件制作

2.2 静载蠕变试验结果与评价

2.2.1 静载蠕变试验评价指标

2.2.2 荷载水平对沥青混合料变形特性的影响

2.2.3 温度水平对沥青混合料变形特性的影响

2.3 重复蠕变试验结果与评价

2.3.1 重复蠕变试验评价指标

2.3.2 荷载水平对沥青混合料变形特性的影响

2.3.3 温度水平对沥青混合料变形特性的影响

2.4 静载蠕变和重复蠕变试验各评价指标的对比

2.4.1 荷载水平对沥青混合料变形特性的影响

2.4.2 温度水平对沥青混合料变形特性的影响

2.5 本章小结

第三章 沥青混合料的粘弹性本构关系及变形分析

3.1 粘弹性材料的力学模型

3.1.1 基本元件

3.1.2 Maxwell模型

3.1.3 Kelvin模型

3.1.4 广义 Maxwell模型

3.1.5 广义Kelvin模型

3.1.6 积分型本构关系和线性叠加原理

3.2 重复荷载下沥青混合料的粘弹性力学响应

3.2.1 重复荷载作用下的应变响应

3.2.2 广义Kelvin模型的Prony级数拟合

3.2.3 重复荷载作用下沥青混合料的变形预测

3.3 沥青混合料变形的粘弹性有限元分析

3.3.1 三维粘弹性本构模型

3.3.2 广义Maxwell模型的Prony级数拟合

3.3.3 重复荷载作用下沥青混合料的变形预测

3.3.4 沥青混合料的粘弹性应变分析

3.4 本章小结

第四章 沥青混合料的粘弹塑性本构关系及变形分析

4.1 屈服条件、强化特性和加载法则

4.1.1 应力不变量

4.1.2 塑性屈服准则及屈服面

4.1.3 流动规则(正交定律)与硬化定律

4.2 粘弹塑性模型

4.2.1 线性Drucker—Prager模型

4.2.2 Drucker—Prager蠕变模型

4.3 沥青混合料变形的粘弹塑性有限元分析

4.3.1 线性Drucker—Prager模型参数确定

4.3.2 单轴静载蠕变试验的变形分析

4.3.3 重复荷载作用下沥青混合料的变形预测

4.4 本章小结

第五章 基于蠕变模型的沥青路面车辙预估

5.1 有限元模型的建立

5.1.1 交通荷载作用模式的简化方法

5.1.2 路面结构与模型参数

5.1.3 有限元分析模型

5.2 路面弯沉和车辙分析

5.2.1 温度对路面弯沉和车辙的影响

5.2.2 荷载对路面弯沉和车辙的影响

5.2.3 沥青路面类型对路面弯沉和车辙的影响

5.3 路面竖向应力和剪应力分析

5.3.1 温度对竖向应力和剪应力的影响

5.3.2荷载对竖向应力和剪应力的影响

5.3.3 沥青路面类型对竖向应力和剪应力的影响

5.4 路面应变分析

5.4.1 温度对路面应变的影响

5.4.2 荷载对路面应变的影响

5.4.3 沥青路面类型对路面应变的影响

5.5 基于蠕变模型的车辙预估有限元方法

5.6 本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间取得的研究成果

致谢