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1、长安大学 硕士学位论文 基于ALF加速加载试验的沥青路面车辙有限元模拟 姓名：徐东 申请学位级别：硕士 专业：道路与铁道工程 指导教师：郑南翔 20100610 摘要 本文为研究车辙变形发展规律，应用有限元分析软件对加速加载试验的车辙数据进 行了数值模拟，通过模拟的方式将路面车辙的常规经验分析引入了更深的理论角度，从 力学方面对路面车辙变形进行把握和分析，也给耗资巨大的野外试验节省了很多的人力 物力。 使用A B A Q U S 软件进行车辙非线性数值模拟，在模拟条件方面严格对应了在甘肃 武威进行的A L F 加速加载车辙试验，对所用原材料、结构、温度、荷载等因素进行分 类考虑，从各方面尽力做
2、到了与试验环境最大化的一致，模拟误差保持在2 0 以内。模 拟时分三种结构( A 常规半刚性基层沥青路面结构、B 柔性基层沥青路面结构和C 高性 能基层薄沥青层路面结构) ，三种加载工况( 4 6 1 6 0 K N ，5 3 1 6 0 l 删，5 3 1 0 0 I 1 0 0术1 0 0 密度( 1 5 ，眺m 3 ) 1 0 1 9 实测 T 0 6 0 3 1 9 9 3 K L M Y 9 0 挣沥青，其技术指标见表2 3 。 6 长安大学硕士学位论文 表2 3l 皿M Y 9 懈沥青技术指标 项目原沥青 标准 试验标准 3 0 1 5 8 0 针入度 2 59 6 48 0 1
3、0 0T 0 6 0 4 2 0 0 0 ( 0 1 m m ) 1 53 2 5 延度( 5 c m m i n ，10 ，c m ) 1 0 0术3 0T 0 6 0 5 1 9 9 3 延度( 5 c r n m i n ，15 ，c m ) 1 0 0术1 0 0 软化点( ) 4 5 4术4 4T 0 6 0 6 2 0 0 0 针入度指数P 1 0 9 0 91 8 + 1 0T 0 6 0 4 2 0 0 0 密度( 1 5 ，3 )0 9 8 2 实测T 0 6 0 3 1 9 9 3 2 ) 填料 表2 4 矿粉试验结果 试验项目试验结果试验标准试验方法 表观相对密度 2 7
4、 2 0术2 4 5T 0 3 5 2 2 0 0 0 矿粉亲水系数 O 6 8 o n 一等效应力阶次，依赖于温度，n o 瑚时间阶次，依赖于温度，1 o m 时间阶次，依赖于温度，1 A 。 通过三种结构( 结构A 常规半刚性基层沥青路面结构；结构B 柔性基层沥青路面 结构；结构C 高性能基层薄沥青层路面结构) 车辙结果的对比，发现结构C ( 薄面层强 基层) 的车辙性能明显优于结构A 和结构B ，薄S B S I C 改性沥青面层和高性能的水泥 稳定基层起到了很好的效果；柔性基层结构B 次之，结构A 常规半刚性基层路面的抗 车辙性能比较差，车辙变形和隆起都很大。 2 ) 温度和荷载，尤其
5、是高温和重载条件下对路面车辙的影响非常大。 从三种工况( 4 6 ，1 6 0 K N 、5 3 ，1 6 0 K N 、5 3 、1 0 0 K N ) 条件下的车辙深度比 较上可以看出，温度和荷载是影响路面车辙因素的重要指标。结构A 在相同温度5 3 ， 1 0 0 K N 时加载1 4 8 0 0 0 次时的车辙深度为3 1 4 r 姗，而1 6 0 K N 在加载7 0 0 0 0 次时车辙深 度已经是3 9 6 l m 。有资料表明哳】1 2 】：在不同的轴载作用下，重载作用产生的车辙比轻 型荷载大得多，轴载超过l 倍，其车辙要达到1 0 1 5 倍。另外，环境温度也是引发车 辙的重
6、要因素，当温度升高时，沥青混合料抵抗蠕变的能力下降，在轴载作用下很容易 产生永久剪切变形导致沥青材料横向流动而产生车辙；结构B 在相同荷载1 6 0 K N 时， 4 6 时加载1 6 7 0 0 0 次时的车辙深度为2 1 1 倒【I l ，而在5 3 时加载7 0 0 0 0 次时车辙深度 已经是3 6 4 m m 。资料表明：在4 0 6 0 范围内，温度每升高5 ，其变形将增加2 倍。 因此，在进行路面设计或车辙研究时，应准确考虑路面的实际温度进行分析。否则，一 切变得毫无意义。 3 ) 通过车辙等效的对比分析，试验室O 1 M p a 应力水平下对应不同温度所取得的蠕变 参数l 优于
7、在O 2 M p a 下所取得的蠕变参数2 。 用材料蠕变参数1 与蠕变参数2 进行车辙模拟，通过结果的比较可知参数l ( 蠕变试 验以0 1 M p a 的应力水平加载) 车辙模拟误差明显优于参数2 ，参数l 的模拟结果更接 近实测数值，而参数2 所取得的模拟结果与实测值的误差比较超过2 0 ，而且O 2 M p a 下对应不同温度所取得的蠕变参数值相对比较离散。因此，从更接近路面材料真实力学 S 6 长安大学硕士学位论文 特性的角度考虑，将第四章中以0 2 M p a 应力水平加载的不同温度蠕变参数表2 予以舍 弃，取材料蠕变参数表l 做为以后材料蠕变模型研究的依据。 4 ) 轮槽深度是影
8、响沥青路面变形的主要原因。 随着荷载作用次数的增加，A 、B 、C 三种不同结构的有限元分析与加速加载实测车 辙发展规律较为一致。而车辙深度包括路面轮槽深度和隆起高度两部分，由模拟结果可 知，相对于隆起来说，轮槽深度是构成车辙深度的主要成分，即路表凹陷是沥青路面变 形的主要原因。 5 ) 车辙隆起系数的确定 “永久变形”即轮槽深度则指轮迹带路面结构的最大减薄量，由沥青混合料的 压密变形和流动变形所构成，压密变形导致沥青层的减薄，即发生下陷变形；流动变形 则不仅使沥青层产生下陷变形，还导致在下陷变形部位两侧的隆起。“车辙“ 指的是轮 迹带下凹与两侧隆起的变形差，包括了沥青混合料的永久变形和侧向隆
9、起两部分，如下 图5 1 5 所示。 测 线 内铡辜仑迹带井德轮迹蓊 图5 1 5 沥青路面车辙和永久变形 在实际中影响路面使用性能及行车安全的主要是“车辙”，不是单独的永久变形， 所以有必要对隆起变形的比例加以考虑。由上述几种工况可比较出，数值模拟的隆起变 形比例( 隆起系数) 相对实测值略小，工况4 6 ，1 6 0 K N 、工况5 3 ，1 6 0 l d 、工况 5 3 ，l o o K N 三种不同情况下求取推荐平均值，通过计算得： 结构A 隆起系数为0 3 5 ： 结构B 隆起系数为O 4 0 ； 结构C 隆起系数为O 4 0 。 6 ) 有限元数值方法模拟沥青路面车辙发展规律是
10、可行有效的。 由计算所得的车辙深度与实测的车辙深度值相比较可知，车辙变形的形状基本相 同，预估数值相对于实测变形略小，计算相对误差均值在2 0 以内。粘弹性有限元分析 方法基本可以反映出路面车辙的变形过程，以数值方法部分取代现场试验将获得显著的 经济效益。 5 7 第五章数值模拟沥青层车辙变形 7 ) 数值模拟误差的影响因素 加速加载试验是目前国际上路面结构研究中最接近于实际路面行车状况的综合试验 之一，其试验结果被广泛应用于路面结构选择及车辙模拟。但由于路面本身复杂多变， 尤其是路面的服务后期表现出一定的塑性，使计算相对误差为2 0 以内，是可以接受的。 产生误差的原因较复杂，有理论本身的问
11、题( 如假设的合理性) ，也有相关参数的选取与 精度的问题，误差产生原因分析如下： 材料：本构蠕变模型的选取、路表温度及面层内温度梯度的计算、室内成型试验试 件与试验场各层混合料体积指标的差异、S P T 蠕变试验操作不足、回归软件进行蠕变参 数拟合时误差； 结构：路面结构薄封层的考虑、网格划分； 荷载：重载荷模型的简化、轴载次数与数值模拟中分析步的转化。 5 5 本章小结 本章主要运用A B A Q U S 数值软件对路面车辙进行模拟。分别对应前几章得到的荷 载、温度、材料方面的加速加载试验场参数，按不同的工况( 4 6 ，1 6 0 K N ) 、( 5 3 ， 1 6 0 K N ) 、
12、( 5 3 、1 0 0 K N ) ，不同的结构( 结构A 常规半刚性基层沥青路面结构；结构 B 柔性基层沥青路面结构；结构C 高性能基层薄沥青层路面结构) ，不同的材料蠕变参 数( S P T 蠕变分别通过两种不同的应力O 1 M p a 、O 2 M p a 进行加载) ，对路面的车辙进行 数值模拟。 将模拟的车辙结果( 车辙深度、隆起高度、轮槽深度) 三方面跟现场试验数据进行 对比分析，发现随着荷载作用次数的增加，A 、B 、C 三种不同结构的有限元分析与加 速加载实测车辙发展规律较为一致。 从三种路面结构上分析，抗车辙性能依次为C B A 。 温度和荷载，尤其是高温和重载对路面的影响
13、很大。 通过车辙等效的对比分析，试验室0 1 M p a 应力水平下对应不同温度所取得的蠕变 参数1 优于在0 2 M p a 下所取得的蠕变参数2 。 有限元数值方法模拟沥青路面车辙发展规律是可行有效的。 5 8 长安人学硕士学位论文 结论及建议 1 结论 1 ) 介绍加速加载试验内容，陈述了足尺试验路修建并进行路面加速加载试验 ( A c c e l e r a t e dP a v e m e n tT e s t ，A P T ) 能解决室内模拟与观测的不足，是目前国际上对路面 结构设计理念和设计效果进行评价的最有效手段。 课题组采用澳大利亚生产的A L F ( A c c e l e
14、 r a t e dL o a dF a c i l i t ) ，) 加速加载设备对三种路 面结构进行了高温车辙加速加载试验，并且详细参入和考虑了对轴载与试验温度两个因 素的影响，分三种工况对路面车辙进行分析，工况l ：试验温度和轴载分别为4 5 和1 6 t ， 工况2 ：试验温度和轴载分别为5 3 和1 6 t ，工况3 ：试验温度和轴载分别为5 3 和1 0 t 。 然后对现场所取得的车辙数据，按道路横断面曲线的方式进行了绘制，采集了不同 断面、不同加载次数情况下的车辙隆起高度、轮槽深度和车辙深度R D ，为下文的数值 模拟分析的展开提供了真实而有说服力的试验依据。 2 ) 随后介绍了
15、试验材料蠕变参数的获取，采用了基于美国公路合作研究计划( N c H R P ) 开发的的S P T 进行三轴蠕变试验，为防止后续的有限元分析出现模拟误差过大，试验时 分别采用了两种不同荷载应力( O 1 M p a 、0 2 M p a ) 进行加载，并对求取的各种混合料的 蠕变曲线进行了相应的回归拟合，最后得出了对应不同温度( 1 5 、3 0 、4 0 、5 0 、 6 0 ) 条件下的六种不同沥青混合料( A C 一1 6 、A C 一2 0 、A C 一2 5 、S u p 一1 6 、S u p 一2 5 、A T B 一2 5 ) 的蠕变参数值，为下文的数值模拟提供了粘弹性方面的
16、材料参数。 最后通过A B A Q U S 数值模拟与现场加速加载试验的对比分析，可以得到： 3 ) 三种路面结构抗车辙性能依次为C B A 。 通过三种结构( 结构A 常规半刚性基层沥青路面结构；结构B 柔性基层沥青路面结 构；结构C 高性能基层薄沥青层路面结构) 车辙结果的对比，发现结构C ( 薄面层强基 层) 的车辙性能明显优于结构A 和结构B ，薄S B S I C 改性沥青面层和高性能的水泥稳 定基层起到了很好的效果；柔性基层结构B 次之，结构A 常规半刚性基层路面的抗车 辙性能比较差，车辙变形和隆起都很大。 4 ) 温度和荷载，尤其是高温和重载条件下对路面车辙的影响非常大。 从三种工况( 4 6 ，1 6 0 l 删、5 3 ，1 6 0 l 刚、5 3 、1 0 0 K N ) 条件下的车辙深度比 较上可以看出，温度和荷载是影响路面车辙因素的重要指标。结构A 在相
