瀝青混合料路用性能預(yù)測(cè)模型的研究.pdf

1、我國(guó)高等級(jí)公路瀝青路面目前普遍存在早期破壞現(xiàn)象。路面病害的主要形式是以疲勞開(kāi)裂及低溫開(kāi)裂為主的路面開(kāi)裂和以車轍為主的永久變形。除了施工和材料方面的原因外，這在很大程度上說(shuō)明采用彎沉作為設(shè)計(jì)指標(biāo)的瀝青路面設(shè)計(jì)方法已不能有效控制瀝青路面的病害；此外，交通量的快速提高和超重車比例的增大等交通流/車輛組成結(jié)構(gòu)的改變也在一定程度上對(duì)設(shè)計(jì)方法提出了新的要求。為此，本文在對(duì)瀝青混合料的疲勞開(kāi)裂、永久變形和低溫開(kāi)裂進(jìn)行試驗(yàn)研究和理論分析的基礎(chǔ)上提出了采

2、用疲勞開(kāi)裂、永久變形和低溫開(kāi)裂等路用性能指標(biāo)來(lái)進(jìn)行瀝青路面設(shè)計(jì)的新思路，并對(duì)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了探討。 瀝青混合料是一種性質(zhì)復(fù)雜的工程材料，影響其性能的因素眾多，單純的理論法和經(jīng)驗(yàn)法都不能很好地反映其性質(zhì)，較為理想的途徑是在以往研究的基礎(chǔ)上選擇適宜的理論，通過(guò)相應(yīng)的試驗(yàn)研究進(jìn)行補(bǔ)充和修正，從而得到符合實(shí)際情況的研究結(jié)果。作者在分析國(guó)內(nèi)外已有成果的基礎(chǔ)上，采用Burgers粘彈性模型作為研究瀝青混合料各性能指標(biāo)的基礎(chǔ)本構(gòu)模型，并根據(jù)各指

3、標(biāo)不同的特點(diǎn)進(jìn)行了修正。據(jù)此，提出了對(duì)疲勞開(kāi)裂、永久變形和低溫開(kāi)裂性能的室內(nèi)試驗(yàn)研究方案；在對(duì)原始試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理時(shí)，針對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)量較大的特點(diǎn)，作者對(duì)數(shù)據(jù)分析方法進(jìn)行了專門的研究，引入了基于不等距節(jié)點(diǎn)的二次B樣條和非線性最小二乘Levenberg-Marguardt方法對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)序列進(jìn)行篩選以及瀝青混合料本構(gòu)模型的擬合，克服了現(xiàn)有模型參數(shù)識(shí)別方法主觀性強(qiáng)和準(zhǔn)確性較差的不足。同時(shí)，以試驗(yàn)研究和數(shù)據(jù)分析得到的Burgers模型為基礎(chǔ)，根據(jù)各

4、指標(biāo)特點(diǎn)進(jìn)行修正后，采用粘彈性層狀體系理論對(duì)常用的瀝青路面結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，得到各指標(biāo)的性能預(yù)測(cè)模型。 本文通過(guò)對(duì)瀝青混合料的粘彈性力學(xué)分析以及試驗(yàn)研究證實(shí)瀝青混合料在疲勞過(guò)程中存在能量耗散，且耗散能的累積與瀝青混合料的疲勞開(kāi)裂的發(fā)生存在聯(lián)系。據(jù)此，提出采用耗散能作為判斷瀝青混合料是否發(fā)生疲勞開(kāi)裂的準(zhǔn)則。同時(shí)，通過(guò)對(duì)瀝青混合料小梁彎曲疲勞的試驗(yàn)研究，證實(shí)了瀝青混合料的疲勞是材料內(nèi)部的損傷發(fā)生、發(fā)展并最終導(dǎo)致宏觀裂縫和斷裂的過(guò)程，

5、要準(zhǔn)確地反映瀝青混合料的疲勞特性，必須計(jì)及疲勞試驗(yàn)中損傷演化的影響。本文運(yùn)用損傷力學(xué)方法定義了等應(yīng)力幅疲勞試驗(yàn)中試件應(yīng)變幅的變化規(guī)律作為疲勞損傷函數(shù)，通過(guò)對(duì)小梁彎曲疲勞試驗(yàn)過(guò)程的分析，得出與應(yīng)力比、加載時(shí)間相關(guān)的損傷函數(shù)，用以對(duì)瀝青混合料疲勞方程進(jìn)行損傷修正。通過(guò)對(duì)劈裂動(dòng)態(tài)蠕變的試驗(yàn)研究，運(yùn)用Levenberg-Marguardt方法對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，確定了Burgers粘彈性模型的材料參數(shù)，結(jié)合瀝青混合料疲勞的耗散能原理，得出了考慮

6、損傷的瀝青混合料疲勞方程。在進(jìn)行瀝青路面的抗疲勞開(kāi)裂性能預(yù)估時(shí)，通過(guò)對(duì)常用路面結(jié)構(gòu)采用粘彈性層狀體系理論進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，并運(yùn)用本文得到的疲勞方程，成功預(yù)估了常用路面結(jié)構(gòu)的疲勞壽命，并對(duì)瀝青路面疲勞開(kāi)裂設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了探討。 在研究永久變形特性時(shí)，本文首次將Norton律引入到Burgers模型中，使之更好地反映瀝青混合料粘彈塑性。通過(guò)單軸蠕變?cè)囼?yàn)的研究，結(jié)合Levenberg-Marguardt方法得到了瀝青混合料永久變形的粘塑性參

7、數(shù)，引入建立在Shell方法基礎(chǔ)上的預(yù)估模型對(duì)瀝青混合料的永久變形進(jìn)行預(yù)測(cè)。將此Burgers粘彈塑性模型作為瀝青混合料的本構(gòu)模型，采用粘彈性層狀體系理論對(duì)常用的瀝青路面進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，運(yùn)用本文得到的預(yù)估模型，成功地對(duì)常用的瀝青路面結(jié)構(gòu)的永久變形進(jìn)行預(yù)估，并對(duì)瀝青路面永久變形設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了探討。 在瀝青混合料低溫開(kāi)裂性能的研究中，本文引入能量準(zhǔn)則作為判斷瀝青混合料是否發(fā)生低溫開(kāi)裂的依據(jù)，即當(dāng)降溫過(guò)程產(chǎn)生的應(yīng)變能大于瀝青混合料斷裂的

8、破壞能時(shí)，瀝青路面將產(chǎn)生低溫開(kāi)裂。本文提出了采用瀝青混合料彎曲試驗(yàn)得出瀝青混合料破壞能變化規(guī)律的研究方法。同時(shí)，提出了根據(jù)瀝青混合料低溫彎曲蠕變?cè)囼?yàn)結(jié)果結(jié)合Levenberg-Marguardt方法得到Burgers模型的粘彈性參數(shù)的方法；給出了建立在Burgers粘彈性模型基礎(chǔ)上結(jié)合邊界條件得到的瀝青混合料溫度應(yīng)力的計(jì)算公式，以及溫度應(yīng)力產(chǎn)生的應(yīng)變能的計(jì)算方法，從而建立了運(yùn)用能量準(zhǔn)則對(duì)瀝青路面低溫開(kāi)裂進(jìn)行預(yù)估的方法，并舉例進(jìn)行了說(shuō)明。