基于abaqus蠕变本构的沥青混凝土路面永久变形分析

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1、基于ABAQUS蠕变本构的沥青混凝土路面永久变形分析1.深圳中核工程检测有限公司深圳518000；2.同济大学上海200092摘要：车辙是高温地IX半刚性基层沥青混凝土路面典型破坏形式之一。木文以数值模拟为主导，采用大型商用有限元软件ABAQUS对车辙产生过程中沥青混凝土面层蠕变应变的发展规律以及车辙产生后路面变形状态进行了研究。结果表明，轮心附近路表发生下陷变形，轮隙附近及轮缘外侧路表发生向上隆起。路面在卸载后残余变形随时间变化不大，车辙变形是永久变形。由路表向下沥青混凝土面层横向蠕变应变和竖向蠕变应变均先增大后减小，峰值蠕变应变和

2、横向峰值蠕变应变大致相等。车辙变形主要发生在路面中下面层，减小车辙量应该加强中下面层尤其是中面层抵抗永久变形的能力。引言车辙是渠化交通下高等级公路沥青混凝土路面的主要破坏形式之一。车辙发展到一定程度会使得车辆变道时方向失控。雨天会产生车辙内积水，引发路面的水损害以及车辆的漂滑。研究成果表明，我国高速公路养护费用中有90%用在了车辙上。因此研究车辙的产生机理可以指导沥青混凝土路面的结构设计。在正常情况下，沥青路面的车辙包括结构型车辙、流动型车辙及磨损型车辙三种类型。在我国，由于基层多采用半刚性材料，强度较大，结构型车辙很少。沥青路面的永

3、久性变形基木上都属于沥青混合料的流动变形。因此，车辙主要为第二类流动型车辙。为了延缓车辙的产生，主要应从提高沥青混合料高温稳定性着手。1ABAQUS蠕变木构[5]在ABAQUS中，沥青混合料的蠕变木构可以表征如式(1)。(1)式中：一蠕变应变率；σ—等效应力；t一荷载累计作用时间；A、m、n—与材料相关的参数。将式（1）对吋间积分得到应变、应力以及加载吋间的关系如式（2）。（2）通过蠕变试验得到的试件蠕变应变与吋间的关系曲线，拟合参数A，m，n，拟合结果见图1及表1。2路面模型的建立与检验文献［6】论证了二维平面模型在午辙

4、模拟中的可行性。本章采用二维平面应变模型对车辙产生过程中沥青面层蠕变应变的发展规律以及车辙产生后路面变形状态进行研究，见图2。荷载简化方式参考文献［6】［7］将双圆荷载简化为双矩形荷载，见图2。加载时间取125000s,相当于重交通路面按设计使用期累计标准轴次2000万次/车道、车速64km/h计算路面使用中期荷载累计作用吋间。沥青面层上面层模量取为180.55MPa,下面层模量取为120MPa。对于半刚性基层路面，.午.辙主要出现于沥青面层，基层以下部位变形量较小，可以假定基层以下部位均为弹性材料，材料参数取值见表2。经过反复试算并

5、考虑到计算条件限制，确定模型尺寸为2.6m×5.0m;采用四边形8节点单元CPE8R,面层加密，从面层底部到土基底面单元尺寸逐渐加大,整个模型共划分为4920个单元；边界条件为约束左右边界水平位移和下边界竖向位移；局部网格划分及边界约束条件见图3。3计算结果分析经过比较，路面在卸载后各吋间点残余变形变化不大，卸载80000s吋的变形完全可以看作路面的永久塑性变形见图4。轮载反复作用下，沥青面层发生缓慢的塑性流动，路面不冋位置由于所处应力环境不冋表现出不冋的变形状态。轮心附近路表所受竖向压应力最为明显，因而发生下陷变形；轮隙

6、附近受车轮横向挤压作用明显，向下的变形又受到限制，因此发生向上隆起；轮缘外侧同样受水平挤压，但是挤压作用没有轮隙处明显，隆起量小于轮隙处。轮心处最大车辙变形量为3.315mm，轮隙处最大隆起量为3.092mm，外轮缘处最大隆起量为1.624mm，见图6。下面层相对变形量要大于上面层相对变形量，见图7。轮载作用面下方上面层最大相对变形为0.033,下面层最大相对变形为0.060,较上面层增大了81.8%;轮隙处上面层最大相对变形为0.022，下面层最大相对变形为0.053，较上面层增人了140.9%。因此，车辙变形主要发生在路面中下面层

7、，减小车辙量应该加强中下面层尤其是中面层抵抗永久变形的能力。由图8、9,横向蠕变应变和竖向蠕变应变首先发生在路表以下一定深度，而不是路表。外轮缘处蠕变变形首先发生在轮载作用面外侧偏向轮心以下一定深度范围，内轮缘处蠕变变形首先发生在轮载作用面内侧偏向轮心向下一定深度范围，轮隙处蠕变变形首先发生在轮隙中心向下一定深度范围，随加载吋间增长蠕变变形区域逐渐向四周扩展。由于外轮缘处相对于轮隙处约束较弱，外轮缘处蠕变变形最为明显。轮载作用面下方和轮隙处是蠕变变形相对集中的两个区域,因此，利用ABAQUS后处理中的路径功能对这两个区域的蠕变应变进行

8、详细分析。路径选择见图5,其中路径1为轮心到半刚性基层顶面垂直距离，路径2为轮隙中点到半刚性基层顶面垂直距离，路径3为上面层底部向下5mm处轮隙两侧一定范围水平距离。由图10、11，路表向下沥青面层横向蠕变应变和竖向蠕变