基于温度场和动态模量的沥青混合料车辙预估模型研究

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1、基于温度场和动态模量的沥青混合料车辙预估模型研究研究大纲西安建筑科技大学2011年5月一、项目研究的必要性由于沥青路面具有良好的行车舒适性和优良的使用性能，且维修方便，我国高速公路绝大部分都采用了沥青路面。然而，由于交通量的迅猛增长和重载、超载情况的加剧，沥青路面的损坏现象也日趋严重。其中，车辙是当前我国高等级公路沥青路面问题最突出，危害最大的损坏类型之一。近年，由车辙引起的路面损坏所占比例有愈来愈大的趋势，车辙问题已经成为道路交通领域的世界性难题。美国西部公路交通运输协会在报告中指出，在许多国家沥青路面车辙问题

2、是目前公路管理部门所面临的最迫切的问题。从我国属于热区的南方到属于寒区的北方，从西部地区到东部沿海，许多高速公路均出现了不同程度的车辙损坏。车辙病害的出现，不仅严重影响路面的使用质量和服务寿命，而且严重影响交通安全性。国外认为当车行道车辙深度达到15mm～20mm时，路面就已经损坏。若按此标准，我国很多通车不久的高速公路都需要维修或改建。可见，沥青路面车辙的危害不容忽视，如何采取有效方法控制车辙成了公路部门的当务之急。由于沥青混合料是一种典型的粘弹性材料，影响沥青混合料高温特性的因素很多，车辙的形成原因非常复杂。

3、尽管国内外沥青路面的设计方法已经在路面结构组成设计和路面材料组成设计上对沥青路面车辙的控制进行了大量的研究，但是实用效果并不明显，沥青路面的车辙现象依然显著。随着对路面结构行为研究的深入，国内外部分道路研究人员逐渐认识到只是材料上的改进并不能彻底解决车辙问题，必须在车辙性能指标以及设计方法上进行系统性改进才能最终防治车辙损坏，即需提出有效的车辙性能评价指标、建立合理的车辙预估模型并据此提出控制车辙的路面设计指标。目前我国公路沥青路面结构设计和车辙预估模型均采用静态参数。由于路面结构在车辆荷载的作用下其实际工作受力

4、状态、材料性质等都处于动态体系，因此，研究沥青路面材料的动态参数和基于动态参数的车辙预估模型十分必要。本研究深入分析沥青混合料的动态模量参数指标，讨论沥青混合料的动态模量与混合料组成及性能的关系，在沥青路面车辙病害成因及机理分析的基础上，探索沥青混合料高温性能试验方法及动态模量参数，提出引入动态模量参数的1沥青路面永久变形预估模型，对提高我国沥青混合料设计水平及控制路面病害具有重要意义。二、国内外研究应用现状车辙问题一直是困扰世界各国道路设计人员的主要病害类型，很多路面设计方法都将车辙作为路面结构破坏的首要判定准

5、则。近年来，随着施工机械的发展及施工技术的提高，由路基和基层产生的永久变形在车辙总量中所占的比重越来越小，沥青面层所占的比例越来越高。对于我国广泛采用的半刚性基层沥青路面而言，车辙主要产生于沥青层，这一点已在相关的调研结果中得到证实。车辙发展的精确预估可以用来进行指导沥青混合料和路面结构设计，还可以为路面养护和维修提供决策。因此，国内外学者对沥青混合料车辙预估开展了大量的研究，一些国家明确将车辙预测作为沥青路面设计方法的一部分，如美国沥青协会规范、壳牌设计指南、南非的力学设计法等。经过多年的研究，国内外研究者针对

6、路面沥青层的永久变形分别从不同的角度建立了形式多样的车辙预估模型。1.国外研究现状国外对车辙预估问题的研究已有近三十年的历史，关于路面车辙预估，从经验性方法到考虑粘弹塑性理论等各种方法都有，这些车辙预测方法大致可分为三类：理论分析方法、半理论—半经验法、经验法，其中经验法需要大量的实际路面车辙观测数据，而车辙一般都需要几年甚至十几年才能形成，因此国外车辙预估方法以理论分析法为主。（一）经验法经验法是从试验路或者室内试验测定数据，采用统计方法建立沥青混凝土层永久变形与材料参数、荷载作用次数的经验关系。1986年Fi

7、nn等人根据AASHTO试验路观测结果编制了PDMAP的计算程序来预测沥青混凝土路面车辙。2002年，Archilla根据AASHTO路面试验数据提出了统计车辙模型：（1.1）式中：为在时间t时，断面i的车辙深度；为路面断面i竣工时源于下卧层的车辙深度，为一与全部初始车辙深度相关的非观察值；，为路面特性函数；为在时间t时，路面断面i累积荷载重复作用次数。1由于经验法建立的经验模型没有考虑路面结构的整体效应，模型中结构很少，甚至没有考虑到沥青材料的力学参数，不能对混合料的力学性能有较深入的概括，且预估车辙的公式外延

8、性差，适用面窄，所以经验法只能用于非常具体的环境，应用局限性较大，难以推广，用于评价沥青混凝土路面的永久变形受到了一定的限制。（二）理论法理论法通过试验测得沥青材料的性质参数，利用弹性或者粘弹性层状体系理论计算路面内部的应力、应变，然后根据路面材料的永久变形与应力之间的关系，建立沥青混凝土层的永久变形预估模型。理论法主要包括层应变法和粘弹性法。在70年代提出了一种车辙预估