沥青混合料的材料特性对沥青路面力学响应的影响.pdf

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1、2014年6月石油沥青PETROLEUMASPHALT第28卷第3期沥青混合料的材料特性对沥青路面力学响应的影响祁文洋，孔晨光(1．同济大学道路与交通工程教育部重点实验室，上海201804；2．山东高速股份有限公司，济南250000)摘要：为了给沥青路面结构的分析与设计提供参考，采用三维有限元仿真分析方法，在弹性假设下以渗透系数、阻尼系数及横观各向同性系数分别表征沥青混合料的多孔介质、阻尼及横观各向同性特性。分析了不同沥青混合料材料特性对典型沥青路面结构力学响应的影响，并对结果进行了比较。结果表明：考虑阻尼特性时，半

2、剐性基层及柔性基层沥青路面面层层底拉应变设计标准偏于危险；考虑多孔介质特性时，柔性基层沥青路面面层层底拉应变设计标准偏于危险；考虑横观各向同性特性时，半刚性基层及柔性基层沥青路面路基项面竖向压应变设计标准偏于危险。关键词：道路工程沥青路面沥青混合料材料特性力学响应有限元路面力学响应分析是路面结构设计的核而是充满了孔隙，满足多孔介质材料的所有特心⋯。沥青混合料由于材料本身的复杂性，在点，是一种典型的多孔介质材料J。将沥青混不同的自然环境及交通荷载条件下表现出不同的合料视为多孔介质材料的基本假定为：(1)仅材料特性。沥青

3、混合料材料特陛在路面结构设计考虑路面结构小变形，不考虑路面逐步压实、孔中的合理考虑，是保障沥青路面使用寿命的关隙变小的过程，也即孔隙流体为不可压缩流体；键。现行的沥青路面结构分析与设计方法是基于(2)孔隙流体服从Darcy定律，且渗透系数不随时间而发生变化。在多孔介质材料模型中，理论各向同性的线弹性层状体系假设，沥青混合料的材料特性是由弹性模量和泊松比决定的-2．3J。已上流体运动的动量方程Navier—Stokes方程是适用的，但是由于计算区域的复杂性，使得模拟这有研究表明，沥青混合料具有多孔介质、阻尼及种微小孔洞

4、的流体流动是不现实的，因此采用平横观各向同性等材料特性J，因此，将沥青混均流动速度来描述流体的整体运动。在这个平均合料假定为各向同性材料进行路面力学响应分析化的过程中，引人渗透系数来量化多孔介质中的的合理性有待探讨。液体流动。本文采用三维有限元仿真分析方法，在弹性1．2阻尼假设下以渗透系数、阻尼系数及横观各向同性系阻尼是指振动系统在振动中，由于外界作用数分别表征沥青混合料的多孔介质、阻尼及横观或系统本身固有的原因引起的振动幅度逐渐下降各向同性特性，考虑半刚性与柔性两种基层类的特性，以及此特性的量化表征。由于路面结构型

5、，对沥青路面结构的面层层底水平应变及土基体系为小阻尼结构，通常采用瑞利阻尼假设_8J，顶面竖向应变的力学响应进行分析，以探究沥青把阻尼矩阵表示为质量矩阵和刚度矩阵的线性组混合料材料特性对沥青路面力学特性的影响。1沥青混合料材料特性收稿日期：2013—12—30。作者简介：祁文洋(1985一)，男，山东临清人，博士研究1．1多孔介质生，研究方向为道路工程材料。E—mail：qwy1985913@已有研究表明，沥青混合料并非单相均质，126．corno第3期祁文洋等．沥青混合料的材料特性对沥青路面力学响应的影响37合，即

6、为：E为沥青路面竖向的弹性模量，取值为2O℃沥{Ct=Ot{}+{K}(1)青混合料的抗压回弹模量。式中：Ot、口为与结构固有频率和阻尼比有2分析模型与材料参数关的阻尼系数，、口可以由任意2个振型的固分析模型所采用路面结构及材料参数见表有频率和相应的阻尼比来确定，即1，其中弹性模量按照现行设计规范选取20c【=的2wl2(2l一∞12)抗压回弹模量。模型中采用双轮矩形均布荷载，L‘一22(2)0)2一1双轮中心间距为34cm，单一矩形尺寸为18em×24cm。以单个半正弦瞬态荷载来模拟实际路面：(3)0)2一1承受动

7、态荷载的作用，可由式(5)计算。分析式中：。、∞分别为路面结构自振频率的中选取半正弦均布荷载作用峰值为0．7MPa；行低值和荷载频率的高值，而路面的自振频率一般车速度为60km／h，则相应的荷载作用时间为在6～12Hz；。与分别为一阶、二阶模态分0．018s。采用隐式瞬态算法进行计算，计算时析中的阻尼率，通常可假设为0．05和0．1。间为0．05s，时间步设定为5O。1．3横观各向同性一fP=Psin()(5)各向异性是指材料在各方向的力学和物理性』能呈现差异的特性。相关研究已经表明，路面材式中：P——为半正弦荷载峰

8、值，MPa；料如沥青混合料具有明显的各向异性特性。沥青卜为荷载作用时间，s。混合料的各向异性可以一级近似为横观各向同采用三维八节点六面体单元对模型进行离性，可通过横观各向同性系数进行量化，可按式散。综合考虑计算精度与效率，将荷载作用区域(4)计算。单元尺寸控制在1—2cm之间，远离荷载作用区K=E／Eh(4)域方向单元尺寸逐渐增大。沥青路面结构