CN107966548B - 一种沥青路面失稳型车辙发生时间的预测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种沥青路面失稳型车辙发生时间的预测方法，涉及借助于测定材料的化学或物理性质来测试或分析材料的方法，属于道路工程的技术领域。本发明以沥青混合料蠕变试验第三阶段起始点所对应的荷载作用次数为失稳寿命，通过室内简单性能试验可获得所测温度范围内室内沥青混凝土试件单轴、三轴动态蠕变试验失稳寿命的预测模型，由此只需给定某一温度及受力状态即可直接预测室内混合料试件蠕变第三阶段起点，最后通过有限元分析法获得实际路面模型在标准轴载作用下的受力状态并结合实际环境温度及交通量情况获得实际路面的失稳寿命，为实际路面车辙失稳寿命的预测提供一种可行方案，试验条件简单且操作方便。

Description

一种沥青路面失稳型车辙发生时间的预测方法

技术领域

本发明公开了一种沥青路面失稳型车辙发生时间的预测方法，涉及借助于测定材料的化学或物理性质来测试或分析材料的方法，属于道路工程的技术领域。

背景技术

随着交通量增长、轴载加重、交通渠化及持续高温天气等因素的综合影响，车辙成为我国道路沥青路面的主要病害之一。根据以往经验，在城市道路和干线公路交叉路口段、行车渠化交通严重的高速公路路段以及高速公路上坡路段等区域易出现车辙。车辙的产生会影响路面平整度以及行车舒适性，削减面层以及路面结构的整体强度，同时也会严重危害行车安全性。因此，针对高速公路车辙问题开展研究，对确保路面使用质量，提高行车安全具有重要意义。

由于我国沥青路面一般采用半刚性基层，因此车辙主要以沥青面层的失稳型车辙为主。从车辙的发展规律来看，车辙发展一般经历三个阶段：初始压密阶段、稳定增长阶段及加速失稳阶段，室内静态和动态三轴试验证明了这一规律。车辙出现失稳的具体时间与沥青混合料类型、荷载大小以及作用次数、温度环境、路面结构等因素有关。由于多种因素的综合作用，实际路面车辙失稳时间很难预测，但若能通过研究掌握沥青路面车辙失稳的规律，并通过沥青混合料及其原材料性能指标从项目建设时就进行控制来延长路面车辙出现失稳的时间，这对提高路面建设质量、减少运营期间的养护费用具有重要意义。

从室内沥青混合料的车辙试验、三轴试验以及实际路面在荷载作用下的受力特点来看，沥青混合料车辙发展的三个阶段具有一定的特征。初始压密阶段是混合料压密过程中内部结构重新调整的阶段，主要体现为集料的重新排布；稳定增长阶段主要体现为混合料粘弹塑性的累积及内部石料破碎引起的混凝土强度下降；加速失稳阶段主要体现为混合料强度失稳导致的变形过大。车辙深度的快速增加其本质原因则是沥青混合料的失稳。因此，有必要给出一种预测沥青路面失稳型车辙发生时间的有效方案。

发明内容

本发明的发明目的是针对上述背景技术的不足，提供了一种沥青路面失稳型车辙发生时间的预测方法，从探究混合料强度构成原理以及路面不同层位在实际温度场不同荷载作用下的失稳机理角度出发确定沥青路面车辙失稳的规律，为沥青路面失稳型车辙发生时间的预测提供一种有效途径，为进一步防止车辙深度快速增长提供有效数据，解决了实际路面车辙失稳时间很难预测的技术问题。

本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案：

一种沥青路面失稳型车辙发生时间的预测方法，包括如下步骤：

A、在不同温度下进行抗剪强度试验获得沥青路面各面层沥青混合料的抗剪强度参数值进而确定沥青混合料破坏面上剪应力值与温度及受力状态相关的预测模型；

B、结合沥青混合料破坏面上剪应力值与温度及受力状态相关的预测模型，在不同温度、围压以及循环荷载作用下进行三轴动态蠕变试验获得沥青混合料失稳寿命与温度及受力状态相关的预测模型，所述沥青混合料失稳寿命与温度及受力状态相关的预测模型即为沥青混合料失稳点对应的流变次数与温度及受力状态相关的预测模型；

C、结合沥青混合料失稳点对应的流变次数与温度及受力状态相关的预测模型，通过有限元分析法获得实际路面模型在标准轴载作用下的受力状态并结合实际环境温度及交通量情况获得实际路面的失稳寿命。

进一步的，沥青路面失稳型车辙发生时间的预测方法中，步骤A的具体方法为：在沥青混合料出现车辙的温度代表值下对沥青混合料进行无侧限抗压强度试验和三轴压缩试验获得不同温度下沥青混合料的抗剪强度参数值，拟合不同温度下沥青混合料的抗剪强度参数值得到沥青混合料破坏面上剪应力值与温度及受力状态相关的预测模型：

σ₃为围压，τ₀(σ₃,T)为沥青混合料在围压σ₃及温度T下破坏面上的最大剪应力值，

为温度T下的内摩擦角，c(T)为温度T下的粘聚力。

再进一步的，一种沥青路面失稳型车辙发生时间的预测方法中，步骤B的具体方法为：

在选定的温度及围压下，对沥青混合料施加不同循环载荷进行三轴动态蠕变试验得到沥青混合料在围压σ₃和第n个压应力荷载值σ_n以及温度T下破坏面上剪应力的简化值τ_n(σ₃,σ_n,T)以及第n个压应力荷载值下沥青混合料失稳点对应的流变次数F_N，再由：

确定不同循环荷载下沥青混合料失稳点对应流变次数与温度及受力状态相关的预测模型，a、b为常数，

在温度不变的前提下，在不同围压下对沥青混合料施加不同循环载荷进行三轴动态蠕变试验，修正沥青混合料失稳点对应的流变次数与温度及受力状态相关的预测模型为：

在不同温度下对沥青混合料施加不同循环载荷进行三轴动态蠕变试验，进一步修 正沥青混合料失稳点对应的流变次数与温度及受力状态相关的预测模型为：

更进一步的，一种沥青路面失稳型车辙发生时间的预测方法中，所述第n个压应力荷载值为围压σ₃下沥青混合料抗压强度值与大于0且小于1的系数的乘积。

作为一种沥青路面失稳型车辙发生时间的预测方法再进一步的优化方案，步骤C的具体方法为：

将实际路面模型各层面划分为均匀的亚层结构，提取各亚层结构在标准轴载作用下压应力荷载值及围压值；

将车辙出现的温度范围划分为有限个等级，记录各亚层结构在各温度等级下的平均温度；

将各亚层结构在标准轴载作用下所受压应力荷载及围压值、在各温度等级下的平均温度代入沥青混合料失稳点对应的流变次数与温度及受力状态相关的预测模型得到各亚层结构失稳点对应的流变次数，在超过60％的亚层结构发生失稳时判定实际路面失稳，并选取各温度等级下失稳亚层结构失稳点对应的流变次数中的最大值为对应温度等级下实际路面的失稳寿命；

分析实际路面交通量与轴载谱并统计一年内达到各温度等级的天数进而确定一年内各温度等级下车辙高频发生时段内标准轴载作用总次数，将一年内各温度等级下车辙高频发生时段内标准轴载作用总次数与各个温度等级下实际路面的失稳寿命相比得到各温度等级下实际路面失稳寿命消耗百分比，累加一年内各温度等级下实际路面失稳寿命消耗百分比得到一年内实际路面失稳寿命的总消耗百分比，100％与一年内实际路面失稳寿命总消耗百分比的商即为失稳型车辙发生年限。

本发明采用上述技术方案，具有以下有益效果：本发明所涉及的试验条件简单、操作方便，以沥青混合料蠕变试验第三阶段起始点所对应的荷载作用次数为失稳寿命，通过室内简单性能试验可获得所测温度范围内室内沥青混凝土试件单轴、三轴动态蠕变试验失稳寿命的预测模型，由此只需给定某一温度及受力状态即可直接预测室内混合料试件蠕变第三阶段起点，最后利用ABAQUS有限元软件对实际路面进行力学与温度场分析，结合预测所需的当量轴载次数、大气温度、不同时段轴载的累积作用次数所占比例等调查结果，运用合理的简化方法，利用室内试验获得的预测模型可进一步实现对实际沥青路面失稳型车辙发生时间的预测，为沥青路面失稳型车辙发生时间的预测提供一种可行方案。

附图说明

图1为沥青混合料无侧限受压破坏状态下应力莫尔圆的示意图。

图2为沥青混合料单轴贯入破坏状态下应力莫尔圆的示意图。

图3为c、

值的求解示意图。

图4为蠕变曲线及流变次数F_N的示意图。

图5为τ_n的求解示意图。

图6为沥青路面的结构分层示例图。

图7为荷载作用等效面的示意图。

图8(a)为节点分布概略图，图8(b)为节点分布细部图。

具体实施方式

下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明。

传统的路面车辙研究大多关注于其深度的发展与预测，而从沥青混合料蠕变发展三阶段来看，车辙深度会在第三阶段发生快速增长，其本质即为沥青路面在实际荷载循环压剪作用下材料的失稳，因此本发明主要关注失稳点发生时间的预测。

1.抗剪强度参数预测模型的确定

本发明在不同温度下，利用无侧限抗压强度试验及三轴压缩试验并结合莫尔-库伦理论来测定沥青混合料的抗剪强度参数，再通过分析及拟合获得抗剪强度参数仅与温度相关的预测模型。

1.1无侧限抗压强度值

利用无侧限抗压强度试验获取沥青混合料的无侧限抗压强度值σ_u，可画出其应力莫尔圆，如图1所示。

1.2三轴抗压强度值

利用三轴抗压强度试验获取围压为σ₃时，沥青混合料的三轴抗压强度值σ₁，可画出其应力莫尔圆，如图2所示。

1.3抗剪强度参数

综合分析以上结果并以莫尔-库伦理论为前提，将以上两个莫尔圆放在同一个坐标系下表示，如图3所示，可得：

其中，c为沥青混合料的粘聚力，

为沥青混合料的内摩擦角，τ₀为围压σ₃下试件受压破坏时破坏面上的最大剪应力值。

1.4不同温度下抗剪强度参数的测定

在沥青混合料应用于实际路面结构中所可能出现车辙的温度范围内取定温度代表值，在各温度代表值下重复进行上述步骤1.1～1.3获得不同温度下沥青混合料的抗剪强度参数值。结合路面实际温度场，对于常用于上面层的AC-13级配沥青混合料，建议在40～70℃范围内进行试验；对于常用于中面层的AC-20级配沥青混合料，建议在40～60℃范围内进行试验；对于常用于下面层的AC-25级配沥青混合料，建议在40～50℃范围内进行试验。

1.5抗剪强度参数预测模型

综合分析不同温度下沥青混合料抗剪强度参数试验结果，通过拟合可分别获得粘聚力c及内摩擦角

仅与温度相关的预测模型c(T)、

利用式(1)、(2)、(3)消去中间变量得到沥青混合料受压破坏时破坏面上剪应力值τ₀仅含有c(T)、

围压σ₃的预测模型如式(4)所示，即预测模型可表示为τ₀(σ₃,T)，

2.失稳点对应流变次数F_N预测模型的确定

三轴动态蠕变试验在万能材料试验机UTM-25的加载室内进行。加载波形选用与沥青混凝土路面的实际荷载波形最为接近的半正弦波，其加载频率为1Hz，加载0.1s、间歇0.9s。为保证荷载作用压头与试件能良好地接触，防止荷载作用瞬间材料发生冲击破坏和循环加载过程中压头与试件之间发生滑动，采用20kPa的预压应力进行预加载，作用时间300s。

在循环荷载(小于相同试验条件下的抗压强度值)作用下，试件不会出现一次性破坏。由此可获得材料变形与循环加载数间的关系，即蠕变曲线，并可利用其获到材料失稳点所对应的流变次数F_N，即可看作材料失稳寿命。流变次数F_N的确定方式如图4所示，即其为蠕变试验第三阶段起始点所对应的荷载作用次数，该点所对应的应变变化率处于平稳阶段向快速增加阶段的转变。

2.1不同循环荷载作用下F_N预测模型

选定某一温度及围压σ₃，对沥青混合料进行三轴动态蠕变试验，设置五个荷载值，可分别为围压σ₃时沥青混合料抗压强度值σ₁的0.4、0.5、0.6、0.7、0.8倍，分别获得各循环荷载作用下材料的流变次数F_N。

将预测模型设定为破坏面上的剪应力比值与流变次数F_N的关系，如式(5)所示：

其中，a和b均为待定常数，τ₀为围压σ₃下试件受压破坏时破坏面上的最大剪应力值，τ_n为试件在各循环荷载σ_n作用下破坏面上剪应力的简化值。

τ_n可利用式(6)计算，原理如图5所示。

利用式(1)、(2)、(6)消去中间变量得到沥青混合料循环加载破坏时破坏面上剪应力值τ_n仅含有c(T)、

围压σ₃、循环压力值σ_n的预测模型如式(7)所示，即预测模型可表示为τ_n(σ₃,σ_n,T)。

由此代入温度及受力状态σ₃、σ_n值，可通过预测模型求得τ_n/τ₀，结合三轴动态蠕变试验所得循环荷载下的F_N可精确拟合得到a、b参数值，即不同循环荷载作用下F_N预测模型可表示为：

2.2围压对预测模型参数a、b影响的确定

在温度不变的前提下，改变围压值对沥青混合料进行步骤2.1中的试验研究获得围压对上述预测模型(8)中参数a、b值的影响，修正流变次数F_N的预测模型为：

2.3温度对预测模型参数a、b影响的确定

在不同温度环境下，对沥青混合料进行步骤2.1中的试验研究获得温度对上述预测模型(9)中参数a、b值的影响，进一步修正流变次数F_N的预测模型为：

由此得到了室内沥青混合料失稳点预测模型如式(10)所示。

重复步骤1～2可建立不同类型沥青混合料的失稳点预测模型。

3.实际沥青路面车辙失稳发生时间的预测

3.1路面结构模型的建立

本发明利用ABAQUS有限元分析软件，建立X×Y×Z为6m×6m×6m大小的路面模型，以该尺寸建立的模型能较好地模拟路面实际受力状态，同时计算相对较快，其中，X轴方向为行车方向、Y为竖向、Z为垂直于行车方向，边界条件为无侧向运动。

如图6所示，将路面结构按所选材料类型进行分层，其中上、中、下面层材料属性的描述建议采用Burgers模型或修正的Burgers模型，此类模型能相对较好地你表现沥青混合料的蠕变特性。基层与土基建议直接采用弹性模型。各层材料涉及的模型参数值可输入经验值，亦可对沥青混合料进行静态或动态单轴蠕变试验获得蠕变曲线，利用相应模型拟合该蠕变曲线进而获得相应材料参数。路面结构分层示意图如下，该路面结构为4cm上面层+6cm中面层+8cm下面层+40cm水泥稳定碎石+20cm二灰稳定土+522cm土基。

3.2标准轴载作用下的路面受力状态

ABAQUS路面模型中荷载采用标准轴载700KPa，并将荷载作用面等效为单圆，如图7所示。对模型进行网格划分，上中下面层在Y轴方向每1cm设置一个节点，即如果实际路面为上面层4cm+中面层6cm+下面层8cm，则相当于将路面上中下面层细分为了18个亚层进行分析，而基层与土基可适当减少节点数量以减小运算量。提取荷载作用面中心线上路面各亚层顶点处的S22及S11。其中S22相当于各节点处所受的压应力荷载σ_n，S11相当于各节点处所受的围压值σ₃。由于模型与所受荷载均对称，因此，S11和与之垂直的S33相等。荷载作用中心线与所设节点(即各亚层顶点)如图8(a)、图8(b)所示，其中，图8(b)中出现的圆柱仅仅是为了找到荷载作用中心线而对上、中、下面层结构进行了剖分，其只会影响网格的划分，而对受力状态没有影响，路面结构模型仍是一个整体。

3.3路面温度场模拟与简化

已有研究表明，当日最高气温达到23℃及以上时，路面开始出现车辙。因此，将温度23～40℃以每3℃为一个等级，即可将温度划分为6个等级，取每个等级的中值作为代表温度值，利用ABAQUS软件分别模拟日最高气温达到24℃、27℃、30℃、33℃、36℃、39℃时沥青路面上、中、下面层温度一天中的变化情况，注意网格划分及节点设置与上述受力分析中保持一致。取11:00～16:00路面材料温度变化情况进行重点分析，此时，路面各层温度均相对较高，应属车辙产生的高发期，记录6个温度等级路面模型中各亚层在此时段的平均温度。

3.4路面材料失稳发生时间预测

对实际沥青路面的交通量与轴载谱进行调查与分析，获得预测所需的当量轴载作用次数及一天内不同时段轴载的累积作用次数所占比例，以此获得11:00～16:00时段标准轴载作用次数。调查一年内所预测道路地区的气温状况，统计温度为23～40℃以每3℃为一个等级时，气温达到各个等级的天数，进而获得一年内各个温度等级下11:00～16:00时段标准轴载作用总次数。

利用室内试验获得实际路面各亚层材料如式(10)所示的失稳预测模型，输入上述获得的某一温度等级下各亚层材料(以1cm为一亚层)的温度及受力状态，60％以上的亚层发生失稳则认定路面结构失稳，由此预测获得该温度等级下沥青路面结构的失稳寿命，即，选取该温度等级下失稳亚层失稳点对应的流变次数的最大值作为该温度等级下沥青路面结构的失稳寿命。重复该过程，进一步预测获得各个温度等级下沥青路面的失稳寿命。

将一年内第i个等级11:00～16:00时段标准轴载作用总次数除以各个温度等级下沥青路面的失稳寿命，记为N_i，作为在此温度等级下沥青路面失稳寿命消耗百分比。将6个温度等级下的N_i值相加，则可得到一年内沥青路面失稳寿命的总消耗百分比。当总消耗百分比达到100％时，路面将发生失稳，即失稳发生的年限可由100％与一年内总消耗百分比相除求得。

(1)实际沥青路面资料调研

对实际沥青路面结构、面层材料及混合料具体级配、交通量、轴载谱、大气温度等资料进行调查整理。

(2)原材料选择与试件制备

准备与实际沥青混凝土路面各层相同的原材料，以相同的级配、油石比以及目标空隙率，利用旋转压实仪分别成型上、中、下面层室内试验所需试件。

按规范JTG E20-2011的要求利用旋转压实仪成型Φ150mm×H150mm的圆柱型试件，再将试样按尺寸Φ100mm×H100mm切割取芯，分别用于无侧限抗压强度试验、三轴压缩试验及三轴动态蠕变试验。试件总数量与所选温度及荷载代表值相关，为减小试验的变异性，相同的试验条件下保证有3个平行试样。

(3)抗剪强度参数预测模型的确定

将上、中、下面层试件在不同温度下分别进行无侧限抗压强度试验及三轴压缩试验，获得不同温度下各类材料的抗剪强度参数值。由此拟合获得不同面层材料的抗剪强度参数预测模型。

(4)失稳点对应流变次数F_N预测模型的确定

针对某一层材料，在某一温度及围压σ₃下，选取小于相应σ₁的五个荷载值分别进行三轴动态蠕变试验，获得蠕变曲线及流变次数F_N。进一步分析获得剪应力比值τ_n/τ₀与流变次数F_N，即流变次数F_N的预测模型。分别改变温度、围压，对该材料的失稳预测模型进行修正。重复该过程，得到上、中、下面层各自材料的失稳预测模型。

(5)实际沥青路面车辙失稳发生时间的预测

将上、中、下面层以1cm为一层，分为多个亚层，建立每个亚层的失稳预测模型。利用ABAQUS有限元软件分析获得不同温度等级下沥青路面实际温度场，输入到每个亚层的预测模型中，同时，分析标准轴载作用下每个亚层围压值及荷载压力值代入到预测模型中，60％的亚层发生失稳则认为沥青路面结构发生失稳，由此可预测该温度场下沥青混合料的失稳寿命。叠加每个温度场下，沥青路面寿命消耗百分比，进一步求得车辙失稳发生年限。

应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和等同替换，这些对本发明权利要求进行改进和等同替换后的技术方案，均落入本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种沥青路面失稳型车辙发生时间的预测方法，其特征在于，包括如下步骤：

A、在不同温度下进行抗剪强度试验获得沥青路面各面层沥青混合料的抗剪强度参数值进而确定沥青混合料破坏面上剪应力值与温度及受力状态相关的预测模型；

B、结合沥青混合料破坏面上剪应力值与温度及受力状态相关的预测模型，在不同温度、围压以及循环荷载作用下进行三轴动态蠕变试验获得沥青混合料失稳寿命与温度及受力状态相关的预测模型，所述沥青混合料失稳寿命与温度及受力状态相关的预测模型即为沥青混合料失稳点对应的流变次数与温度及受力状态相关的预测模型；

C、结合沥青混合料失稳点对应的流变次数与温度及受力状态相关的预测模型，通过有限元分析法获得实际路面模型在标准轴载作用下的受力状态并结合实际环境温度及交通量情况获得实际路面的失稳寿命：

将实际路面模型各层面划分为均匀的亚层结构，提取各亚层结构在标准轴载作用下压应力荷载值及围压值，

将车辙出现的温度范围划分为有限个等级，记录各亚层结构在各温度等级下的平均温度，

将各亚层结构在标准轴载作用下所受压应力荷载及围压值、在各温度等级下的平均温度代入沥青混合料失稳点对应的流变次数与温度及受力状态相关的预测模型得到各亚层结构失稳点对应的流变次数，在超过60％的亚层结构发生失稳时判定实际路面失稳，并选取各温度等级下失稳亚层结构失稳点对应的流变次数中的最大值为对应温度等级下实际路面的失稳寿命，

分析实际路面交通量与轴载谱并统计一年内达到各温度等级的天数进而确定一年内各温度等级下车辙高频发生时段内标准轴载作用总次数，将一年内各温度等级下车辙高频发生时段内标准轴载作用总次数与各个温度等级下实际路面的失稳寿命相比得到各温度等级下实际路面失稳寿命消耗百分比，累加一年内各温度等级下实际路面失稳寿命消耗百分比得到一年内实际路面失稳寿命的总消耗百分比，100％与一年内实际路面失稳寿命总消耗百分比的商即为失稳型车辙发生年限。

2.根据权利要求1所述一种沥青路面失稳型车辙发生时间的预测方法，其特征在于，步骤A的具体方法为：在沥青混合料出现车辙的温度代表值下对沥青混合料进行无侧限抗压强度试验和三轴压缩试验获得不同温度下沥青混合料的抗剪强度参数值，拟合不同温度下沥青混合料的抗剪强度参数值得到沥青混合料破坏面上剪应力值与温度及受力状态相关的预测模型：

σ₃为围压，τ₀(σ₃,T)为沥青混合料在围压σ₃及温度T下破坏面上的最大剪应力值，

为温度T下的内摩擦角，c(T)为温度T下的粘聚力。

3.据权利要求2所述一种沥青路面失稳型车辙发生时间的预测方法，其特征在于，步骤B的具体方法为：

在选定的温度及围压下，对沥青混合料施加不同循环载荷进行三轴动态蠕变试验得到沥青混合料在围压σ₃和第n个压应力荷载值σ_n以及温度T下破坏面上剪应力的简化值τ_n(σ₃,σ_n,T)以及第n个压应力荷载值下沥青混合料失稳点对应的流变次数F_N，再由：

确定不同循环荷载下沥青混合料失稳点对应流变次数与温度及受力状态相关的预测模型，a、b为常数，

在温度不变的前提下，在不同围压下对沥青混合料施加不同循环载荷进行三轴动态蠕变试验，修正沥青混合料失稳点对应的流变次数与温度及受力状态相关的预测模型为：

在不同温度下对沥青混合料施加不同循环载荷进行三轴动态蠕变试验，进一步修正沥青混合料失稳点对应的流变次数与温度及受力状态相关的预测模型为：

4.根据权利要求3所述一种沥青路面失稳型车辙发生时间的预测方法，其特征在于，所述第n个压应力荷载值为围压σ₃下沥青混合料抗压强度值与大于0且小于1的系数的乘积。

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