基于路面结构行为的沥青混合料动稳定度研究

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一直以来动稳定度作为衡量沥青混合料高温性能的重要指标,在工程实践中起到了控制混合料质量的作用。在我国现行的沥青路面设计规范中,动稳定度指标仅从材料特性的角度来评价沥青混合料在高温条件下的抗车辙能力。然而众多研究表明:路面的车辙大小及其发展,不仅仅与路面材料及温度相关,还与作用于路面上的交通量、车辆荷载特性以及路面结构组成相关。因此,合理的沥青混合料动稳定度指标,应是基于路面结构行为(即综合考虑路面结构、环境条件和交通荷载等因素)的技术指标,而不仅是考虑混合料的材料类型和气候分区。为了从沥青路面的结构行为层面来确定动稳定度指标,本研究所做工作如下:(1)针对AC-13和AC-20两种混合料,进行不同工况下的动态模量、动态蠕变和室内车辙试验,探究混合料高温流变性质的同时拟合粘弹性参数,优选本构模型;(2)首先采用有限元验算的方法,确定了一套以车辙试验数据获取Burgers模型粘弹性参数的方法。其次,根据蠕变方程以及动稳定度定义推导出Burgers模型粘弹性参数同动稳定度的转换关系,并且采用大量车辙数据进行验证。最后,提出了一种动稳定度用于结构分析的有效方法;(3)针对不同的路面结构,分别研究了动稳定度、温度、荷载压力、轴载次数、车速、面层厚度对车辙深度的影响并构建基于动稳定度的车辙预估模型;(4)依托实际工程,进行了交通量、温度和路面车辙调查,并根据以上数据对车辙预估模型进行修正。(5)采用反算法求解得到基于容许车辙深度动稳定度计算模型。本文的基本结论如下:(1)广义Maxwell模型、Burgers模型、时间硬化蠕变模型均能较好地反映车辙、蠕变试验的前中期变形,却无法反映剪切破坏阶段。综合考虑拟合精度和简便性,可以选用Burgers模型进行工程应用。(2)车辙试验数据转化成粘弹性参数后用于有限元分析的方法切实可行且计算精度较高。有限元分析结果显示:对于动稳定度,在本文拟定的多种工况下的计算值与实测值之间误差细微,最大误差为4.65%;对于60min车辙深度,最大误差为1.66%。(3)动稳定度同粘弹性参数存在一定的数量关系。在确定动稳定度的情况下可计算相应的粘弹性参数,因此动稳定度可间接参与结构分析。(4)等效温度、荷载压力、沥青层厚度、动稳定度、车速、累计轴载次数均在一定程度上影响车辙深度。除车速与车辙变形呈负相关外,其余变量均与车辙变形呈正相关。根据数据分布情况,研究分别采用幂函数以及线性函数来构建各变量和永久变形的函数关系。(5)本研究对多条道路进行了交通量、荷载以及温度调查。根据实测数据进行了车辙预估模型的修正。最后,采用反算法确定了基于路面结构行为的动稳定度预估模型。
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