沥青路面抗车辙性能分析_单景松
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网络出版时间：2015-03-13 10:47 网络出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/31.1764.TU.20150313.1047.015.html
沥青路面抗车辙性能分析
单景松,Байду номын сангаас淑印
（山东省土木工程防灾减灾重点实验室(山东科技大学),青岛 266510) 摘要：为探究车辙形成过程，以力学-经验法研究了 3 种半刚性基层沥青路面的车辙累积规律。研究过程包含温度场、沥青 混合料动态模量和沥青混合料蠕变模型三个模块，其中沥青混合料的动态模量和蠕变模型通过试验方法获取。通过温度场 模块得到不同时刻沥青各层的温度，并将对应温度的动态模量作为力学模型参数，计算得到不同时刻沥青各层位的受力状 态，进而根据蠕变模型分析不同沥青层位的蠕变应变，累积得到整个沥青面层的车辙量。结果表明 AC+AC+AC 型结构 上、中面层为车辙产生的主要层位，而将上面层替换为 SMA 可显著降低路面的车辙量，此时中面层对路面的车辙贡献最 大。因此，从减少车辙的角度推荐 SMA+AC+AC 和 SMA+AC+LSPM（大粒径排水碎石）两种结构，同时应加强中面层材 料的高温稳定性设计。 关键词：沥青路面，车辙，力学-经验发，动态模量，动态蠕变模型
Fig.1 Flowchart of rut analysis
2 车辙分析过程
2.1 沥青混合料动态模量 依据 AASHTO TP-62 试验方法,在无围压的条 件下对圆柱型试件施加连续正弦荷载，当试验达 到稳定状态时测定试件的应力幅值和应变幅值， 根据两者比值来确定动态模量,计算方法如式 5 所示
[5][6] [4]
( a b lg N )
理论分析法：主要利用沥青混合料的粘弹性 特性，以力学计算方法确定沥青路面车辙量。如 文献[8]采用粘弹性层状体系理论和 Laplace 变 换计算路面结构的永久变形。文献[9] 以粘弹性 层状理论为基础，提出了四单元五参数模型。理 论分析法考虑了沥青混合料的粘弹性特性，能从 本质上反映沥青路面的车辙出现过程，但模型参 数较多且确定过程比较复杂，现阶段实际应用难 度较大[10][11]。 力学-经验法：力学-经验法吸取了经验法和 理论分析法的优点，采用力学方法分析路面的受 力特性，同时结合实验数据和统计分析对对路面 性能进行评估，该方法已成为引导路面设计的趋 势。如 Shell 设计方法和 AASHTO 2002[13][14]。
Calculating cumulative 塑性应变分层计算 strain of different (不同时刻 ) asphalt layer Getting rutting depth of 沥青层车辙计算 total asphalt layer
图1 流程图 1 中主要分 3 个模块，分别为温度场 分析模块、动态模量模块和动态蠕变分析模块。 各模块的功能为：温度场模块主要提供不同深度 处随时间变化的温度，可以得到不同季节的路面 温度数据；动态模量模块根据室内动态模量试验 确定不同温度和频率变化下的沥青混合料动态模 量，为路面受力分析提供参数支持；动态蠕变模 块根据动态蠕变试验回归确定沥青混合料的蠕变 特性，建立合理的沥青混合料蠕变模型。上述 3
Dynamic modulus 动态模量回归模型 regression model
Dynamic creep test 动态蠕变试验
累计标准轴次 Cumulative standard axle ( 一定时刻间隔 ) at a certain time interval
Creep蠕变规律 rule of hot mix asphalt at different ) (考虑温度和应力水平 temperature and stress Getting dynamic 蠕变模型 creep model
。黄晓明等通过环道实验对上述模型
进行了完善，在车辙预估模型中考虑了沥青层厚
收稿日期：2014-09-22；修订日期：2014-11-09 基金资助：山东省自然科学基金(ZR2011EEQ027); 作者简介：单景松(1978-),男,山东东营人,山东科技大学副教授,硕士生导师,博士.邮箱：cyhsjs@163.com
Permanent Deformation Analysis of Asphalt Pavement
Shan Jingsong , Wu Shuyin
(Shandong Provincial Key Laboratory of Civil Engineering Disaster Prevention and Mitigation (Shandong University of Science and Technology) , Qingdao 266510) Abstract：Rutting is one of the most important distress type of asphalt pavement. To make clear of the developing process of rutting , several asphalt pavement structure with semi-rigid base are studied basing on mechanistic-empirical method. Three module are included in the analysis process that are temperature field, dynamic modulus and creep model of asphalt mixture. Among them, dynamic modulus and creep model of asphalt mixture are got by laboratory tests and statistics. Firstly , temperature module are used to get the temperature value of different point in asphalt layer and dynamic modulus corresponding to the temperature is input into mechanistic model as parameter to get the stress status of asphalt pavement. Then, creep strain of asphalt layers are analyzed by the creep module. The results show that surface and middle layer of AC (asphalt concrete) have the most contribution to rutting in the structure type AC+AC+AC. If the surface AC layer is substituted for SMA (stone mastic asphalt) and the bottom layer is substituted for LSPM (large stone porous mixture) or ATB (asphalt treated base), the permanent deformation in asphalt layer will be reduced obviously. So the structure type SMA+AC+AC and SMA+AC+LSPM are recommended for minimizing permanent deformation. Keywords：Asphalt pavement, Rutting, Mechanistic-Empirical method, dynamic modulus, dynamic creep model
pi
hi
(4)
动态模量试验 Dynamic modulus test
Temperature analysis 温度场分析
Getting temperature 各点温度提取 of different point at (半小时提取一次 ) different time Getting dynamic 各点动态模量 modulus of) ( 不同时刻 different point Multi-layer elastic model of 沥青路面多层弹性体系模型 asphalt pavement Getting stress and strain 沥青面层应力、应变 of asphalt layer
Getting temperature at 各点温度 different point in （随时间和深度变化） pavement
Getting dynamic modulus 动态模量 at different temperature （随温度和频率变化） and frequency
Temperature estimating 温度预估模型
RD
n
使用式 4 时，求取各层的塑性应变
pi
是关键。由于沥青混合料是一种粘弹塑材料，行 车荷载下他的塑性变形与荷载特性、外界温度变 化、沥青层受力状态相关。因此，沥青路面的车 辙分析涉及到路面温度场、沥青混合料力学参 数、结构层变形累积规律等方面。本文采用图 1 所示流程进行分析。
i 1
[16][17]
采用 UTM 试验机对山东地区常用的几种沥青 混合料进行动态模量试验，试验选用 3 个温度， 分别为：20，40，55℃,每一个温度设定 6 个频 率分别为：25，10，5，1，0.5，0.1。采用旋转 压实成型，沥青混合料圆柱体试件尺寸为直径 100mm、高度 150mm。试验结果列于表 1 中。从中 可以看出，试验频率和温度对动态模量结果影响 非常大。以 AC-16 为例，20℃情况下加载频率从 0.1Hz 变化到 10Hz 过程中，动态模量值从 3011MPa 增加到 10266MPa，增加幅度达 2.4 倍。 同样温度的影响也很明显，如频率为 10Hz 时， （5） 20℃的动态模量是 40℃的 2.6 倍，是 55℃的 8.5 倍。因此，选用合理的沥青混合料动态模量值尤 为重要。依据中大型车辆对路面某一点作用的有 效时间，本文选用 10Hz 的动态模量数据作为理 论模型材料参数。另外，AC-13 试验结果与 AC16 接近，后文中 AC-13 动态模量取值可参考表 1 中 AC-16。 表 1 沥青混合料动态模量值 Tab.1 Dynamic modulus of asphalt mixture Frequency/Hz 25 12151 5156 1689 15016 5923 2299 8201 2696 861 8467 5001 967 10 10266 3936 1201 13006 4396 1601 6503 1899 566 7101 4107 701 5 8801 3104 906 11198 3506 1207 5504 1482 433 6197 3386 501 1 5906 1735 520 8036 2006 653 3426 786 230 4287 1953 199 0.5 4856 1406 440 6806 1570 516 2799 606 190 3511 1456 141 0.1 3011 885 312 4501 931 320 1575 354 133 2066 711 85
前言 车辙是沥青路面的主要病害之一，特别是 交通运输向大型化、重型化的方向发展使沥青路 面在抗车辙能力方面面临更大的挑战。目前围绕 沥青混合料抗车辙性能已开展了大量工作，研究 表明矿料级配、集料形状、沥青粘结料都是影响 沥青混合料的高温变形的主要因素
[1][2][3]
度，如式 3 所示 。经验法依据试验路或者室内 试验数据通过统计回归方法获得，在特定条件下 可获得满意结果，但受试验条件的影响推广应用 受到限制。
本文将依据力学-经验法思路，对我国常用的 几种半刚性基层沥青路面的车辙规律进行分析。
式中：
pi
-第 i 层永久应变； h i -第 i 层的层厚。 累积
1 研究思路
本文采用力学-经验方法对沥青路面抗车辙 性性能进行评估。力学计算时首先将沥青面层细 分成薄层，取沥青薄层厚为 2cm。分析过程中分 别求取每一细分层中间点的塑性应变，然后将各 层的累计变形叠加得到路面的整体永久变形，计 算方法如式 4。
车辙分析流程 1 根据季节 个模块建立以后，车辙分析过程为：○ 2 提取对应 和时间变化提取路面的温度场数据；○ 温度的动态模量代入多层弹性体系模型，计算得 3依 到不同季节不同时刻的路面受力变形状态；○ 据沥青混合料动态蠕变模型预估多次重复荷载作 用下路面的塑性变形累积规律。 路面温度场分析模块可参考笔者文献 15 中 方法，这里不再赘述，下文中将会对动态模量模 块和动态蠕变模块进行阐述。
RD N AN
m
[7]
（1） （2） （3）
。路面
log RD a b log N
RD H
0 . 696
使用过程中，在车辆荷载的反复作用下车辙量逐 年累积，所产生车辙量除与沥青混合料本身的高 温性能相关外，也与外界温度变化和交通荷载密 切相关，形成过程比较复杂，对车辙变形的合理 评估一直是沥青路面结构设计面临的难题。为解 决这一问题已有研究主要通过三种途径，分别为 经验法、理论分析法和力学-经验法。 经验法：比较有代表性的为俄亥俄州立大学 Majidzadeh 提出时的车辙率模型,如式 1，该模型 建立了沥青路面车辙率（ RD/N ）与路面材料参 数 、荷载 作用次数 （ N ） 之间的 统计关 系 。 Thompson 等对几种常用车辙模型比较分析后认 为将式 1 表示为双对数形式比较便于应用，如式 2 所示
沥青路面抗车辙性能分析
单景松,Байду номын сангаас淑印
（山东省土木工程防灾减灾重点实验室(山东科技大学),青岛 266510) 摘要：为探究车辙形成过程，以力学-经验法研究了 3 种半刚性基层沥青路面的车辙累积规律。研究过程包含温度场、沥青 混合料动态模量和沥青混合料蠕变模型三个模块，其中沥青混合料的动态模量和蠕变模型通过试验方法获取。通过温度场 模块得到不同时刻沥青各层的温度，并将对应温度的动态模量作为力学模型参数，计算得到不同时刻沥青各层位的受力状 态，进而根据蠕变模型分析不同沥青层位的蠕变应变，累积得到整个沥青面层的车辙量。结果表明 AC+AC+AC 型结构 上、中面层为车辙产生的主要层位，而将上面层替换为 SMA 可显著降低路面的车辙量，此时中面层对路面的车辙贡献最 大。因此，从减少车辙的角度推荐 SMA+AC+AC 和 SMA+AC+LSPM（大粒径排水碎石）两种结构，同时应加强中面层材 料的高温稳定性设计。 关键词：沥青路面，车辙，力学-经验发，动态模量，动态蠕变模型
Fig.1 Flowchart of rut analysis
2 车辙分析过程
2.1 沥青混合料动态模量 依据 AASHTO TP-62 试验方法,在无围压的条 件下对圆柱型试件施加连续正弦荷载，当试验达 到稳定状态时测定试件的应力幅值和应变幅值， 根据两者比值来确定动态模量,计算方法如式 5 所示
[5][6] [4]
( a b lg N )
理论分析法：主要利用沥青混合料的粘弹性 特性，以力学计算方法确定沥青路面车辙量。如 文献[8]采用粘弹性层状体系理论和 Laplace 变 换计算路面结构的永久变形。文献[9] 以粘弹性 层状理论为基础，提出了四单元五参数模型。理 论分析法考虑了沥青混合料的粘弹性特性，能从 本质上反映沥青路面的车辙出现过程，但模型参 数较多且确定过程比较复杂，现阶段实际应用难 度较大[10][11]。 力学-经验法：力学-经验法吸取了经验法和 理论分析法的优点，采用力学方法分析路面的受 力特性，同时结合实验数据和统计分析对对路面 性能进行评估，该方法已成为引导路面设计的趋 势。如 Shell 设计方法和 AASHTO 2002[13][14]。
Calculating cumulative 塑性应变分层计算 strain of different (不同时刻 ) asphalt layer Getting rutting depth of 沥青层车辙计算 total asphalt layer
图1 流程图 1 中主要分 3 个模块，分别为温度场 分析模块、动态模量模块和动态蠕变分析模块。 各模块的功能为：温度场模块主要提供不同深度 处随时间变化的温度，可以得到不同季节的路面 温度数据；动态模量模块根据室内动态模量试验 确定不同温度和频率变化下的沥青混合料动态模 量，为路面受力分析提供参数支持；动态蠕变模 块根据动态蠕变试验回归确定沥青混合料的蠕变 特性，建立合理的沥青混合料蠕变模型。上述 3
Dynamic modulus 动态模量回归模型 regression model
Dynamic creep test 动态蠕变试验
累计标准轴次 Cumulative standard axle ( 一定时刻间隔 ) at a certain time interval
Creep蠕变规律 rule of hot mix asphalt at different ) (考虑温度和应力水平 temperature and stress Getting dynamic 蠕变模型 creep model
。黄晓明等通过环道实验对上述模型
进行了完善，在车辙预估模型中考虑了沥青层厚
收稿日期：2014-09-22；修订日期：2014-11-09 基金资助：山东省自然科学基金(ZR2011EEQ027); 作者简介：单景松(1978-),男,山东东营人,山东科技大学副教授,硕士生导师,博士.邮箱：cyhsjs@163.com
Permanent Deformation Analysis of Asphalt Pavement
Shan Jingsong , Wu Shuyin
(Shandong Provincial Key Laboratory of Civil Engineering Disaster Prevention and Mitigation (Shandong University of Science and Technology) , Qingdao 266510) Abstract：Rutting is one of the most important distress type of asphalt pavement. To make clear of the developing process of rutting , several asphalt pavement structure with semi-rigid base are studied basing on mechanistic-empirical method. Three module are included in the analysis process that are temperature field, dynamic modulus and creep model of asphalt mixture. Among them, dynamic modulus and creep model of asphalt mixture are got by laboratory tests and statistics. Firstly , temperature module are used to get the temperature value of different point in asphalt layer and dynamic modulus corresponding to the temperature is input into mechanistic model as parameter to get the stress status of asphalt pavement. Then, creep strain of asphalt layers are analyzed by the creep module. The results show that surface and middle layer of AC (asphalt concrete) have the most contribution to rutting in the structure type AC+AC+AC. If the surface AC layer is substituted for SMA (stone mastic asphalt) and the bottom layer is substituted for LSPM (large stone porous mixture) or ATB (asphalt treated base), the permanent deformation in asphalt layer will be reduced obviously. So the structure type SMA+AC+AC and SMA+AC+LSPM are recommended for minimizing permanent deformation. Keywords：Asphalt pavement, Rutting, Mechanistic-Empirical method, dynamic modulus, dynamic creep model
pi
hi
(4)
动态模量试验 Dynamic modulus test
Temperature analysis 温度场分析
Getting temperature 各点温度提取 of different point at (半小时提取一次 ) different time Getting dynamic 各点动态模量 modulus of) ( 不同时刻 different point Multi-layer elastic model of 沥青路面多层弹性体系模型 asphalt pavement Getting stress and strain 沥青面层应力、应变 of asphalt layer
Getting temperature at 各点温度 different point in （随时间和深度变化） pavement
Getting dynamic modulus 动态模量 at different temperature （随温度和频率变化） and frequency
Temperature estimating 温度预估模型
RD
n
使用式 4 时，求取各层的塑性应变
pi
是关键。由于沥青混合料是一种粘弹塑材料，行 车荷载下他的塑性变形与荷载特性、外界温度变 化、沥青层受力状态相关。因此，沥青路面的车 辙分析涉及到路面温度场、沥青混合料力学参 数、结构层变形累积规律等方面。本文采用图 1 所示流程进行分析。
i 1
[16][17]
采用 UTM 试验机对山东地区常用的几种沥青 混合料进行动态模量试验，试验选用 3 个温度， 分别为：20，40，55℃,每一个温度设定 6 个频 率分别为：25，10，5，1，0.5，0.1。采用旋转 压实成型，沥青混合料圆柱体试件尺寸为直径 100mm、高度 150mm。试验结果列于表 1 中。从中 可以看出，试验频率和温度对动态模量结果影响 非常大。以 AC-16 为例，20℃情况下加载频率从 0.1Hz 变化到 10Hz 过程中，动态模量值从 3011MPa 增加到 10266MPa，增加幅度达 2.4 倍。 同样温度的影响也很明显，如频率为 10Hz 时， （5） 20℃的动态模量是 40℃的 2.6 倍，是 55℃的 8.5 倍。因此，选用合理的沥青混合料动态模量值尤 为重要。依据中大型车辆对路面某一点作用的有 效时间，本文选用 10Hz 的动态模量数据作为理 论模型材料参数。另外，AC-13 试验结果与 AC16 接近，后文中 AC-13 动态模量取值可参考表 1 中 AC-16。 表 1 沥青混合料动态模量值 Tab.1 Dynamic modulus of asphalt mixture Frequency/Hz 25 12151 5156 1689 15016 5923 2299 8201 2696 861 8467 5001 967 10 10266 3936 1201 13006 4396 1601 6503 1899 566 7101 4107 701 5 8801 3104 906 11198 3506 1207 5504 1482 433 6197 3386 501 1 5906 1735 520 8036 2006 653 3426 786 230 4287 1953 199 0.5 4856 1406 440 6806 1570 516 2799 606 190 3511 1456 141 0.1 3011 885 312 4501 931 320 1575 354 133 2066 711 85
前言 车辙是沥青路面的主要病害之一，特别是 交通运输向大型化、重型化的方向发展使沥青路 面在抗车辙能力方面面临更大的挑战。目前围绕 沥青混合料抗车辙性能已开展了大量工作，研究 表明矿料级配、集料形状、沥青粘结料都是影响 沥青混合料的高温变形的主要因素
[1][2][3]
度，如式 3 所示 。经验法依据试验路或者室内 试验数据通过统计回归方法获得，在特定条件下 可获得满意结果，但受试验条件的影响推广应用 受到限制。
本文将依据力学-经验法思路，对我国常用的 几种半刚性基层沥青路面的车辙规律进行分析。
式中：
pi
-第 i 层永久应变； h i -第 i 层的层厚。 累积
1 研究思路
本文采用力学-经验方法对沥青路面抗车辙 性性能进行评估。力学计算时首先将沥青面层细 分成薄层，取沥青薄层厚为 2cm。分析过程中分 别求取每一细分层中间点的塑性应变，然后将各 层的累计变形叠加得到路面的整体永久变形，计 算方法如式 4。
车辙分析流程 1 根据季节 个模块建立以后，车辙分析过程为：○ 2 提取对应 和时间变化提取路面的温度场数据；○ 温度的动态模量代入多层弹性体系模型，计算得 3依 到不同季节不同时刻的路面受力变形状态；○ 据沥青混合料动态蠕变模型预估多次重复荷载作 用下路面的塑性变形累积规律。 路面温度场分析模块可参考笔者文献 15 中 方法，这里不再赘述，下文中将会对动态模量模 块和动态蠕变模块进行阐述。
RD N AN
m
[7]
（1） （2） （3）
。路面
log RD a b log N
RD H
0 . 696
使用过程中，在车辆荷载的反复作用下车辙量逐 年累积，所产生车辙量除与沥青混合料本身的高 温性能相关外，也与外界温度变化和交通荷载密 切相关，形成过程比较复杂，对车辙变形的合理 评估一直是沥青路面结构设计面临的难题。为解 决这一问题已有研究主要通过三种途径，分别为 经验法、理论分析法和力学-经验法。 经验法：比较有代表性的为俄亥俄州立大学 Majidzadeh 提出时的车辙率模型,如式 1，该模型 建立了沥青路面车辙率（ RD/N ）与路面材料参 数 、荷载 作用次数 （ N ） 之间的 统计关 系 。 Thompson 等对几种常用车辙模型比较分析后认 为将式 1 表示为双对数形式比较便于应用，如式 2 所示