第２３卷第３期 兰州工业学院学报 Ｖ０１．２３ Ｎｏ．３ Ｊｕｎ．２０１６ ２０１６年６月 文章编号：１００９—２２６９（２０１６）０３—００３６—０４ 沥青路面车辙数值模拟分析 田 静 （山西省交通科学研究院，山西太原０３０００６） 摘要：为研究沥青路面车辙形变的规律，采用ＡＮＳＹＳ有限元分析软件，结合Ｃｒｅｅｐ蠕变模型，对 沥青混合料中面层及全厚典型沥青路面的车辙变形进行数值计算，并与室内测试结果进行对比 分析．研究结果表明：单层板和全厚沥青路面的车辙变形数值计算结果与室内试验测试结果均随 着荷载作用的增加变形逐渐增大，但两者之间的初期变化差异性较大，差异性会随荷载作用的增 加而减小；ＡＮＳＹＳ有限元中的蠕变模型能够有效地模拟沥青混合料路面车辙变形规律．研究成果 可为沥青路面结构设计及路面车辙病害防治提供技术支持． 关键词：沥青路面；车辙；蠕变模型；数值分析 中图分类号：Ｕ４１６．２ 文献标志码：Ａ 计算了沥青路面永久变形值．Ｅｒｋｅｎｓ和Ｂｌａｂ等 Ｊ 人则采用有限元三维方法分析路面力学性能．张久 鹏等 运用有限元建立了路面结构二维模型，分 ０ 引言 沥青路面的永久变形是高温和重载交通地区 所面临的主要问题之一，也是各国各地区所讨论的 析了沥青路面柔性基层的车辙变化．张丽娟 结合 Ｄ—Ｐ蠕变模型，利用粘弹性有限元对沥青混合料的 静载情况下的蠕变进行了分析．汪凡 采用Ｊｏｈｎ。 ＳＯＩｌ—Ｃｏｏｋ粘塑性模型分析了沥青混合料的温度效 研究热点之一Ｌ１。Ｊ．目前，中、美等国的沥青混合料设 计标准将路面结构的抗车辙能力作为衡量路面结构 性能的指标之一，由于影响沥青路面车辙的因素是 多样的，复杂的，并且沥青材料属于粘弹性材料，给 应、应变硬化等力学特征． 本次研究结合我国国内主要的沥青路面结构 形式，采用蠕变模型，运用数值计算方法对沥青路 面车辙进性模拟分析，并与试验和室外车辙结果进 沥青混合料车辙的相关研究带来了很多困难，研究 成果依然存在很多理想状态和不完善的情况． 沥青混合料性能与温度、时间、应力之间的关 系明显，属于非线性弹塑性材料．由于沥青混合料 的性能优劣差异，在高温及重、超载车辆的作用下 行对比分析，研究成果能够为沥青路面结构设计及 路面车辙病害的防治方法提供理论支持，也为相关 研究提供参考． 沥青路面产生不同程度的永久变形，从而出现车辙 痕迹，给路面行驶舒适性和安全性带来不利．因此， 沥青混合料永久变形的研究对路面结构设计及车 辙病害防治的意义非凡．目前在数值分析方面，路 １ 模型建立 １．１ 沥青结构层及模型参数选取 面车辙的相关研究成果较为丰富，例如ｗｕ＿３ 利用 ＡＮＳＹＳ有限元软件，结合蠕变模型和（Ｄ—Ｐ）塑性模 型预测沥青混合料路面结构的永久变形．Ｈｕａ 利 用ＡＢＡＱＵＳ有限元，将路面假设为平面应变问题， 收稿日期：２０１６—０３－２１ 对于车辙的影响，不同的沥青结构面层所承担 的作用也不一样，在选取路面结构材料层的车辙情 况时，需要从各个层面的受力情况进行考虑，本文 所采用沥青路面结构层由上至下依次为ＡＣ一１３， 作者简介：田静（１９８６一），女，山西长治人，工程师，硕士 ·３８· 兰州 工业学 院学报 第２３卷 研究结果与数值计算结果对比分析得到ＡＣ．２０车 辙试验数据结果，见表２所示 表２室内试验与数值结果数据 ｌ２ 黑ｌ ｏ ８ 。 数值分析结果的差异性较大，随着加载时间的增 加，室内试验结果与数值计算结果之间的差距逐渐 减小．初期结果差距较大的影响因素复杂，主要原 因在于模型、模型参数以及边界条件的选择都会对 试验结果产生较大的影响，尤其是时间参数的选 等效静载加栽时｝ｆ＿】【／ｓ 蒺４ 誉２ 择，时问越长，试验结果影响会越小，整体来看，室 图４单层板室内与数值车辙曲线 蔷 内试验与数值计算所得到的最终永久变形大小基 本一致． 。。未。２０Ｏ １ ５０ ３全厚沥青路面对比分析 上述试验主要是针对中面层ＡＣ一２０沥青混合 料，然而实际上单层板与全厚沥青路面两者的边界 条件不一样，尺寸大小和路面结构上也完全不同， 因此，为了更为真实的模拟路面车辙情况，对全厚 喜ｒ＜１。０。０ Ｏ 图５室内与数值车辙结果相对变异曲线 图４为室内车辙试验结果与有限元车辙数值 结果的对比曲线，从图４可以看出，运用ＡＮＳＹＳ有 限元的Ｃｒｅｅｐ蠕变模型模拟得到的中面层ＡＣ一２０ 沥青路面进行车辙数值分析，并与室内相对车辙结 果进行对比． 本文选取ＡＮＳＹＳ１２．０中的时间硬化蠕变模型 的永久变形的计算结果与通过室内车辙板试验得 到的数值结果变化趋势具有一致性，随着等效静载 来分析全厚沥青路面车辙变形情况，由于建模只考 虑了路面面层结构，未考虑土基层的影响，将等效 静载作用时间折算成荷载作用次数．相对车辙的数 值计算结果与室内测试结构如图６所示． 加载时间的增加，变形逐步增加，曲线斜率逐渐减 小，最终有趋于稳定的趋势，曲线整体呈现出非线 性变化．图５为室内与数值车辙结果相对变异曲 线，相对变异率表示数值计算结果与室内试验车辙 试验结果的百分比值，相对变异率用来表示数据之 间的差异性．从图５可以看出，等效静载加载初期， 试验结果的相对变异率较大，高达３００％左右，随 着等效静载加载时间超过１００ｓ后，相对变异率逐 渐降低，小于１５０％，并逐渐趋于１００％．表明在等效 静载加载的初期阶段中，室内车辙试验变形结果与 筒载作翊次数／１ ０。 图６全厚板室内与数值相对车辙曲线 从图６中可以看出，全厚沥青路面相对车辙的 第３期 田 静：沥青路面车辙数值模拟分析 ·３９· 数值计算结果与实测结果曲线的变化趋势一致，相 参考文献： ［１］ 杨博．基于有限元方法的沥青路面车辙影响因素分析 及其应用研究［Ｄ］．西安：长安大学，２０１０． ［２］ 王陆平，闫翠香．济青高速公路沥青路面维修后车辙 对车辙均随着作用次数的增加而增大，最终趋于稳 定，但有限元数值计算结果与室内实测结果之间存 在差距，数值计算结果普遍小于实测计算结果，但 随着作用次数超过２ｘ １０ 次之后，两者之间的差异 深度数值模拟［Ｊ］．山西交通科技，２０１１（４）：ｌ０—１２． ［３］ Ｗｕ Ｚｈｏｎｇ．Ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｒｕｔｔｉｎｇ ｏｎ ｓｕｐｅｒ— 逐渐减小．究其原因，在荷载作用的初始，由于沥青 混合料内部存在空隙率，在荷载的作用下，混合料进 ｐａｖｅ ｐａｖｅｍｅｎｔｓ［Ｄ］．Ｍａｎｈａｔｔａｎ：Ｋａｎｓａｓ Ｓｔａｔｅ Ｕｎｉｖｅｒｓｉ— ｔｙ，２００１． 行颗粒重排，内部空隙率减小，早期车辙变形增加， 但随着荷载作用次数的增加，这种变形速率逐渐减 小，并趋于稳定．此外，研究还表明ＡＮＳＹＳ有限元软 ［４］Ｈｕａ Ｊｉａｎ—ｆｅｎｇ，Ｗｈｉｔｅ Ｔ．Ａ ｓｔｕｄｙ ｏｆ ｎｏｎｌｉｎｅａｒ ｔｉｒｅ ｃｏｎｔａｃｔ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｎ ＨＭＡ ｒｕｔｔｉｎｇ［Ｊ］．Ｔｈｅ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｇｅｏｍｅｃｈａｎｉｃｓ，２００２，２（３）：３５３—３７６． 件能够有效地模拟沥青混合料路面车辙变形规律． ［５］Ｅｒｋｅｎｓ ＳＭＪＧ，Ｌｉｕ Ｘ，Ｓｃａｖｐａｓ Ａ．３Ｄ ｆｉｎｉｔｅ ｍｏｄｅｌ ｆｏｒ ａｓ— ｐｈａｈ ｃｏｎｃｒｅｔｅ ｒｅｓｐｏｎｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ［Ｊ］．Ｔｈｅ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｇｅｏｍｅｃｈａｎｉｃｓ，２００２，２（３）：３０５—３３０． ４ 结语 本文利用ＡＮＳＹＳ有限元分析软件，结合蠕变 模型，对沥青混合料中面层ＡＣ一２０及全厚典型沥 ［６］ Ｂｌａｂ Ｒ，Ｈａ￣ｅｙ Ｊ Ｔ．Ｍｏｄｅｌｉｎｇ ｍｅａｓｕｒｅｄ ３Ｄ ｔｉｒｅ ｃｏｎｔａｃｔｓ ｔｒｅｓｓ ｉｎ ａ ｖｉｓｃｏｅｌａｓｔｉｃ ＦＥ ｐａｖｅｍｅｎｔ ｍｏｄｅｌ『Ｊ］．Ｔｈｅ Ｉｎｔｅｒ— ｎａｔｉｏｎａ１］ｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｇｅｏｍｅｃｈａｎｉｃｓ，２００２，２（３）：２７１—２９０． 青路面的车辙变形进行数值计算，并与室内试验结 果进行对比分析．研究得到了以下主要结论： ［７］ 张久鹏，黄晓明，王晓磊．基于粘弹塑性理论的沥青路 面车辙分析［Ｊ］．公路交通科技，２００７（１０）：２０—２４． ［８］ 张丽娟，张肖宁，陈页开．沥青混合料变形的粘弹塑性 本构模型研究［Ｊ］．武汉理工大学：科学与工程版， ２０１１（４）：２８９—２９２． １）单层板和全厚沥青路面的车辙变形数值计 算结果与室内试验测试结果的变化趋势一致，随着 荷载作用的增加变形逐渐增大，同时数值计算结果 与室内试验测试结果初期变化的差异性较大，差异 性随荷载作用次数增加逐渐减小． ２）ＡＮＳＹＳ有限元中的蠕变模型能够有效地 模拟沥青混合料路面车辙变形规律，可为车辙变形 研究提供较好的技术手段． ［９］ 汪凡．基于流变学本构模型和动力有限元分析的沥青 路面车辙计算［Ｄ］．重庆：重庆交通大学，２００９． ［１０］ 张久鹏，黄晓明，高英．沥青混合料非线性蠕变模型 及其参数确定［Ｊ］．长安大学学报：自然科学版，２００９ （２）：２４—２７，５５． ３）研究结果对于沥青路面结构设计及路面车 辙病害的防治方法提供理论支持，可进一步开展相 ［１１］ 蔡红兵，曾志远，王福建．循环荷载作用下沥青路面 变形的粘弹塑性分析［Ｊ］．公路交通科技：应用技术 版，２０１２（１Ｏ）：５０—５２，５５． 关研究，以细化数值计算的程度，扩大其应用价值． Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ Ａｓｐｈａｌｔ Ｐａｖｅｍｅｎｔ Ｒｕｔ ＴＩＡＮ Ｊｉｎｇ （Ｓｈａｎｘｉ Ｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｔａｉｙｕａｎ ０３０００６，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｓｔｕｄｙ ｔｈｅ ｒｕｔｔｉｎｇ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｏｆ ａｓｐｈａｌｔ ｐａｖｅｍｅｎｔ，ｔｈｅ ｒｕｔｔｉｎｇ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｏｆ ａｓｐｈａｌｔ ｍｉｘ— ｔｕｒｅ ｉｎ ｔｈｅ ｓｕｒｆａｃｅ ｌａｙｅｒ ａｎｄ ｔｈｅ ｆｕｌｌ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ ｏｆ ｔｈｅ ａｓｐｈａｌｔ ｐａｖｅｍｅｎｔ ｗａｓ ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ＡＮＳＹＳ ｆｉｎｉｔｅ ｓｏｆｔ— ｗａｒｅ ａｎｄ ｃｒｅｅｐ ｍｏｄｅ１．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ａｒｅ ｃｏｍｐａｒｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｉｎｄｏｏｒ ｔｅｓｔ ｒｅｓｕｌｔｓ．Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ：ｒｕｔｔｉｎｇ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ ａｎｄ ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｔｅｓｔ ｒｅｓｕｌｔｓ ｂｏｔｈ ｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｉｎｃｒｅａｓｅｓ ｗｉｔｈ ｍｏｒｅ ｌｏａｄｓ，ａｎｄ ｔｈｅ ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ｃｈａｎｇｅ ｓｈｏｗｓ ｏｂｖｉｏｕｓ ａｔ ｔｈｅ ｂｅｇｉｎｎｉｎｇ ａｎｄ ｂｅｃｏｍｅｓ ｌｅｓｓ ｇｒａｄｕａｌｌｙ．Ｔｈｅ ｃｒｅｅｐ ｍｏｄｅｌ ｃａｎ ｓｉｍｕｌａｔｅ ｔｈｅ ｒｕｔｔｉｎｇ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｏｆ ａｓｐｈａｌｔ ｍｉｘｔｕｒｅ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ．Ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｒｅｓｕｌｔｓ ｃａｎ ｐｒｏｖｉｄｅ ｔｅｃｈｎｉｃａｌ ｓｕｐｐｏｆｌ ｆｏｒ ａｓｐｈａｌｔ ｐａｖｅｍｅｎｔ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ｒｕｔ ｄｉｓｅａｓｅ ｐｒｅｖｅｎｔｉｏｎ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ａｓｐｈａｌｔ ｐａｖｅｍｅｎｔ；ｔｒａｃｋ；ｃｒｅｅｐ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｍｏｄｅｌ；ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ａｎｙｌａｓｉｓ （责任编辑：曾贤灏）
