复杂荷载作用下各向异性沥青路面粘弹塑性变形的理论研究与数值实现

This proposal presents a new method to acquire the sophisticated loads distributed in the surface of asphalt pavement and a new anisotropic nonlinear elastoviscoplastic model to capture the deformation characteristics of the asphalt pavement under the above complicated loads. Firstly, the test vehicle mounted with the six-component force sensors simulate the operating characteristics and axle load variation rules for the industrial trucks in the steep sections of the mountainous highway and near the intersections, bus stations of the urban road. Secondly, the anisotropic nonlinear elastoviscoplastic model is established and the methods of parameter calibration in the model are introduced. On the base of above work, the user defined subroutines for the load and material are scripted, which will be incorporated into the general commercial finite element analysis package. Lastly, the relationships between the elastoviscoplastic deformation and the axle load, operating characteristics of the truck, environmental temperature and variation of the material properties are obtained. The predicted results from the finite element analysis are also validated by mounting the 3D sensors in the selected asphalt pavement. The research results provide a robust theoretical support for the treatment of permanent deformation in the steep sections of the mountainous highway and near the intersections, bus stations of the urban road. The results also inspire a reasonable reference for the exploration of the updating design and maintenance method of Chinese asphalt pavement.

本研究提出了一种新的确定沥青路面所受复杂荷载的方法并建立了各向异性沥青混合料粘弹塑性本构模型，用以探索复杂荷载作用下沥青路面的变形规律。在山区高速公路陡坡路段和城市道路交叉口、公交站台附近用安装有PCB六分力传感器的工程试验车模拟载重汽车的行驶特性和轴载水平变化情况；建立各向异性沥青混合料粘弹塑性本构模型，并给出模型参数的标定方法，在此基础上开发荷载和材料本构模型的用户子程序；采用有限单元法研究沥青路面粘弹塑性变形随载重汽车的轴载、行驶特性、环境温度和沥青混合料材料属性的变化规律；通过在试验路上铺设三维传感器对数值计算的结果进行验证。研究结果可为山区高速公路陡坡路段和城市道路交叉口、公交站台附近永久变形病害的治理提供理论支持，为完善我国目前沥青路面设计和养护方法提供有益参考。

各国有关沥青路面的统计数据表明车辙是主要的病害类型，这不但因为其主要发生在中下面层，为修复带来困难，更是因为其增加道路不平整度和水漂发生的可能性，严重影响道路的行车安全。而在高速公路和城市道路中车辙主要集中于高速公路的陡纵坡路段和城市道路的交叉口和公交站台附近。其原因主要为在该路段车速慢和相比一般路段，轮胎的剪切作用不可忽视。为深刻理解上述路段的车辙产生机理，本研究提出了一种新的确定沥青路面所受复杂荷载的方法并建立了各向异性沥青混合料黏弹塑性本构模型，用以探索复杂荷载作用下沥青路面的变形规律。在山区高速公路陡坡路段和城市道路交叉口、公交站台附近用安装有PCB六分力传感器的工程试验车模拟载重汽车的行驶特性和轴载水平变化情况；从细观角度分析了沥青混合料集料的方向分布特性，并在详细分析黏弹性的基础上，引入伪应变的概念，建立各向异性沥青混合料黏弹塑性本构模型，并给出模型参数的标定方法，在此基础上开发荷载和材料本构模型的用户子程序；采用有限单元法研究沥青路面黏弹塑性变形随载重汽车的轴载、行驶特性、环境温度和沥青混合料材料属性的变化规律；通过在试验路上铺设三维传感器对数值计算的结果进行验证。研究结果表明：六分力传感器是一种研究轮胎-路面相互作用的有效手段；沥青混合料的变形尽管控制在AASHTO规范推荐的60之内，混合料仍然表现出较强的非线特性；提出的三维扩展弹性-黏弹性对应准则和弹性预测-黏塑性校正算法，可以有效地应用于沥青路面的数值模拟，其结果与推荐的现场验证结果吻合较好。项目在执行过程中，在“Construction and Building Materials”、“Materials and Structures”等SCI期刊中发表论文5篇，“工程力学”、“建筑材料学报”等EI期刊论文5篇。本项目已取得的研究成果将为治理我国沥青道路的车辙提供理论支持，为完善我国沥青路面设计和养护方法提供有益参考。