基于率相关热弹黏塑性本构模型的沥青混合料车辙预估

作     者：欧阳睿 

作者单位：湘潭大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王智超

授予年度：2022年

学科分类：08[工学] 0814[工学-土木工程] 082301[工学-道路与铁道工程] 0823[工学-交通运输工程] 

主      题：率敏性试验 连续变温温度场 热-弹黏塑性本构模型 热力耦合 车辙预测 

摘      要：随着我国高速公路事业的飞速发展,一些初期修建的沥青路面由于车辙病害等多种路面病害的影响已逐渐进入到需要被维修养护的阶段。沥青路面的车辙作为我国高速公路沥青路面的主要病害之一,极大地影响着公路行车安全和驾驶舒适性,严重时还可造成重大交通事故。通过对车辙病害的预测有助于建立预防性维护计划和设计修复策略,延缓车辙病害的发生或者及时修补沥青路面。因此,本文基于率相关热-弹黏塑性本构模型来预测沥青路面车辙变形,本文的主要工作和研究结论如下:(1)通过马歇尔试验及各项配合比设计确定了 AC-16C型沥青混合料最佳油石比为4.36%。以最佳油石比沥青混合料开展试验温度分别为35℃、45℃和60℃下加载速率2mm/min和试验温度35℃下加载速率分别为0.6mm/min、3mm/min和6mm/min的无侧限单轴压缩试验。试验结果表明:AC-16C型沥青混合料具有显著的率敏性和温度敏感性。(2)针对AC-16C型沥青混合料率敏性、温度敏感性和应变软化特征,采用基于下负荷面的弹黏塑性本构模型,并用率敏性试验结果标定弹黏塑性本构模型的粘度系数c0和过应力参数m 。同时考虑将温度因素纳入本构模型中,通过把该本构模型中与温度相关的模型参数弹性核σ mi(T)、过应力参数m (T)、最大平均有效应力历史σ m0(T)、回弹指数κ(T)和子程序UMAT与主程序ABAQUS共用的变量TEMP关联,从而使这4个本构模型参数能随着有限元软件ABAQUS建立的沥青路面连续变温温度场协同变化,进而能够模拟实际沥青路面处于昼夜交替环境的耦合热应力分析。(3)开展应力水平分别为300kPa、400kPa和500kPa的蠕变试验,并通过弹黏塑性本构模型和ABAQUS建立单元模型模拟蠕变试验。结果表明:模拟曲线与试验曲线基本相同,沥青混合料率敏性和蠕变存在着时效对应关系,该本构模型能通过短期率敏性试验预测长期蠕变变形。进行试验温度分别为35℃、45℃和60℃下的室内车辙试验,该试验在第60分钟的车辙变形量分别为1.16mm、1.53mm和3.51mm。有限元模拟结果分别为1.01mm、1.52mm和3.47mm,模拟结果和试验数据误差较小,证明了本构模型的可靠性。(4)通过ABAQUS建立连续变温温度场下沥青路面车辙预估模型,考虑温度、车速和轴次的影响,与沪宁高速公路改扩建工程环道试验监测数据进行对比。结果表明:两者车辙深度曲线变化趋势基本一致,在标准轴载作用50万次后实测车辙深度为19.30mm,有限元模拟结果为19.96mm,热-弹黏塑性本构模型能有效预测沥青路面处于温度梯度和不同轴载次数作用下的车辙变形。