瞬态连续变温下沥青混凝土路面蠕变分析

黄 娟 （江苏燕宁工程科技集团有限公司，江苏 南京 210004）

1 引言

随着我国交通运输的快速发展，尤其是东南沿海地区，人民群众对于城市道路系统的需求不仅仅是停留在“发展数量”，更多地上升为“发展质量”[1]。尤其是高速公路及快速路段，安全、平稳、快速通过是大部分司机对于道路工程的愿景。沥青混凝土路面具有表面平整、耐磨、养护维修工艺简单、行车舒适及施工周期短等特点，成为了新建与改建高速道路的首选材料。但随着汽车数量的增多、人为因素、施工规范不统一及超载等原因，沥青混凝土路面或多或少的出现一定的破损，而车辙是最常见的损害，尤其是在交叉路口处[2-3]。

沥青路面的蠕变变形也即车辙是造成行车颠簸与慢速行驶的主要原因。对于沥青混凝土的路面蠕变变形研究，大都在恒温状态下，有学者认为这样考虑能够提高安全系数，但该做法不能较好地与实际情况贴合。现实情况是，沥青混凝土路面是受连续变温的日照温度场影响，属于瞬态问题，如果数值模型中采取的是恒温温度场，则是稳态分析，沥青混凝土作为一黏弹性介质，受温度影响很大，尤其是在连续高温作用下。因此要想了解沥青混凝土路面在实际情况下的蠕变变形，则必须要采用瞬态分析，引入与实际工程相关的实际温度场，并且考虑材料本构随温度的变化，建立车辙模拟的时空分析方法，才能以此估算更为符合实际的车辙计算[4-5]。

本文拟依托福建省东山地区某实际工程，通过记录7月份的天气数据及利用ABAQUS软件计算得到分析场地的瞬态连续变温温度场数据，导入到蠕变分析模型中，探究瞬态连续变温下沥青混凝土路面蠕变变形，分析瞬态连续变化温度场下车辙处的位移、应力及蠕应变情况得到沥青路面在瞬态连续变温下产生蠕变的力学机理。该结果是基于东山地区实际交通特性、城市自身气候条件进行的沥青混凝土路面的车辙研究，对于改善该城市道路沥青路面耐久性具有重要意义。

2 沥青混凝土路面蠕变机理

材料受到低于降服或者抗拉应力作用时，造成长时间的塑性变形之现象称之为蠕变。金属材料蠕变行为通常发生于连续变温中的高温阶段，在其余温度阶段蠕变现象极小，通常视为无蠕变现象发生。而本文所研究的沥青混凝土属于改性混凝土，为高分子材料，高分子材料在常温时会有较明显的蠕变现象发生，而当应力或温度梯度增加时，蠕变现象愈加明显。

一般而言，在初始应力一定时，也即假定路面行车荷载为可描述的线性荷载，沥青混凝土蠕变行为中总应变ε（t）可分解为弹性应变与蠕应变[6]：

当蠕变行为进入材料塑性区，则总应变ε（t）可分解为：

式中，εin、εp及 εc分别为弹性应变、非弹性应变、塑性应变及蠕应变。其中εc蠕应变可以用时间t、温度T及应力σ的函数进行表示：

通常温度造成宏观（蠕变）变形与材料内部的分子振动造成分子链的滑动以及分子链结构改变相关，而且材料内部的分子振动频率v与键节移动所克服之势能垒相依。因此，在以后的研究过程中，探索沥青混凝土在瞬态连续变温下的宏细观变形之间的联系将有利于完善沥青混凝土的蠕变机制，并能为改性沥青混凝土新材料的诞生提供量产可能。

3 工程实例

3.1 工程概况

东山县位于福建南部沿海、台湾海峡西岸。地势由西北向东南倾斜，地貌依序为低丘-台地-滨海小平原（海拔15m以下），最高处苏峰山顶海拔274.3m。路线穿越的地貌单元主要有3个，为侵蚀剥蚀丘陵地貌区、海积阶地地貌区及浅海滩涂地貌区，且大部分为侵蚀剥蚀丘陵地貌区和海积阶地地貌区。

国省干线联十五线东山生态环岛公路主线西铜公路经砂矿路至亲营段（K18+450～K24+613），道路等级为公路一级（兼城市道路功能），设计车速60km/h，设计荷载：桥梁为公路Ⅰ级、路面为双轮组单轴100kN，道路全长6.163km，路线起点与砂矿路橡胶，经庄园御海、滨海湾花园、裕华石油，终点位于亲营村水产养殖场，包括道路、桥涵、雨污水管道及景观绿化工程等。

依托项目的路面设计结构为70cm，包括：细粒式改性沥青混凝土AC-13C上面层4cm；中粒式改性沥青混凝土AC-20C下面层6cm；沥青稳定碎石（ATB-25）上基层14cm；级配碎石下基层15cm；沥青表处下封层1cm；水泥（5%）稳定碎石底基层30cm

3.2 瞬态连续温度场计算

东山岛属南亚热带海洋性季风气候，常年气候温和湿润，冬暖夏凉，全年无霜。年降水量1103.8mm，历年月平均最高气温30.7℃、月均最低气温11.1℃，平均湿度81%；台风平均每年影响4.4次，最大风力12级以上，最大风速8m/s；历年平均雷电日35.3d，以3～9月为雷电多发时期。本文拟参考2017年7月份某天24h气温数据，如图1所示，通过ABAQUS初始分析步的热传递模块及相互作用中的定义幅值温度曲线、surface film condition、二次开发的子程序FILM定义随时间变化的外界温度（温度边界条件），在载荷模块中通过二次开发的子程序DFLUX定义随时间变化的热流。通过计算可得到依托工程的瞬态连续变温温度场，热流量向量云图如图2所示，考虑瞬态连续变温下沥青混凝土路面蠕变分析的计算流程如图3所示。

图1 工程所在场地某天24h气温变化

图2 瞬态连续变温温度场热流量向量云图

图3 考虑瞬态连续变温下沥青混凝土路面蠕变分析计算流程

3.3 材料参数及本构选取

在ABAQUS软件中对于车辙的计算，一般采用时间硬化蠕变模型参数，此处假设分析模型中为各向同性的材料。分析蠕变变形，一般采用Bailey-Norton蠕变规律，在应力不变的条件下，时间硬化蠕变模型表达式为：

其中，q 与 t表示应力和时间，C1和 C2、C3为温度模型的参数。

若假定q与t互不相关，则有：

令 A=C1C3；n=C2；m=C3-1

则有：

该式即为ABAQUS中以蠕变率表示的时间硬化蠕变模型，A和n、m为模型参数。具体数值如表1所示。

路面混合料蠕变参数 表1

3.4 沥青混凝土路面蠕变分析

依托东山县实际工程，建立ABAQUS有限元分析模型，模型几何参数如图4所示，通过观察瞬态连续变温下沥青混凝土模型车辙处的蠕变、应变、竖向位移对福建东山地区砂矿路至亲营段路面结构进行有效评估，在施加荷载时，设置接地压力为0.7MPa，一次加载时间约为0.009s。计算得到瞬态连续变温下沥青混凝土模型的响应情况，如图5所示。

从图5(a)(b)(c)可以看出，瞬态连续变温下对沥青路面结构的蠕变主要发生在车辙正下方，车辙的产生主要是由非弹性应变产生，而不是由弹性应变产生。从图5(d)中可以发现车辙是具有温度区间效应的，尤其当超过26℃时，沥青路面结构的抗剪强度与模量会随着温度的升高而下降，车辙处剪应力云图响应较大，因此在高温条件下，沥青路面会由于混合料的高温抗剪强度不足而引起混合料剪切破坏，加速蠕变的产生，从而引起车辙的发展。

图4 瞬态连续变温下沥青混凝土蠕变模型

图5 瞬态连续变温下沥青混凝土云图：

4 结论

本文建立了福建东山地区瞬态连续变温下沥青混凝土路面蠕变模型，通过记录当地7月份某天的天气数据及ABAQUS软件分析得到了分析场地的瞬态连续变温温度场数据，并将其导入至车辙模拟模型中，计算得到瞬态连续变温下沥青混凝土路面的蠕变响应结果，发现高温条件下，沥青混凝土材料由于黏弹性受温度变化影响较大，所以在高温条件下，会由于混合料的高温抗剪强度不足而引起剪切破坏，从而形成车辙。