橋面鋪裝材料永久變形預估模型研究

天津城建設計院有限公司 王 凱

天津市市政工程設計研究院 王 卿

橋面鋪裝材料永久變形預估模型研究

天津城建設計院有限公司 王 凱

天津市市政工程設計研究院 王 卿

橋面鋪裝材料在高溫和重復荷載作用下會產生顯著變形，降低其使用性能，因此，快速準確地預估橋面鋪裝材料的永久變形在其設計和養護中具有十分重要的理論價值和實踐意義。

一、重復加載動三軸試驗分析

1.重復加載動三軸試驗的優點。重復加載動三軸試驗具有三個特點：一是試件制作中模擬了實際荷載對鋪裝材料的搓揉作用，二是加載過程中模擬了鋪裝材料受到的實際荷載的間歇作用，三是試驗的圍壓和偏應力可以根據試驗方案調整。

2.重復加載動三軸試驗的過程分析。典型的永久變形隨加載次數的變化曲線可以分為三個階段：第Ⅰ階段永久變形迅速增加，且增速逐漸減小，屬于壓密階段；第Ⅱ階段永久變形緩慢增加，幾乎呈勻速增加，屬于穩定發展階段；第Ⅲ階段永久變形迅速增加，且增速逐漸加快，屬破壞階段。

二、模型的建立及分析

1.有限元模型的建立及仿真參數選擇。參考國內外相關研究成果，筆者通過試算，決定采用1/2二維模型。其他參數：邊界條件為上邊界和側面為自由，底面固定無位移；采用CAX4的網格劃分單元；荷載作用時間0.1 s，間歇時間0.9 s；模型直徑為10 cm，高15 cm；圍壓138 kPa；偏應力400 kPa，考慮超載時取600 kPa、900 kPa；考慮高溫時，溫度取60 ℃；荷載作用次數為10 000次。

2.預估模型的建立。如將材料的永久變形、重復荷載作用次數、試驗的溫度、施加的偏應力分別用ε，T，σ，N表示，則材料的永久變形可表示為式（1）。

利用origin軟件回歸分析，得永久變形預估模型見式（2）。

式（1）、（2）中，ε為永久變形量，N為荷載累計作用次數，σ為偏應力；A，b，c為模型系數。

偏應力為400，600，900 kPa、圍壓為138 kPa、溫度為60 ℃時，級配分別為AC-13、SMA-13的瀝青混合料的永久變形預估模型參數如下：

三、試驗過程及試驗結果

集料采用浙江產石灰巖，瀝青采用A級70號道路石油瀝青，配合比設計采用馬歇爾配合比設計方法，最佳瀝青用量按照目前國內的方法確定。集料的各項指標、基質瀝青及瀝青混合料的實驗結果均滿足規范要求。

試件成型采用GTM旋轉壓實法，試件成型后用鉆心機鉆芯，并用雙面鋸切成直徑100 mm、高150 mm的圓柱體，視需要進行磨光處理。試件在60 ℃±0.5 ℃的環境箱預熱4 h以上。

此次試驗采用國際先進的UTM-100系統。級配分別為AC-13、SMA-13的試件在溫度60 ℃、偏應力600 kPa、圍壓138 kPa的條件下，其變形隨循環次數的變化情況如圖1所示。

通過圖1、圖2可以看出，AC-13、SMA-13的永久變形均隨著荷載次數的增加而增加。AC-13的永久變形增加較快且出現了三個階段，這與前文的分析是一致的；SMA-13的永久變形增加較慢，僅出現了兩個階段，相同條件下其永久變形比AC-13約小41.3%。分析其原因：AC-13屬于懸浮密實型結構，在高溫、應力的重復作用下其抵抗變形的能力較差；SAM-13屬于骨架密實結構，骨架結構強度較高，抗變形能力較強，甚至荷載作用1萬次也沒有出現第三階段。

四、有限元模型的驗證

以溫度60℃、圍壓138 kPa為試驗條件，荷載重復作用1萬次，驗證預估模型，試驗結果與計算結果見表1。

表1 AC-13在、SMA-13在相同條件下的永久變形對比

由表1可知，各試驗條件下的模型計算結果和試驗結果均比較接近，最大誤差僅為3.4%，因此，可以初步判定用ANSYS模擬的試驗條件、試驗結果是可靠的，永久變形預估模型是可用的。