天津城建設(shè)計院有限公司 王 凱

天津市市政工程設(shè)計研究院 王 卿

橋面鋪裝材料永久變形預(yù)估模型研究

天津城建設(shè)計院有限公司 王 凱

天津市市政工程設(shè)計研究院 王 卿

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

一、重復(fù)加載動三軸試驗分析

1.重復(fù)加載動三軸試驗的優(yōu)點。重復(fù)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(yīng)力可以根據(jù)試驗方案調(diào)整。

2.重復(fù)加載動三軸試驗的過程分析。典型的永久變形隨加載次數(shù)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(wěn)定發(fā)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(shù)選擇。參考國內(nèi)外相關(guān)研究成果，筆者通過試算，決定采用1/2二維模型。其他參數(shù)：邊界條件為上邊界和側(cè)面為自由，底面固定無位移；采用CAX4的網(wǎng)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(yīng)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(shù)為10 000次。

2.預(yù)估模型的建立。如將材料的永久變形、重復(fù)荷載作用次數(shù)、試驗的溫度、施加的偏應(yīng)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(yù)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(shù)，σ為偏應(yīng)力；A，b，c為模型系數(shù)。

偏應(yīng)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(yù)估模型參數(shù)如下：

三、試驗過程及試驗結(jié)果

集料采用浙江產(chǎn)石灰?guī)r，瀝青采用A級70號道路石油瀝青，配合比設(shè)計采用馬歇爾配合比設(shè)計方法，最佳瀝青用量按照目前國內(nèi)的方法確定。集料的各項指標(biāo)、基質(zhì)瀝青及瀝青混合料的實驗結(jié)果均滿足規(guī)范要求。

試件成型采用GTM旋轉(zhuǎn)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(huán)境箱預(yù)熱4 h以上。

此次試驗采用國際先進的UTM-100系統(tǒng)。級配分別為AC-13、SMA-13的試件在溫度60 ℃、偏應(yīng)力600 kPa、圍壓138 kPa的條件下，其變形隨循環(huán)次數(shù)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(shù)的增加而增加。AC-13的永久變形增加較快且出現(xiàn)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(xiàn)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(jié)構(gòu)，在高溫、應(yīng)力的重復(fù)作用下其抵抗變形的能力較差；SAM-13屬于骨架密實結(jié)構(gòu)，骨架結(jié)構(gòu)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(xiàn)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(fù)作用1萬次，驗證預(yù)估模型，試驗結(jié)果與計算結(jié)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(jié)果和試驗結(jié)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(jié)果是可靠的，永久變形預(yù)估模型是可用的。