重复荷载作用下基于安定理论和棘轮效应的沥青路面车辙形成机理及其演化行为研究

Rutting is one of the major pavement diseases that would cause damages to the road structure and thus reduce its service life and quality, even threaten the users’ safety. A lot of emphasis has been put into the accurate modeling and predicting of rutting formation in the theoretical studies of pavement and this has become the main judging factor in its design, construction, maintenance and repairs. This project aims to build a model to describe the forming mechanism and behavior evolution of rutting. It will incorporate the shakedown theory and ratcheting effect to describe the behavior of asphalt mixture under repeated loading, and then conduct indoor triaxial test to obtain the parameters for the mechanics model to perform the calculation of road structural mechanics. In the end, it will achieve the accurate description and prediction of pavement rutting formed under repeated loading. This project will be beneficial for the perfection of the rutting forming mechanism, and also provide new solution to obtain its controlling parameters and prediction model. The project scope includes a description of the rutting phenomenon based on the shakedown theory and ratcheting effect, a rutting mechanics model and the analysis of its susceptibility to the varying parameters, the experiment design for gaining these parameters, building mechanic constitutive model through finite element method, and the calculation and prediction of pavement rutting.

车辙是沥青路面的主要病害之一，它的出现将造成路面结构破坏、缩短路面使用寿命、降低道路服务质量，严重时威胁到行车安全。对车辙的合理建模和准确预估在沥青路面行为理论研究中得到了高度重视，是路面设计、施工、养护和维修的主要控制指标。本项目旨在对车辙形成机理和行为演化进行描述和建模为目的，引入安定理论和棘轮效应对沥青混合料在重复荷载作用下进行描述，选择可控条件下室内三轴试验获取力学行为模型参数，通过数值计算方法对力学模型进行路面结构力学计算，实现对重复荷载作用下路面车辙行为的准确描述和预估。本项目有助于完善车辙的机理阐述，并为车辙的控制指标和预估模型提出新的解决措施。本项目研究主要内容包括：基于安定理论和棘轮效应的车辙行为阐述；车辙力学模型建立和参数敏感性分析；室内试验设计和参数获取方法研究；力学本构模型的有限元实现；路面车辙计算和预估。

本项目研究通过引入粘弹-粘塑性理论，建立反映与时间依赖性的沥青混合料本构模型，实现基于粘弹-粘塑性本构模型的有限元计算，进而对沥青路面力学行为进行数值模拟和预估模型建立。本项目的研究工作促进了力学模型在路面结构分析和寿命预估中的分析应用，具有较高的理论意义和工程应用价值。本项目开展了如下工作：. 选定粘弹性粘性应变、粘塑性应变、运动硬化和等向硬化量作为材料系统的内部状态变量，构建包含材料内变量Helmholtz自由能函数和反映系统耗散的耗散势函数，依据模型构建的串联特性，通过Ziegler正交法则、热力学势函数的正交理论和勒让德变换，推导了三维粘弹-粘塑性本构模型的流动方程以及内变量演化方程，构建了粘弹-粘塑性本构模型的热力学理论框架。. 利用广义Maxwell模型粘弹性时域和频域力学参数的互换关系式，采用参数配置法获取粘弹性松弛模量的Prony材料参数，提出了基于Tikhonov正则化方法解决松弛模量和蠕变柔度互换关系式的数值解法。本文提出的粘塑性模型能较好地反映粘塑性永久应变率的演化规律，拟合曲线与试验数据结果曲线有很好的一致性，且参数特性明确，参数获取方法有效且稳定。. 利用增量应变条件下计算尝试应力判断材料是否进入屈服状态，基于径向回退算法的全隐式积分方法计算子步条件下相应的增量变量，推导出粘塑性增量应变、屈服应力增量和运动硬化增量，更新增量步的应力状态变量。依据理论公式编制了能够在ABAQUS有限元软件中调用的粘弹-粘塑性模型 UMAT子程序，并进行相关验证。.利用本项目开发的材料子程序，进行沥青路面力学行为的有限元模拟和分析。根据重载交通调查分析，进行重载沥青路面永久变形计算分析，同时依据轮胎荷载的非均匀性，对非均布荷载作用下沥青路面永久变形影响进行了探讨。. 本项目在沥青路面粘弹-粘塑性分析方面所作的试验方法、本构理论以及数值模拟等一系列研究工作，将促进沥青路面力学行为的研究和发展，为完善沥青路面分析和设计提供解决问题之道。