B路面损伤评估问题1.doc

2012 年青岛理工大学数学建模竞赛赛题 B B：青岛-黄岛海底隧道路面不平的数值模拟 青岛-黄岛海底隧道现已通车一年，路面建设初期非常平整；通车运行使用 半年之后，路面呈现一种周期性的起伏，这种起伏随着时间的加大，造成路面破 坏。柏油路面的粘滞系数 A，塑性变形系数 B。请对路面起伏变化至破坏做出数 值模拟。（由平整到起伏变化，这样的状况也出现在其他所有路面的建设初期， 及一段时间的使用之后出现。） 提示：1、路面的变化，来自于使用；即车辆在路面上的反复碾压造成。 2、所有的回转中心，均由于机械制造过程存在偏心误差；以及车辆 的重量压住轮胎上，轮胎变形也将引起更大的偏心变化。周期性的冲击路面，路 面受力不均衡。 3、车辆轴距一般小轿车 2.4-3.0 米；前后轴的轴荷比 5.5:4.5 附近是 比较好的设计了（奥迪 A4 高端车型；奔驰、宝马等豪华运动车型轴荷比能达到 理想的 50:50）。卡车等多于 3 根轴的车辆轴距尺寸更多。（可根据各个品牌的车 辆销售情况，间接调查路面上的车辆车型运行分布） 路面使用初期—平整 路面使用半年以上—起 伏不平 2012 年青岛理工大学数学建模竞赛赛题 B 附件材料 1： 车辙仪 车辙仪（Rutting tester）是评估在 仿真道路交通条件下沥青混合料抗 车辙能力的装置。加载轮以一定的 荷载、速度在一定温度条件下反复 碾压试样，连续监测碾压过程中车 辙的发展。测试试样可以是实验室 轮碾压实机制作的板料，也可以是路面钻芯获取的 200mm 直径的圆形试样。 车辙是路面经汽车轮胎反复行驶碾压产生流动变形、磨损、沉陷后，在车行道行 车轨迹上产生的纵向带状辙槽，是路面的永久性变形。随着高速公路路网的逐步 完善，车流量的增加，特别是重型车辆的增多和高压轮胎的使用，导致高速公路 道路病害已由车辙取代早期的水损坏成为高等级公路沥青路面的主要病害之一。 车辙除了影响行车舒适外，还对交通安全有直接影响。例如：车辆在变换车道时 操作困难，车辙内积水产生高速行车水漂或结冰，在气候条件恶劣的时候制动距 离不足等等。车辙通常是因为施工技术和质量控制差导致的混合料压实不足，或 者由于混合料组成材料和组成设计问题导致的混合料稳定性不足，以致于轮迹带 处的路面材料和路基，在荷载反复作用下，出现固结变形和侧向剪切位移。 当前国内沥青面层仍普遍采用厚度为 15～16cm 的三层式结构。对于理想的层间 连续状态，三层式沥青面层的中面层主要承受压应力， 故通常认为三层式沥青 面层的车辙主要发生在中面层。但当沥青层较薄， 或出现层间滑动时(如层间污 染)， 则沥青面层底面层与滑动面位置会出现较大的拉应力，导致这些层位的沥 青混合料首先发生较大的变形或开裂，也加剧了车辙的产生。 常用的评价沥青混合料抗车辙能力的方法为在混合料设计阶段用车辙仪测定混 合料的动稳定度，即测定其每 1mm 变形所能承受的轮载次数(次 Pmm)。尽管这种 方法的误差较大， 但在设计与施工中控制沥青混合料的高温稳定性方面还是很 2012 年青岛理工大学数学建模竞赛赛题 B 有效。但当要对已产生车辙病害的旧路面进行处理时，需采用合理的检测手段评 价车辙的成因与组成以及车辙是否已经结束，以采用相对应的修复或养护策略。 如果不对车辙的发展进行科学预估，分段管理，则处理后的效果肯定不会理想。 沥青路面车辙破坏机理 车辙(永久变形)是指沥青路面在重复轮载作用下产生的累积塑性变形。车辙可能 发生在地基、无结合料基层或沥青面层。车辙主要发生在沥青面层，主要是由于 沥青路面在轮载作用下发生固结和剪切变形所致。剪切变形一般发生在距沥青路 面表面 100 mm 以内，但如果沥青混合料的性能较差，车辙也有可能发展到更深 的位置。车辙通常随轮载作用的增加而增大，典型表现为沥青路面轮迹处纵向凹 陷，有时还伴有向轮迹两侧隆起的现象。 车辙的分类 正常情况下，沥青路面的车辙可以分为三类： （1）结构性车辙：由于荷载作用超过路面各层的强度，发生在沥青面层以下包 括路基在内各结构层的永久性变形，叫做结构性车辙。这种车辙的宽度较大，两 侧没有隆起现象，横断面成 V 字形（凹形）。 2012 年青岛理工大学数学建模竞赛赛题 B （2）失稳性车辙：在高温条件下，由于车轮的反复作用，荷载应力超过沥青混 合料的稳定度极限，使流动变形不断累积形成车辙，叫做沥青混合料的流动性车 辙或失稳性车辙。 失稳性车辙的表现是一方面是车轮作用部位下凹，另一方面车轮作用的车道两侧 向上隆起。对于主要行驶双轮车的路段，车辙断面成 W 形；对于主要行驶宽幅单 轮车的路段，车辙成非对称形状。 （3）磨损性车辙：磨耗性车辙通常是由冬季埋钉轮胎造成。在我国，由于公路 基本上都是半刚性基层，车辙大都属于流动性车辙，而磨损性车辙在我国几乎是 没有的。 车辙产生的原因 沥青路面的车辙是在一定的高温环境下，因荷载的反复作用，沥青混合料粘塑性 变形累积的结果；也是外因（包括荷载、环境）与内因（包括材料、工艺与结构 等多因素）相互作用综合的结果。 （1）荷载：车辆荷载一次作用下沥青路面产生的变形包括弹性的、粘弹性的和 粘塑性的三类。因为渠化交通使不可恢复的粘塑性变形和来不及恢复的粘弹性变 形得以累积而形成车辙。 （2）沥青：沥青稠度对车辙具有显著的影响，所以南方习惯上采用的沥青标号 要小一些，标号不同于北方，针入度要差 1～2 各等级。沥青对车辙的另一个显 著影响表现为沥青用量， 过多的沥青用量将在沥青混合料中形成游离的自由沥青， 在高温条件下因荷载的作用发生明显的粘性流动变形。 （3）集料：集料的形状。针片状含量的偏大不仅难以形成稳定的嵌挤骨架结构， 而且使沥青混合料的 VMA 增大，实现不了设计的组成结构。集料的规格。尽管沥 青路面施工规范给出的粗集料、细集料规格要求已考虑了工艺操作的变异，但筛 分工序不严，不合规格现象仍然经常出现。供应的稳定性。目前，不仅多家小料 2012 年青岛理工大学数学建模竞赛赛题 B 场供料造成供料规格、形状等质量方面的不稳定，而且即使是同一个厂家生产的 集料质量规格也不稳定。 （4）级配：级配的影响是产生车辙很重要的原因，但也十分复杂。级配是决定 混合料组成结构的最重要因素。对于抗车辙而言，级配并不单一是偏粗一点要比 偏细一点好的问题。 附件材料 2： 参考文献： 文献名称：《半刚性基层沥青路面层间接触临界状态值的计算方法》 作者：黄宝涛 廖公云 张静芳 出版期刊：东南大学学报(自然科学版) 第 37 卷第 4 期 出版时间：2007 年 7 月