使用非线性弹性和粘弹性模型的有限元分析法来预测柔性路面的性能外文翻译资料

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使用非线性弹性和粘弹性模型的有限元分析法来预测柔性路面的性能

法国路面材料部 Jean-PierreKerzreacute;ho

桥梁和道路中央实验室 Pierre Hornych。

法国粮食与能源管理局 Sophie Salasca

摘要

在过去的几年中，LCPC已在其现有的有限元代码CESAR-LCPC的基础上创建了用于路面建模的模块，其中包括沥青材料和未结合粒料材料的非线性模型。该程序对在LCPC加速路面测试设备上进行的，具有粒料层的柔性路面上的全尺寸实验的结果进行建模。实验结果表明，路面响应在很大程度上取决于荷载水平和未结合粒料层的含水量。路面的建模是在3D模式下进行的，并依次测试了几种建模假设：线性弹性模型、具有未结合粒料层的非线性弹性模型（Boyce模型）和沥青混凝土的粘弹性模型（Huet-Sayegh模型）。其中最完整的模型将未粘结材料的非线性弹性与沥青混凝土的粘弹性耦合在一起，从而得出了在不同载荷水平和不同载荷速度下路面响应的真实预测情况。

1. 引言

目前，法国的路面设计方法仍然基于多层线性弹性方法，用于计算路面层中的应力和应变。这种方法不适用于交通流量低、具有未结合粒料层的柔性路面的情况。对于这种类型的路面，需要考虑未结合材料的非线性以及应力性能。

为了描述未结合粒状材料的弹性行为，LCPC采用了最初由Boyce [1980]提出的非线性弹性模型，随后对其进行了修改完善，从而包括各向异性的情况[Hornych等，1998]。 对于沥青混合料，如果对Huet [1963]和Sayegh [1965]最初提出的粘弹性模型进行了评估，可以发现该模型可以非常准确地预测实验室复模量试验的测试结果[de Roche，1996]。 最近，这些模型已经在有限元代码CESAR-LCPC中实现。并且还开发了CESAR的新模块CVCR，可以在移动车轮载荷下的路面进行建模[Heck等，1998]。

本文介绍了此有限元程序的第一个应用，它是在低交通量的柔性路面上用LCPC全尺寸路面试验设施进行实验，并对实验结果进行建模。这项工作与欧洲道路运输研究项目COURAGE（欧洲未结合道路骨料建筑）是相关的，旨在改善未结合颗粒材料的机械性能，并优化其在道路施工中的使用[Dawson 等（2000）]。 该研究的主要重点是对粒状材料的非线性弹性模型进行评估和验证，但考虑到沥青混凝土的粘弹性，因此要进行了更全面的模拟。

本文首先描述了全尺寸路面试验的主要结果以及用于建模的数值工具。然后，提出并讨论了不同的模拟情况，着重讨论了载荷水平、未结合粒状物料的含水量和载荷速度的影响。

2.全尺寸实验的展示

2.1 LCPC加速路面测试设备

LCPC在南特的圆形疲劳测试轨道（见图1）允许在实际尺寸条件下测试6m宽和112m长的路面结构：实际轴载（90至150 kN），速度（最高时速90公里）和大量的负载循环（多达几百万个负载）。在实验过程中，车轮的侧向位置会发生变化，以模拟实际交通造成的载荷分布。测试跑道是室外安装的，并且会受到气候变化的影响。该设备的详细说明可以在Autret等人的论文中找到。

可以使用经典的道路工程设备测试在现场建造的真实路面结构。路面可以用来测量应力、应变、温度、孔隙水压力等。在实验过程中还可以进行不同类型的表面测量（包括FWD，挠度，横向和纵向坡面分析，病害分析）。

图2.1 LCPC路面测试设施的外观

2.2 用来测试的路面

为该项目选择的实验是在1994年进行的，目的是研究四种不同的柔性路面结构的性能。对于建模而言，仅选择一种结构（一种具有最完整设备的结构）。该实验结构如图2所示。它的长度为28 m，宽度为6 m，包括：

• 沥青混凝土的耐磨层（50/70级沥青），平均厚度为85毫米；
• 粒料基底（O/20毫米碎片麻岩），平均厚度为430毫米；
• 由2.5m云母组成的低模量（约30 MPa）路基土壤。

图2.2 实验路面结构

安装在此实验结构中的仪器包括：

• 测量沥青层底部的纵向和横向应变的应变计;
• 测量表面挠度的位移传感器；
• 测量颗粒层和路基顶部100毫米范围内的的垂直应变的位移传感器；
• 路基顶部的垂直压力传感器;
• 沥青层中的热电偶；
• 测量路基中粒料基础吸力的张力计；

该实验和相关材料测试的结果在Gramsammer和Kerzreacute;ho[1994]的报告中有详细介绍。

2.3 路面材料

2.3.1 路基土

土壤是一种脆弱的云母石，含有大约30%的细粒。该材料对水非常敏感，在高含水量时CBR值很低:w=10%时CBR=10(原位平均含水量)，w=14%时CBR=2。铺装过程中对该路基进行的动态板载试验表明，其平均弹性模量E=26MPa,取值范围为22shy;32MPa。

2.3.2 粒料材料

未结合粒料材料(UGM)主要成分为0/20 mm的破碎片麻岩。其主要参数如表1所示。在铺装过程中，对颗粒基层进行了密度、含水量和挠度的现场测量，结果如下:

• 施工后平均含水量w=5.9％；（实验结束时，w = 2.5％）；
• 平均干密度=2070kg/m³;
• 平均挠度:1.92mm（15次测量）-标准偏差0.26mm；

表2.1 未结合粒料层材料的主要参数

粒料材料的性能是通过重复载荷三轴试验确定的，该试验是在标准干密度条件下进行的，并且采用了不同的含水量。实验结果使用Hornych等人修改的非线性弹性Boyce模型[1998]包括各向异性的情况进行解释。该模型使用以下变量来进行定义(用于三轴试验条件):

=平均正向应力 =剪应力

=体积应变 =剪应变

初始（各向同性）Boyce模型的应力-应变关系为：

(1)

(2)

该模型具有3个参数：Ka，Ga和n; Pa是等于100 KPa的常数。考虑到各向异性的情况，Hornych等人[1998]在模型中引入了各向异性系数gamma;，用来乘以主应力的值。将应力-应变关系修正如下:

(3)

(4)

其中：

当gamma;=1时，这些表达式与初始Boyce模型的表达式相同。各向同性和各向异性Boyce模型参数在不同含水量下的平均值如表2所示。结果表明，该材料对水分含量相当敏感，并且接近各向同性（gamma;值接近1）。

表2.2 基层颗粒材料的重复载荷三轴试验结果(Boyce模型参数)

调整的相关系数

2.3.3 沥青混凝土

磨损层是使用50/70级沥青的标准沥青混凝土，它经过了各种实验室研究（几种类型的疲劳测试，复数模量测试...）。其中，选用Huet-Sayegh模型[Huet，1963]，[Sayegh，1965]测试沥青混凝土的性能。它是线性热粘弹性模型，在法国用于描述沥青混合料在小应变范围（）中的性能。 该模型描述了复模量随频率和温度的变化。该模型由以下方程式描述:

该模型的参数为：

• omega;=0或omega;= infin;时复数模量的极限；
• h,k 当且1gt; hgt; kgt; 0的指数,分别与比率E_imag、E_real

有关；为无量纲的常数。

是温度的函数，其表达式如下：

以下是在全尺寸实验中使用的沥青混凝土获得的Huet-Sayegh模型参数的值

MPa h=0.65 A₀=1.940

E₀=70MPa =2.8 =-0.373

K=0.22 v=0.25 =0.00191

使用Huet-Sayegh模型来计算在标准实验下的频率和温度范围相对应的沥青混凝土的弹性模量值。 这些值在表3中给出

2.4 实验内容

在此实验中，总共施加了约300万次载荷。施加的载荷为法国标准轴载荷（双轮半轴载荷为65 kN），装载速度为70km/h。在实验开始时，还应用了短加载序列（进行数百个循环）

• 三种不同的轴载：45、65和75 kN
• 不同的速度:3至70Km/h
• 车轮的11个不同的横向位置(宽度为1米)模拟了真实的交通负荷分布情况

表2.3 沥青混凝土弹性模量值的范围（以MPa为单位）

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