基于三维黏弹有限元法的沥青路面结构力学响应分析

为探究沥青路面在荷载作用下力学响应,基于辽宁省沥青路面足尺加速加载试验,开展路面结构力学仿真方法及力学响应特征研究。采用光纤光栅传感器实测足尺加速加载路面的面层底部、基层底部和路基顶面的力学响应。利用有限元分析软件ABAQUS,建立了基于实测参数的典型半刚性基层沥青路面三维黏弹有限元仿真模型,分析路面结构在不同加载位置下的力学响应,并与加速加载实测结果对比,验证模型的可行性;同时,对路面结构内部的力学响应规律进行分析。结果表明:所建立的仿真模型能较合理地模拟路面结构内部力学响应;沥青混合料黏弹特性导致弹性后效,使力学响应曲线表现出非对称特点。对于沥青层,中面层和下面层上部剪应力和剪应变较大,为车辙发生的薄弱部位;对于沥青层底、水泥稳定碎石层底,控制疲劳开裂的力学响应为水平纵向拉应力和拉应变。     

热再生沥青混合料疲劳特性试验研究

为研究热再生沥青混合料的疲劳特性,基于四点弯曲试验分析了旧沥青混合料(RAP)掺量、应变水平、加载频率等因素对热再生沥青混合料疲劳寿命的影响规律,并与APA疲劳试验结果进行了比较验证。结果表明:四点弯曲试验与APA试验结果具有一致性,随着RAP掺量增加,混合料疲劳寿命不断降低,当RAP掺量大于30%时,降低幅度尤为明显;热再生沥青混合料疲劳寿命与施加应变值满足幂函数疲劳方程,RAP掺量越高试件疲劳寿命对荷载水平变化越敏感;试验中提高加载频率,试件的疲劳寿命随之增加,且在低应变水平下,加载频率变化引起试件的疲劳寿命差异更大。     

移动轴载作用下路面沥青层动态响应模量主曲线研究

路面沥青混合料层的模量是路面设计的必要参数之一,为定量分析现场沥青层的实际模量特性,提出了一种由现场实测应变数据出发,确定沥青层动态响应模量主曲线的方法,实现了对沥青层现场动态特性的精准表达。首先,实测了柔性基层、半刚性基层2类典型沥青路面不同温度及轴载移动速度下的沥青层动态应变响应;其次,以实测应变波形为基础,分析了不同加载工况下的现场沥青层加载频率特征;最后,基于实测应变值,利用有限元模型反演得到沥青层的动态响应模量,结合沥青层加载频率,建立了沥青层动态响应模量主曲线,并进一步对该主曲线的可靠性进行了验证。研究结果表明：沥青层内部加载频率与轴载移动速度呈正比,且与温度正相关;沥青层现场动态响应模量值随温度升高显著减小,随轴载移动速度增大而增大;结合加载频率及响应模量反演结果,可利用Sigmoidal模型很好地拟合得到沥青层响应模量主曲线;验证结果表明,该主曲线可较为准确地预估其他温度及轴载移动速度下的沥青层响应模量值。所提出的确定沥青层动态响应模量主曲线的方法可为其他试验路应变实测数据的处理提供参考。     

冷再生混合料疲劳性能研究

采用小梁试件进行三分点加载弯曲疲劳试验,研究了不同应变水平、不同再生料（Recycled Asphalt Pavement简称RAP）掺量下沥青路面冷再生混合料的抗疲劳性能,揭示了冷再生混合料的疲劳变化规律,同时建立了疲劳方程。研究结果表明随着RAP掺量增加冷再生混合料的疲劳寿命提高,再生混合料的疲劳敏感程度降低;同一应变水平下泡沫沥青冷再生混合料的疲劳寿命大于乳化沥青冷再生混合料的疲劳寿命。     

基于沥青路面早期水损害的水-荷载耦合CT扫描试验和力学响应分析

为了研究在水-荷载耦合作用下沥青混合料试件的压缩疲劳破坏过程及其沥青路面结构的动力响应,借助CT扫描技术和图像处理技术,进行了无水和饱水沥青混合料的宏观和微观破坏初步对比分析,定量分析了破坏前后沥青、集料和空隙的变化情况.根据多孔介质理论,对广西典型半刚性沥青路面结构进行了ABAQUS建模和FLAC-3D的计算,分析了无水和饱水两种情况下的力学响应差异.结果表明:沥青混合料试件从无水向饱水转化时,破坏模式从压裂转变为剪切破坏模式;在行车荷载作用下,饱水沥青路面与其无水情况下力学响应特性的不同主要集中在沥青面层深度范围内;相对于无水情况,饱水情况荷载效应作用时间将会成倍增加,且沥青面层拉应力出现激增,使沥青路面更容易产生结构性损坏;饱水情况下的沥青路面层底产生较大的先压后拉的横向应变,导致沥青路面过早产生疲劳开裂.     

基于动态模量加载波形的沥青路面力学响应分析

为了较好地分析行车荷载作用下沥青路面的力学响应,利用矩形波、半正弦波、钟罩形波,模拟沥青路面沥青层不同层位在行车荷载作用下的加载波形。基于AASHTO TP62-03动态模量试验方法,确定沥青层不同层位对应的不同加载波形下的沥青混合料动态模量值。在此基础上建立沥青路面结构的有限元模型,计算沥青面层最大拉应力、最大拉应变、路表弯沉值。并与AASHTO TP62-03标准半正弦波下的力学响应进行比较。结果表明:不同加载波形的沥青路面的力学响应不同,且基于AASHTO TP62-03半正弦波计算得到的力学响应比不同层位不同加载波形组合下的力学响应结果偏小。     

基于动态模量试验影响因素的灰关联熵分析

利用混合料动态模量参数计算的路面力学响应能更加接近路面对实际交通荷载的响应,能准确反应和评价实际沥青路面的高温性能。而荷载条件、环境温度、试验条件以及沥青混合料自身性质均会对动态模量试验造成影响。本文利用正交试验设计对不同试验温度、沥青用量、试验围压、加载频率、4.75mm筛余、试件厚度的SMA-16改性沥青混合料进行动态模量试验,分析各因素影响规律;运用灰关联熵分析方法,确定各影响因素与沥青混合料动态模量和相位角的关联程度。研究表明:对混合料动态模量指标影响的相对显著程度为:试验温度沥青用量试验围压加载频率4.75mm筛余试件厚度;对相位角指标的相对显著程度为:试验温度沥青用量加载频率4.75mm筛余试验围压试件厚度。     

沥青混合料疲劳性能试验与表征方法综述

针对沥青混合料疲劳耐久性设计参数的不确定性与不科学性问题,从疲劳试验方法及疲劳性能表征模型两方面对沥青混合料疲劳性能表征的发展现状、存在的问题进行了综述,并总结了其未来发展方向。沥青混合料疲劳性能主要通过室内外不同疲劳试验进行研究,不同试验方法所用沥青混合料试件的尺寸、形状,试件内部所处应力状态及试验条件皆各不相同,而沥青混合料是一种由沥青结合料与不同粒径矿料通过搅拌和碾压而成的多相、多组分、多尺度黏弹性混合料,其力学响应具有显著的时间、温度与应力状态相关性,不同试验方法所对应的加载速度、试验温度及应力状态存在较大的差异性,故其试验结果呈现出显著的不确定性,其疲劳性能表征模型参数也存在显著的差异性;此外,常用的室内材料疲劳试验方法大多为一维或二维应力状态下的疲劳试验,这与沥青路面结构实际服役过程中所处的三维应力状态不符;沥青混合料疲劳性能表征方程大多来源于一维应力状态下的疲劳试验结果,因此,用简单应力状态下的材料疲劳试验方法与性能表征模型难以客观表征三维应力状态下沥青路面结构的疲劳抗力,从而导致沥青路面疲劳耐久性设计存在较大的偏差。建议开发与沥青路面服役状态一致的三维应力状态下的疲劳试验方法,并建立三维应力状态下疲劳表征模型,以消除不同试验方法及试验条件对沥青混合料疲劳性能表征的影响,提高沥青混合料疲劳性能表征的有效性与完备性。     

温拌橡胶沥青混合料双面剪切疲劳试验研究

通过采用Abaqus有限元软件,建立力学分析模型,模拟沥青混合料小梁试件在双面剪切破坏过程中的受力状态。通过对沥青混合料小梁试件数值模拟,分析沥青混合料小梁试件在双面剪切受力状态下其内部的应力应变分布规律。并根据模型选择应力加载方式控制试验参数,采用自制双面剪切试验夹具,利用应力控制的方式进行双面剪切试验,研究沥青混合料的疲劳性能。通过双面剪切疲劳性能试验得到温拌橡胶沥青、橡胶沥青和SBS改性沥青的疲劳性能,分析温拌剂和橡胶粉对沥青混合料疲劳寿命的影响。     

沥青混合料疲劳响应新模型研究

本文分析了沥青混合料现有一些疲劳方程，通过３种沥青混合料，６２根梁的疲劳试验，详细分析了应变控制下，能耗与荷载作用次数的关系，建立了能耗方程以及总能耗与疲劳寿命方程，由此得到沥青混合料的疲劳响应新模型，这种疲劳方程既能反映沥青混合料弹性特性和粘性性质，还能较准确地反映能耗过程，更符合沥青混合料的疲劳规律。     

沥青混合料的低频疲劳损伤效应分析

加载频率对沥青混合料的疲劳寿命影响较大,疲劳过程中的损伤随着疲劳次数的增加而逐渐增加;耗散能、塑性应变也随着疲劳次数的增加而逐渐增加;所以损伤、耗散能与塑性应变三者之间必然存在某种联系.文中根据低加载频率的疲劳试验来模拟材料的温度疲劳,运用耗散能相关理论分析沥青混合料的温度疲劳损伤,并进行损伤力学分析,说明了粘弹性材料疲劳的本质是荷载循环过程中耗散能的增加.     

沥青稳定基层疲劳试验荷载控制模式选择

研究何种疲劳试验方法更符合沥青稳定基层混合料的疲劳特性。首先分析全厚式沥青路面的沥青稳定基层疲劳时的应力应变状态，及这种应力应变状态与疲劳试验的荷载控制模式的关系；其次，分析应变控制的疲劳试验结果的实用性；最后，提出一种简便易行的应变控制模式的实现方法。研究表明，全厚式沥青路面结构中，沥青稳定基层的应力应变状态更接近于应变控制模式疲劳试验的工作状态，因此，沥青稳定基层混合料的疲劳试验宜采用应变控制的荷载模式。     

减薄高模量沥青路面厚度的可行性分析

在沥青混合料中添加外掺剂提高沥青路面模量的同时,使建设成本增加,通过减薄沥青层厚度可获得经济效益上的平衡。对比分析了原路面与减薄后的高模量路面在沥青混合料层永久变形量、沥青层底拉应变、无机结合料稳定层层底拉应力及路基顶面竖向压应变四个设计指标下的力学响应。结果表明:减薄后的高模量沥青路面永久变形量降低、疲劳寿命略有提高。     

沥青混合料的温度疲劳损伤效应模拟研究

加载频率对沥青混合料的疲劳寿命影响较大,根据低加载频率的疲劳试验来模拟材料的温度疲劳,运用耗散能相关理论来分析沥青混合料的温度疲劳损伤,并进行损伤力学的分析。     

多级等幅荷载下沥青路面疲劳破坏研究

采用四点弯曲疲劳试验对沥青混合料的疲劳寿命进行了分析,并基于传统MINE疲劳损伤累积模型在多级等幅荷载沥下沥青混合料的疲劳损伤预测的弊端,结合非线性损伤模式提出了新型的沥青混合料疲劳预测模型。通过研究表明:多级荷载作用下,沥青混合料的耗散能、混合料的劲度模量及滞后角参数均表现出非线性变化趋势;由高应变水平向低应变水平转变时,沥青混合料劲度模量越易恢复;当多级荷载应变水平采用高—低,或由低—高—低的加载方式时,能有效提高沥青混合料的疲劳寿命,降低损伤进程。同时,根据多级荷载下沥青混合料的损伤变化呈一种非线性关系,建立的损伤累积模型能满足对沥青路面的疲劳损伤预测要求。     

LSM沥青混合料疲劳极限的试验研究

近年来,国外提出了永久性沥青路面结构的设计方法,其理论基础为沥青混合料的疲劳极限理论。针对LSM沥青碎石基层混合料,采用四点梁弯曲疲劳试验进行了试验验证。文章选择4种应变控制水平、2种油石比进行LSM混合料的疲劳试验,并采用AASHTO T321和简化能量消散率方法进行试验数据分析。试验结果表明:LSM沥青混合料在低应变水平下存在疲劳极限现象。试验验证了永久性沥青路面的设计理论。     

沥青混合料疲劳性能的影响因素分析

研究荷载间歇时间，加载频率，试验温度，空隙率，沥青针久度，沥青用量6因素对沥青混合料疲劳性能的影响程度。首先，运用正交设计的方法将影响因素适当组合，在MTS810材料试验系统上进行不同条件下的应力控制的疲劳试验；然后，分析各影响因素对沥青混合料疲劳寿命的影响程度；最后，讨论各因素是如何影响沥青混合料的疲劳性能的。研究表明，各因素对沥青混合料疲劳性能影响程度大小顺序为：荷载间歇时间→试验温度→沥青品种→级配类型→沥青用量→加载频率。     

泡沫沥青冷再生混合料MMLS3试验轮辙曲线特征及影响机理

对泡沫沥青冷再生混合料进行常温条件下的MMLS3加速加载试验，研究泡沫沥青冷再生混合料的长期使用性能，探讨泡沫沥青冷再生混合料的车辙变深度、变形速率及横断面轮辙曲线特征，给出泡沫沥青冷再生混合料车辙深度随加载次数的变化趋势，并对不同加载次数下轮迹处MMLS3试件进行X-ray无损扫描，分析不同加载次数下泡沫沥青冷再生混合料的空隙率分布特征及粗集料运动规律，揭示泡沫沥青冷再生混合料的疲劳损伤规律。研究结果表明：对于未掺加水泥的泡沫沥青冷再生混合料试件，轮迹处车辙沿横断面分布呈U形；掺加1%~2.5%水泥后，泡沫沥青冷再生混合料试件横断面车辙分布呈W形，可采用车辙深度R_DD=AN^B预估不同加载次数N下的车辙深度发展规律；MMLS3加载试验过程中泡沫沥青冷再生混合料车辙发展规律可分为3个阶段，即压密阶段、蠕变稳定阶段、剪切破坏阶段；重复疲劳荷载作用下轮辙变形主要来源于泡沫沥青砂浆压密变形和集料受荷载作用产生的竖向位移及粗集料自身由不稳定状态转变为"平躺"状态所发生的水平转动位移，粗集料取向角随加载次数增大呈指数函数关系减小。     

纤维改善水泥乳化沥青混合料性能及结构层受力特性分析

基于水泥乳化沥青混合料强度和疲劳性能与其结构层受力特性不相适应的问题，提出采用纤维稳定剂改善水泥乳化沥青混合料的柔韧性；通过低温弯曲试验和弯曲疲劳试验评价玄武岩纤维对水泥乳化沥青混合料柔韧性能的影响及影响显著性，对比掺有玄武岩纤维、聚酯纤维、聚丙烯纤维的水泥乳化沥青混合料力学强度与路用性能差异；并采用Bisar3.0软件分析了铺有水泥乳化沥青混合料、纤维水泥乳化沥青混合料的路面结构力学响应。结果表明：玄武岩纤维有效改善了AC-25型水泥乳化沥青混合料的柔韧性，基于性价比较优的考虑，推荐玄武岩纤维掺量为0.2%～0.3%、纤维长度为9 mm;玄武岩纤维对水泥乳化沥青混合料柔韧性、劈裂强度的改善效果劣于聚酯纤维，但掺有玄武岩纤维的混合料具有更高的抗压强度、抗压回弹模量、抗车辙性能和抗松散性能，整体性能更好；该混合料铺筑在高等级沥青路面下面层中，可有效降低沥青混合料层的拉应变和剪应力值，分别降低约16.0%和4.8%,路面发生疲劳开裂和车辙病害的概率减小。研究成果可为水泥乳化沥青混合料在路面结构中应用及病害控制提供参考依据。     

疲劳当量温度计算方法研究

现行沥青路面设计规范以15℃作为测定沥青混合料疲劳性能的试验温度,忽略了地区之间存在明显的温度差异。根据路面弹性力学层状理论,对控制应力与应变2种疲劳加载模式进行分析,讨论了适用于路面实际疲劳状况的加载模式。分析了影响沥青路面疲劳寿命的因素,并采用SHELL方法,根据Miner法则计算疲劳当量温度,提出了日疲劳当量温度的计算公式,计算了我国8地区的年疲劳当量温度,讨论了不同地区疲劳当量温度的取值范围和取值方法。研究结果表明,控制应变模式较适用于我国路面实际情况,不同地区路面疲劳试验温度与气温和沥青层厚度之间存在e指数函数关系。