基于材料非线性的沥青路面结构当量力学分析方法

针对目前沥青路面结构分析中存在的线弹性层状体系假设无法描述材料非线性特性以及结构层模量取值不合理等问题,为了寻找更加符合路面结构非线性服役行为的沥青路面结构分析方法,将材料非线性与层状体系相结合,研究3种典型路面材料模量依赖模型,建立材料模量与结构模量跨越的联系机制,提出了一种基于材料非线性的沥青路面结构分析当量计算方法,并通过足尺环道实测应变结果对方法的可靠性进行了验证。研究结果表明：基于材料非线性的沥青路面结构分析当量计算方法,其计算结果与足尺环道实测结果之间具有良好的相关性,方法可靠、合理,可以作为沥青路面非线性分析的一种计算手段;基于材料非线性原理构建的沥青混合料、半刚性材料和路基土的模量依赖模型,可以用于表征路面结构计算中的材料非线性特性;采用Mises等效应力可作为室内单一应力状态和现场复杂应力状态的联系机制,以协调室内试验模式和现场实际受力状态;当路面结构形式、荷载与环境条件确定时,路面结构的力学响应具有唯一性。所提出的当量计算方法一方面获得了一种确定路面材料回弹模量取值的有效技术途径,另一方面改进了沥青路面结构力学分析的合理性和可靠性,在非线性沥青路面分析理论和计算方法等方面具有一定的学术意义和应用价值。     

实测轻型货车轮载作用下沥青路面力学响应分析

作者利用自己实测的轮胎接地压力分布,用三维有限元方法分析了轻型货车不同轮胎,在不同胎压和不同负荷作用下,沥青路面结构层的力学响应。结果表明:实际的轮胎接地压力分布具有明显的非均匀性,且随轮胎的结构类型、花纹、胎压、负荷甚至使用年限的不同而有很大的差异。轻型货车对路面结构产生的应力响应不能忽视。     

模量对柔性基层沥青路面力学响应研究

采用ABAQUS有限元软件建立三维沥青路面模型,模拟柔性基层沥青路面在不同的结构层模量组合下的力学响应,研究结构层模量对柔性基层沥青路面的力学响应(应力、应变和位移)。结果表明:沥青路面结构层模量对柔性基层沥青路面力学响应有重要影响;对于柔性沥青路面,要确保下面层有足够的模量,并且选择合宜的柔性基层模量;在路面设计、施工中需要注重中、下面层与柔性基层的施工质量。     

基于实测轴载谱的重载沥青路面交通参数

为更准确地确定重载沥青路面设计的交通参数,首先提出了车辆分类方法,然后通过调查收集京沪高速公路鲁苏省界的车辆类型及轴载数据和长深高速公路滨州段的动态称重数据,创建了车辆轴载信息数据库.根据数据库查询统计,分析了沥青路面设计的交通参数,包括车辆类型分布系数、卡车月调节系数、卡车小时分布系数、轴数系数和轴栽分布系数,并给出了相应的推荐值.最后分别统计分析了前轴、双轮组单轴、双联轴和三联轴的轴载累积分布率.结果表明,在进行路面结构设计时,宜根据交通等级和类似道路车辆轴载统计确定设计代表荷载;基于实测轴载分析提出以单轴160 kN作为重栽交通设计轴载,以双联轴380 kN作为验算荷载.     

基于三维有限元混合料均匀性对沥青路面力学反应影响研究

基于ABAQUS有限元软件建立三维沥青路面模型,通过计算两种典型沥青路面的不同结构层混合料发生不均匀性时,在行车荷载作用下各层层底的应力、应变和位移量,研究沥青混合料均匀性对沥青路面力学反应的影响。结果表明:沥青混合料均匀性影响路面力学反应参数;相同的行车荷载和环境因素下,柔性基层沥青路面的位移量比半刚性基层沥青路面的位移量大;沥青路面中拉应力几乎总是出现在路表面和基层层底,且出现在半刚性基层沥青路表面的拉应力一般比柔性基层沥青路表面的拉应力大。     

设级配碎石过渡层沥青路面的非线性力学响应分析

为了明确设级配碎石过渡层沥青路面的结构层位功能,对其进行了非线性力学响应分析,结果表明:面层厚度增大,基层层底拉应力和过渡层剪应力减小;过渡层厚度增大,面层剪应力、层底拉应力和过渡层剪应力略有增大,但基层层底拉应力明显减小;基层厚度增加,面层剪应力、层底拉应力和过渡层剪应力增加,基层层底拉应力明显减小。     

基于疲劳损伤的沥青路面设计温度及预估模型研究

针对沥青路面结构必须控制的疲劳破坏形式,以沥青层层底拉应变作为控制沥青路面疲劳开裂的指标。通过实测沥青面层层底最大拉应变与路面结构不同深度处路面温度的相关性分析,确定了沥青路面疲劳损伤的设计温度,提出了以沥青层中间温度作为沥青路面疲劳开裂分析的设计温度和试验条件。通过实测永久性沥青路面试验路每小时的路面温度和气象数据,分析了沥青层中间温度的分布规律,对沥青层中间温度与气温、路面深度之间的相关关系进行了计算分析,建立了沥青层中间温度的预估模型。结果表明,沥青路面应变响应与温度密切相关,随着路面温度的升高,沥青层底拉应变增大;沥青层中间深度处温度与沥青层底拉应变相关性最高,采用沥青层中间深度处温度能较好地评价路面结构的抗疲劳性能。     

实测沥青路面温度场分布规律的回归分析

以实际运营中的沥青混凝土道路结构为试验对象,提出了一套完整的道路结构温度场实测方案。根据大量的实测沥青路面温度数据研究了沥青路面温度场的分布规律,并利用回归分析对沥青路面温度场与气温之间的相关关系进行了探讨。考虑到升温阶段和降温阶段气温对沥青路面温度场影响的差异,分别研究了基于升温阶段和降温阶段沥青路面温度与气温的相关关系,并给出了不同温变阶段下任意深度处沥青温度的预估模型。对实测数据与预估数据的比较表明:该模型具有较好的精确性与实用性。     

汽车轮胎与路面接触应力分布特点及力学模型

为分析重载交通对沥青路面使用性能的影响,研究了汽车轮胎与路面接触应力的分布特点.轮胎与路表的接触影响因素可分为两类:轮胎相关因素与路面相关因素,文章从力学的角度出发,综合考虑汽车轮胎结构类型、轮胎花纹、轮胎气压、轮胎竖向荷载、行驶速度、轮胎工作状态和路面表面几何特征与干湿状况等影响因素,分析了汽车轮胎在路面上的轮迹接触面形状、接触应力方向组合、接触应力分布特点,通过数学推导,简化荷载模型,在车辆匀速行进情况下,假设轮胎-路表接触面为矩形,考虑轮胎-路表接触力修正系数,建立了轮胎-路表三向接触应力模型,该模型有利于分析竖向接触应力、水平纵向和横向接触应力分布特征及影响因素.     

基于统计回归法的沥青路面温度场模型

在实测31820组路面温度数据和5 554组气象数据的基础上,研究路面温度场预估模型,重点解决以往模型在较深处预估精度不足的问题.通过采用分段函数形式、考虑不同深度处路面温度受环境因素影响延后、引入深度衰减因子等手段得到了新的路面温度场模型.提出了不同深度处气温和太阳辐射对路面温度影响的延后时间,二者分别为0～4h和2...     

基于预防性养护的沥青混凝土路面使用性能预测模型研究

为了使路厩预防性养护措施选择与养护时机的确定更加合理.以沥青混凝土路面结构行为方程为基础建立了预防性养护前性能预测模型,并通过引入原路面有效厚度系数与养护措施特征系数建立了预防性养护后性能预测模型;进而简述了基于该模型的效益-费用分析法,应用该方法可以方便准确地确定最佳养护时机和养护措施.该文提出的基于预防性养护的沥青...     

沥青路面渗水性能测试研究

采用改进的渗水系数测试试验对湖南省在建高速公路沥青路面进行渗水系数测试.根据测试结果结合沥青路面渗水性能的评价方法对沥青路面各面层的渗水性能进行评价分析,得出了沥青路面不同沥青混合料类型的渗水性能差异,提出了沥青混合料不同公称最大粒径的沥青混合料路面检验用的建议指标.最后对路面结构层的透水性能的差异性进行了定性分析,分析表明:沥青路面各面层的渗水性表现出很大的变异性;粗粒式沥青混合料类型更易渗水;粗粒式沥青混合料掺入抗车辙剂其渗水性能会有所降低;渗水系数随着面层厚度的增加而增大;施工质量变异性造成了渗水系数沿路面横向的分布表现为超车道大于行车道.     

基于内聚力模型的沥青路面低温缩裂研究

为了深入分析沥青路面低温收缩裂缝的形成和扩展问题,引入了双线性内聚力模型。使用双线性内聚力模型模拟了沥青路面的低温缩裂过程,并且讨论了双线性内聚力模型参数和面层结构参数对低温缩裂的影响。研究表明:随着温度的降低,沥青面层经历了从材料损伤到断裂的过程。在降温幅度较小时,沥青路面虽然没有形成宏观裂缝,但是路表附近的路面材料已经经历了一定程度的损伤;当降温幅度达到一定值时,沥青路面就会发生脆性断裂,形成宏观裂缝。增加断裂能可以减小路面的损伤程度和受损深度,降低路面的断裂温度,从而延缓了路面的断裂。与断裂能相比,提高开裂强度可以更有效地减小路面的损伤程度和受损深度;减小面层的弹性模量和温度收缩系数可以有效地减小面层的损伤程度。     

环氧沥青蠕变力学模型研究

环氧沥青具有与普通沥青和改性沥青不同的粘弹特性。通过-15、0、10、20、30、40℃下的压缩蠕变试验,分析了环氧沥青不同温度下的蠕变特征。根据蠕变力学模型,利用Origin6.0的Non-linear Curve Fit功能,分别对Kelvin模型、3单元模型、2阶广义Kelvin模型、3阶广义Kelvin模型以及修正的2阶广义Kelvin模型不同温度的蠕变行为进行解析。并通过不同温度的粘弹力学模型,分析材料弹性模量及松弛时间的变化特征。结果表明,采用修正的2阶广义Kelvin模型可以较为精确表述材料不同温度的蠕变行为;环氧沥青中沥青以颗粒状、片状等微观形式存在于固化的环氧树脂网络,其粘滞特性被环氧树脂弹性网络所掩盖。     

长寿命沥青路面结构力学特性研究

针对长寿命沥青路面结构,采用合理的网格划分方法,建立科学的长寿命沥青路面结构力学响应三维有限元分析模型,分析总结轮载作用下长寿命沥青路面结构层底拉应变分布特性及变化规律,为其设计理论与设计方法的研究提供理论参考。     

基于光纤光栅技术的沥青路面结构应变场分析

在北京某高速公路埋设了光纤光栅传感器以开展应变研究,两组三维传感器组分别被布设于沥青路面的中、下面层以获取各层位内的三维应变信息。通过改变车辆的加载重量和运行速度,分别监测应变响应的变化趋势和规律。试验选用的接地压力范围由0.49~0.97 MPa,而车辆的运行速度包括17、30、44、56、69 km/h等。基于采集数据的计算和分析表明,不同层位的各传感器应变值均随车速降低和轴载增加而显著增加,该规律与力学分析及经验预测的结果一致,这不但验证了将光纤光栅传感器进行路用的可行性,并且提升了传感器现场埋设的流程和工艺。试验结果说明了光纤光栅传感器具有良好的路用性质,将其应用于沥青路面结构的应变场测试是可行的。     

纤维沥青胶浆及沥青混合料路用性能试验研究

对木质素纤维和玄武岩纤维的沥青胶浆以及沥青混合料的高温、低温性能进行试验,对比分析不同纤维的性能。采用动态剪切流变试验和锥入度试验评价纤维沥青胶浆的高温性能,延度试验评价低温性能;选取SMA-13沥青混合料,通过车辙试验研究两种纤维对沥青混合料高温稳定性的增强作用,劈裂试验评价低温抗裂性的改善效果。研究结果表明：玄武岩纤维沥青胶浆的高温性能优于木质素纤维沥青胶浆;玄武岩纤维沥青混合料动稳定度和劈裂强度均要较木质素纤维高,且当玄武岩纤维掺量为0.3%~0.4%时其改善效果最佳。研究结果可为纤维在沥青混合料中的应用提供参考。     

考虑横观各向同性特性的沥青路面动力学分析

考虑到沥青混合料、粒状类基层和土质路基等材料各向异性特性对沥青路面动力学的影响,基于对各国研究现状的综合分析,采用有限元数值分析方法,在弹性假设下引入横观各向同性系数,建立沥青路面三维有限元模型;采用ABAQUS进行DLOAD子程序二次开发,实现非均布竖向移动荷载的数值模拟;并给出移动荷载作用形式、边界条件和材料参数;而后对比分析了移动荷载作用下各向同性和不同横观各向同性特性条件下三向应变场的差异。结果表明:当考虑横观各向同性特性时,目前采用的设计标准偏于危险,基于各向同性特性的路面设计低估了与永久变形和疲劳裂缝相关的应变。