横观各向同性黏弹性沥青路面动力响应解析解

主要推导三向移动荷载作用下考虑复杂层间接触状态的横观各向同性黏弹性沥青路面动力响应解析解。首先,从直角坐标系下横观各向同性黏弹性多层体系动力学问题的基本方程出发,借助相对坐标变换和Fourier变换,推导单层沿深度方向的波数域状态向量传递矩阵;其次,基于波传递方法,构造层顶下行波和层底上行波向量,以消除传递矩阵中的正指数项,保证数值计算的稳定性;而后,基于Goodman模型表征的层间接触条件,建立相邻层上、下行波向量的递归关系,并结合荷载和边界条件,对多层体系各层上、下行波向量进行求解;最后,通过Fourier逆变换和相对坐标逆变换,得到沥青路面任意坐标和时刻下的动力响应解析解,并编制数值计算程序。通过ABAQUS有限元模拟,验证了解析解的准确性,且证明了解析解的计算效率远优于有限元模拟;综合分析荷载、材料、层间接触对沥青路面动力响应的影响,可以发现：水平向荷载与路表剪应力关联性强,是导致路面Top-down开裂的重要因素;层间接触条件和横观各向同性均对面层底部水平向应变影响显著,且这2个因素之间存在耦合效应,建议在路面疲劳寿命分析中予以充分考虑。研究得到的解析解可为真实沥青路面力学行为研究提供高效准确的分析工具。     

横观各向同性轴对称层状弹性体系半空间问题的求解

利用状态空间的基本理论，推导出横观各向同性多层弹性半空间问题在轴对称荷载作用下，层间完全接触条件的解析解，对其弹性常数假定后，可蜕化为各向同性体系下的解析解，便于程序化设计。     

横观各向同性沥青路面加铺结构力学响应研究

沥青混合料具有明显的横观各向同性特性,基于各向同性弹性多层体系理论分析沥青路面结构存在局限性,考虑沥青材料的横观各向同性能获取更准确的路面力学响应。文中通过改变沥青材料横观各向同性系数,采用有限元方法对沥青加铺层结构力学变化进行分析。结果表明,随着横观各向同性系数的增大,旧沥青砼路面结构加铺层的剪应力与层底拉应力增大,竖向压应变减小,剪应力随深度变化先增大后减小,旧沥青砼路面加铺沥青面层设计与施工中应考虑沥青横观各向同性的影响。     

沥青路面在不同层间状态下的受力特征及施工质量优化

针对我国目前在沥青路面设计中论假设沥青路面各结构层之间为完全连续、各向同性的弹性结构与路面的实际情况不符的问题,建立了剪切弹簧模型,并通过定义滑移系数来分析研究不同层间接触状态下对路面力学的影响。研究发现:在层间结合状态由完全结合向完全自由变化过程中,层内拉应力不断变大;当结合状态为完全自由时,下面层层底拉应力最大为0.2921MPa;层内剪应力也不断增大,最大达到226.1k Pa;路面弯沉也不断变大,当层间接触为完全自由达到最大56.32。随着基层模量的增大,相应的层底拉应力不断减小,并从基层模量为1800MPa开始趋于缓和;沥青层内剪应力不断变大,层间结合状态为完全自由时最大达到0.2347MPa;竖向压应力也随之不断变大,层间接触状态为完全连续切基层模量为2200MPa时最大,为0.6712MPa。沥青路面施工时,应严格按照规范对沥青路面的粘结层进行施工,提高沥青路面的层间抗剪强度。     

沥青路面老化与温度场引起的模量梯度研究

由沥青路面老化与温度引起的模量梯度是造成路面Top-Down裂缝的主要原因,为对Top-Down裂缝进行开裂预估,本文通过计算路面不同深度的平均温度得出路面的温度场分布,研究沥青路面老化随龄期、温度、空隙率和深度的发展变化规律,建立老化预估模型。根据老化预估模型中沥青粘度与沥青混合料动态模量的关系,得到沥青混合料随老化时间、温度、深度、空隙率变化的梯度模量。研究结果表明:通过全寿命沥青路面结构的老化预测模型、沥青粘度与沥青混合料动态模量的关系式,可建立不同老化程度和动态模量之间的关系。     

横观各向同性沥青路面结构动力响应分析

考虑到沥青混合料、级配碎石和土基等材料具有明显的横观各向同性特性,采用有限元分析方法研究了FWD荷载作用下横观各向同性沥青路面结构的动力响应。分别考虑了不同水平下沥青面层、碎石基层及土基的横观各向同性特性,研究结构层材料的水平方向弹性模量与竖直方向模量比对路面的动力响应影响规律,并根据AI破坏准则对其服务寿命进行了预估分析。结果表明,面层和基层的模量比对路面动力响应和服务寿命影响较大:面层和基层弹性模量比对沥青层底应力应变及土基底部压应变影响都很显著,基层模量比对路表弯沉影响也较大;当面层模量比减小到0.2时,控制疲劳开裂和车辙的荷载重复作用次数分别减小了87%和65%,当基层模量比减小到0.17时,则分别减小了82%和59%;土基模量比对路面结构动力响应和服务寿命影响较小。基于各向同性特性的现行路面设计偏于危险,应适当考虑道路材料的横观各向同性特性。     

基于剪切弹性柔量的基-面层间接触状态及路面力学响应分析

为研究半刚性基层与沥青面层的层间接触状态对路面结构力学响应和疲劳寿命的影响,选取典型半刚性基层沥青路面结构,采用Bisar3.0软件中的剪切弹性柔量参数AK作为基-面层层间接触状态的评价指标进行路面结构力学计算,分析不同层间接触状态下沥青路面结构的应力、应变、弯沉等力学指标的变化规律,并计算了层间不同接触状态下路面结构的疲劳寿命.结果显示:剪切弹性柔量可以较好的表征基-面层层间接触状态;弯拉应力和剪应力受基-面层间接触状态的影响较大,当基-面层间接触状态由连续变为滑动时,沥青层底弯拉应力的涨幅为528.25％,沥青层底剪应力的涨幅为157.3％,而弯沉受基-面层间接触状态的影响较小;基-面层间保持连续的接触状态可以提高层间抗剪切能力,延长路面的使用寿命.     

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。     

基于沥青混凝土横观各向同性的路面结构分析

基于沥青混凝土(ALC)的横观各向同性,采用通用有限元软件Abaqus,分别考虑水平荷载的作用和沥青混凝土弹性模量随温度变化的特性,数值模拟计算了横观各向同性沥青路面分别在水平、竖直荷载和温度场作用下的关键力学响应。横观各向同性在模型中定义为水平模量与竖直模量之比(n)。研究结果表明:各响应指标均随n发生变化;n减小时,弯沉和沥青层底拉应变指标随着增大。各响应指标也受到水平荷载和温度条件的影响;在水平荷载作用下,弯沉、拉应变均会增大,当n较小时,弯沉增大幅度更为明显;高温条件下的弯沉比低温条件下大,而拉应变在低温条件下比较大。     

层间接触状态对温度及荷载应力的影响研究

层间接触状态是影响半刚性基层沥青路面受力特性及损坏状况的重要因素。为分析面层内及面层与基层间设置应力吸收层时,温度及车辆荷载作用下,应力吸收层与结构层间粘结状况对路面结构内应力分布的影响,将应力吸收层模拟为正交各向异性中的横观各向同性材料。研究表明,可以通过设置应力吸收层不同参数而模拟层间不同接触状态;同时温度荷载作用下,设置应力吸收层时,若层间接触状态由连续变为光滑,则沥青面层内温度应力最大值由于新的应力释放方式的出现而减小。交通荷载作用下,当基层-面层间接触状态由连续变为滑动时,面层底面的受力状态由受压变为受拉,因此为减少路面开裂,结构层间应选择合适的接触状态,从而取得二者的平衡。     

考虑层间接触状态的路面动力响应解析解及参数反演

为了对现有路面结构FWD检测技术的改进提供相关参考,并进一步完善路面结构质量评价体系,从轴对称动力平衡方程出发,应用Hankel-Laplace积分变换,推导了考虑路面材料横观各向同性特性和路面结构层间接触状态的路面结构力学响应解析解,结合传递矩阵法提出了一种路面结构力学响应快速计算方法,并通过与ABAQUS计算结果的...     

重载交通下不同基层类型沥青路面结构应力分析

基于我国沥青路面设计理论及标准,参考实际沥青路面结构,选取不同的沥青路面结构与材料参数,如结构层厚度、模量和泊松比等,采用BISAR3.0路面力学计算程序计算分析不同基层类型对沥青混凝土路面结构内部应力状态的影响。结果表明,柔性基层路面与半刚性基层路面的破坏机理存在明显差异,为了实现2种路面的优势互补,应将柔性基层与半刚性基层的结构进行合理的优化组合,以弥补柔性基层和半刚性基层沥青路面的缺陷。     

沥青路面剥落的路面雷达电磁波模拟

针对空气耦合式雷达,建立了路面雷达电磁波在沥青路面结构中传播的二维时域有限差分(2D-FDTD)方程,并进行了沥青路面面层中存在沥青剥落病害的路面雷达电磁波模拟。模拟结果表明:当沥青路面出现沥青剥落区域后,在路面雷达回波的面层界面和基层界面的正反射波中间出现一负反射波,沥青剥落位置决定着该负反射波将会出现在面层界面反射波和基层界面反射波之间的位置;并且随着沥青剥落区域的竖向厚度增加,该负反射波波幅增大。为利用路面雷达快速检测路面沥青剥落病害提供了理论基础。     

沥青混凝土小梁断裂路径数值模拟研究

半刚性基层沥青混凝土路面是我国最为常见的路面结构形式,但沥青混凝土路面容易在使用过程中发生断裂,而沥青材料的疲劳断裂行为是半刚性基层沥青混凝土路面开裂的主要原因。通过使用扩展有限元方法对沥青混凝土三点预置缺口梁的疲劳裂纹扩展进行了数值模拟,并将数值模拟结果与试验进行了对比,发现两者在断裂形态上非常相似,并且裂纹在最初几次载荷加载时扩展尺寸较大。     

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。     

两种典型沥青混凝土路面结构沥青层饱水状态动力响应三维有限元分析

水和动态荷载耦合作用是沥青混凝土路面发生水损害的主要原因.首先基于多孔介质理论,假定路面结构中的沥青混凝土材料为完全饱水的多孔介质材料,对两种典型路面结构--半刚性沥青混凝土路面、具有柔性基层的半刚性沥青混凝土路面分别建立了三维有限元模型;而后对比分析了两种路面结构在动态荷载作用下的竖向应力、竖向应变、孔隙水压力的空间...     

连续配筋混凝土基层沥青路面层间剪应力分析

基于连续配筋混凝土基层沥青路面的主要破坏形式为层间剪切破坏,运用BISAR软件定量分析了轮载、模量、厚度等参数对层间剪应力的影响规律,确定了层间最大剪应力的位置及其主要影响因素,为连续配筋混凝土基层沥青路面沥青层厚度设计指标的确定提供理论依据。     

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。     

界面污染对沥青小梁疲劳性能的影响研究

为研究层间界面的污染情况对沥青铺面整体使用性能所产生的影响，采用由不同类型混合料复合而成的、含有层间界面的复合沥青小梁，进行抗剪强度试验和四点弯曲疲劳试验，以机油污染和黄土污染作为污染源，调整污染量，用于模拟施工过程中可能存在的污染情况，并对其在不同工况下的层间抗剪强度及整体疲劳寿命进行测定。试验结果表明：（1）就各类影响层间抗剪强度因素的敏感性而言，机油污染的敏感性要高于黄土污染；（2）同等试验条件下，随着污染量的增加，复合小梁的疲劳寿命显著减小，一定程度后逐渐趋于稳定；（3）在相同污染量工况下，机油对于层间粘结性能的影响要大于黄土污染对其产生的影响；（4）就弯曲劲度模量损失量而言，当污染量达到一定程度后，复合小梁的层间粘结性就会丧失。