沥青路面力学参数动态反演及性能分析研究

发布时间：2020-05-27 13:02

【摘要】：落锤式弯沉仪(FWD,Falling Weight Deflectometer)是广泛使用的路面结构无损检测设备之一。利用实测FWD检测数据进行力学参数反演,是对现役沥青路面结构进行力学分析和性能评价的主要途径。正分析方法是力学参数反演中的核心部分,精确、客观地模拟沥青路面结构在FWD荷载作用下的实际力学行为,是保证反演力学参数和路面性能分析结果正确性的关键。目前常用的力学参数反演方法一般基于弹性层状理论,在力学分析中无法考虑沥青混合料的黏弹特性和荷载的动态效应。力学分析模型和实际路面力学行为之间的差异,将不可避免地被传递到反演力学参数中,进而造成利用反演力学参数计算得到的路面力学响应不能客观地反映路面结构的服役性能,为路面性能分析和质量评定带来极大的困难。基于目前路面力学参数反演和性能分析方法的不足,本文主要开展了以下研究:(1)采用谱单元法对沥青路面进行FWD荷载作用下的动态分析,力学分析中将沥青混合料作为黏弹性材料,利用MHN(Modified Havriliak-Negami)模型描述其力学行为。将谱单元法分析结果和有限元法计算结果进行对比,验证了利用谱单元法对沥青路面进行动态黏弹分析的精度和效率。(2)采用谱单元法作为正分析方法,对沥青路面结构力学参数进行动态反演,反演得到沥青混合料的黏弹性参数和其他结构层的弹性模量,反演力学参数能够更全面地描述路面结构的力学行为。利用反演力学参数计算路面结构的力学响应,并与路面结构内部埋设的传感器实测结果进行对比,验证了反演结果的正确性。(3)针对柔性、半刚性和刚性基层沥青路面结构,分别利用本文中的方法和传统的静态方法进行力学参数反演,得到动态和静态反演参数。对动、静态反演结果的变异性和有效性进行对比,结果表明静态反演结果中容易发生“模量窜层”现象,导致反演结果不能真实反映路面结构层的材料力学特性,动态反演方法能够有效避免这一现象,而且具有较小的变异性和较高的合理百分比,反演结果能够更真实地反映路面结构的力学行为。(4)利用反演得到的两套力学参数,采用弹性层状理论和黏弹性层状理论进行移动荷载作用下的力学分析,研究动、静态反演力学参数对路面力学响应的影响。结果表明荷载移动速度对路面力学响应有显著的影响,静态方法仅反演得到路面结构层的弹性模量,在力学分析中不能考虑移动速度的影响,计算结果不能对路面性能进行客观评价,而利用动态反演结果进行力学分析能够有效解决这一问题,为现役路面性能评价提供了有效途径。(5)为了研究路面结构在服役过程中的模量衰减,对不同年限的FWD实测结果进行了力学参数的动、静态反演,结果表明静态反演方法容易引起“模量窜层”现象,导致反演结果不能对路面在服役期间使用性能的衰减提供合理的解释,动态反演结果能够合理地描述结构层模量的衰减。进而利用黏弹性层状理论分析路面结构力学响应,分析了力学响应变化,结果表明本文中提出的基于动态反演的路面结构力学响应分析方法,能够对路面结构在服役期间的模量衰减以及路面力学响应的变化进行科学的分析,为路面结构病害产生机理及性能衰变规律的分析提供了有效途径。
【图文】：

弹性层状理论对路面结构进行力学分析。弹性层状理论中假设各结构层材料均为弹性材逡逑料。弹性层状理论在圆柱坐标体系中对路面力学响应进行分析，ＦＷＤ荷载简化为圆形逡逑均布荷载，路面结构受力示意图如图２．１所示，其中ｒ和ｚ分别表示半径方向和垂直方逡逑向。路面结构各层的弹性模量、泊松比和厚度分别采用＾和＆进行表示。根据荷载逡逑分布以及路面结构的几何特性，可以作为轴对称问题进行求解。弹性力学分析方法中，逡逑对于弹性轴对称半空间问题，，应力方程ｐ满足结构平衡微分方程Ｉ１２５：！。逡逑Ｖ２Ｖ２＾邋＝邋0逦（２．１）逡逑其中，Ｖ４为拉普拉斯算子，＋邋ｉ立＋４）。逡逑ｄｒ２邋ｒｄｒ邋ｄｚ２逡逑空间轴对称问题中，应力只与径向和深度方向相关。引入应力函数ｐ邋＝逦利用逡逑弹性层状理论，结合平衡方程和变形连续方程，能够得到应力函数的解析表达式，如式逡逑（２．２）所示［２６，１２句。逡逑生年＋Ｃ／ｒｎｃｅ－ｍ＾－？）邋－Ｄｉｒｎｇｅ－ｍ（￣＾）］逦（２．２）逡逑ｍ逡逑其中，下标丨为路面结构层数；好；汉为路面结构厚度，＾＝４＋６＋…＋NB＿１；逡逑Ｊ。为零阶第一类贝塞尔函数；ｍ为计算参数；ｄ、５、Ｃ、Ｚ）为待定系数

其中向量场Ｖ由剪切波产生，而且满足标量场彳由压缩波产生，满足逡逑%藉澹兀埃剑

本文编号：2683573