基于足尺环道试验的沥青路面结构响应及其非线性分析

发布时间：2020-07-13 09:28

【摘要】：结构分析方法能否客观描述路面实际服役状态是沥青路面设计的核心。沥青路面在荷载、环境作用下具有明显的非线性响应,准确获取这一响应行为并在计算时予以充分考虑,是保证结构分析科学、合理的关键。但目前沥青路面结构分析中所采用的线弹性层状体系和结构层模量取值方法,并不能准确描述路面服役过程中的非线性行为和实际力学响应,以此为基础进行结构分析和计算存在一定局限。为了建立更加符合实际路面结构实际响应和非线性服役行为的沥青路面结构分析方法,通过足尺试验、模型试验、材料试验、力学分析和实测验证等手段,对沥青路面结构实际响应、路面材料非线性性质和结构分析方法进行了研究。首先,基于足尺环道试验对沥青路面结构的实际响应规律进行了研究。通过传感器测试技术获得了沥青路面结构的实际服役环境和力学响应规律,建立了温度变化描述模型,给出了用于结构分析使用的温度参数确定方法,揭示了实际力学响应的温度依赖性与荷载依赖性。结果表明:Bigaussian函数能够有效表征大气温度和结构内部温度变化过程,可作为描述温度分布特征的一种数学模型,据此可计算得到路面结构分析中使用的最不利温度;弯沉、应力、应变等力学响应均具有显著的温度依赖性,温度升降除引起它们的数值增减以外,还会改变方向;可基于足尺环道未运营阶段试验结果,采用指数函数对三个力学响应参数进行温度修正;高温时,弯沉、应力、应变的荷载依赖性和路面结构非线性响应现象更为显著。其次,基于模型试验对沥青路面结构的实际响应规律进行了研究。采用相似理论设计了沥青路面结构模型试验,提出了基于模型试验的路面结构实际响应测试方法,揭示了模型表面和层间应变响应的荷载与温度依赖性,给出了用于结构分析的层间结合条件。结果表明:当模型试验的平面尺寸为直径100cm圆柱体时,模型结构与原型结构之间具有良好的相似性;模型试验测试方法平行性和复现性良好、可靠度高,可作为路面结构实际响应研究的一种有效手段;水泥稳定碎石和沥青混凝土模型表面应变存在三个明显的力学响应特征点:压应变最大值点、拉压分界点和拉应变峰值点,两种模型的荷载-应变响应曲线具有显著的非线性特征;同质、异质材料结构层间应变响应具有一定的温度与荷载依赖性;结构分析中,沥青材料层之间、半刚性材料层之间可使用连续假设,沥青材料层和半刚性材料层之间宜采用半连续、半滑动假设。再次,基于材料试验对足尺环道路面材料的非线性性质进行了研究。通过材料的结构行为分析,揭示了沥青混合料和半刚性材料的温度与荷载依赖性,构建了基于应力或应变、温度或强度的路面材料模量依赖模型,建立了材料模量与结构层模量的联系机制,给出了用于结构分析的结构层模量取值方法。结果表明:基于温度和应变参数表达的沥青混合料动态模量依赖模型能够较好的描述沥青混合料的温度与荷载依赖性;半刚性材料具有一定的强度与荷载依赖性,可构建基于强度和应力参数表达的半刚性材料模量依赖模型;采用Mises等效应力和等效应变能够协调室内单一应力状态和现场复杂应力状态,可作为材料模量到结构层模量的联系机制,并可据此确定结构分析中结构层模量的取值方法。最后,基于路面力学分析理论和实际响应行为研究了沥青路面结构非线性分析方法。通过对路面结构实际响应行为的分析,建立了沥青路面非线性分析基本理论,提出了基于材料非线性的沥青路面结构分析方法,并基于足尺环道实测结果验证了方法的有效性。结果表明:在材料非线性、层间结合条件、结构响应唯一性和最不利温度等假设下,可以建立基于材料非线性的沥青路面结构分析方法,能够较好的模拟实际响应的非线性特征;模量取值、受力状态、计算温度和计算点位置对非线性分析结果具有显著影响;分析结果与足尺环道实际响应之间具有一致的变化趋势和相关性,该方法具有一定的科学性与合理性,可作为沥青路面非线性分析的一种计算手段。本研究获得了路面结构实际响应规律和材料非线性性质,提出了基于路面结构非线性服役行为的沥青路面结构分析方法,研究成果能够进一步完善和发展沥青路面结构分析理论,为建设耐久性沥青路面提供基础,具有一定的学术意义和应用价值。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：U416.217
【图文】：

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长为 1429 m。第 2 个试验段落为北侧圆曲线 A 段，用于水泥混凝土路面与材料的相关研究，共铺设 13 种路面结构（结构编号以 YA 表示），总长5m。第 3 个试验段落为南侧圆曲线 B 段，用于沥青路面抗车辙技术的研铺设 6 种路面结构（结构编号以 YB 表示），总长为 305m。38 种路面结布置情况如图 2-2 所示。

【参考文献】