Assessing artificial neural network performance for predicting interlayer conditions and layer modulus of multi-layered flexible pavement

The objective of this study is to evaluate the performance of the artificial neural network (ANN) approach for predicting interlayer conditions and layer modulus of a multi-layered flexible pavement structure. To achieve this goal, two ANN based back-calculation models were proposed to predict the interlayer conditions and layer modulus of the pavement structure. The corresponding database built with ANSYS based finite element method computations for four types of a structure subjected to falling weight deflectometer load. In addition, two proposed ANN models were verified by comparing the results of ANN models with the results of PADAL and double multiple regression models. The measured pavement deflection basin data was used for the verifications. The comparing results concluded that there are no significant differences between the results estimated by ANN and double multiple regression models. PADAL modeling results were not accurate due to the inability to reflect the real pavement structure because pavement structure was not completely continuous. The prediction and verification results concluded that the proposed back-calculation model developed with ANN could be used to accurately predict layer modulus and interlayer conditions. In addition, the back-calculation model avoided the back-calculation errors by considering the interlayer condition, which was barely considered by former models reported in the published studies.     

沥青路面结构参数对弯沉盆影响分析

利用多层弹性体程序BISAR,分析沥青路面结构层模量对弯沉盆影响。结果表明:面层模量的变化对中心点的弯沉影响最大;基层模量的变化对d0、d20、d30的影响最大;底基层模量主要的影响测点范围为0～120cm;d210与土基模量关系密切,而上层路面结构层模量和厚度对d210影响微小。同理,分析厚度对弯沉盆影响。结果表明:面层和基层厚度变化对d30影响最大。最后根据嘉浏高速公路FWD检测数据,验证了影响规律。     

复合道面结构抗冲击性能试验与数值模拟

采用大型落锤冲击机对一种新型复合道面板进行了冲击荷载作用下的动态响应试验,该新型复合道面板自上而下依次为:土工格栅加固的沥青混凝土(AC)层、高强度混凝土(HSC)层及复合水泥基(ECC)层。通过落锤冲击试验获得道面层结构的损伤形式及变形特征,随后采用混凝土损伤材料模型模拟复合道面体系中混凝土类材料的动力特性。对材料模型的主要参数进行验证和确定,包括界面特性和各层材料的动力增长因数。根据新型复合道面体系的实验室落锤冲击试验结果,通过比较其破坏形式、损坏直径及位移值对数值模型进行了校核和验证。结果表明:提出的考虑界面性能和动力增长因数的三维数值模型能够较准确地模拟该复合道面体系在冲击荷载作用下的真实特性,且验证后的模型可进一步应用于研究不同因素（材料强度、断裂能及层间界面）对新型复合道面体系在不同冲击荷载作用下抗冲击性能的影响。     

Evaluation of back-calculated elastic moduli of unreinforced and geocell-reinforced unbound granular material from full-scale field tests

This paper presents a field-scale experimental track over a poor subgrade with an unreinforced section and a geocell-reinforced section subjected to in-situ performance tests. Plate load tests and Benkelman beam tests were carried out distributed in several unreinforced and reinforced layers. The objective was to: (1) examine the variability of the elastic modulus of unbound granular material (UGM) due the influence of its thickness and the presence of poor subgrade in its base, (2) evaluate the modulus improvement factor (MIF) generated by the geocell reinforcement in the UGM and (3) verify the most appropriate condition to apply the MIF to transport infrastructure design. The results showed that there is a significant influence of the thickness of the UGM layer on its elastic modulus when the layer is supported directly over a soft subgrade. The MIF values obtained in field suggest that its determination is mostly related to the UGM maximum elastic modulus rather than its decreased values (by virtue of poor subgrade or reduced thicknesses), and that the analytical formulation presented for MIF calculation has good predictive capability to be applied to pavement design.     

重载条件下路基工作区深度影响因素分析

路基的工作区深度直接影响到软土地基的处理深度及费用,为保证路基的稳定及经济,需要明确不同荷载条件下的路基工作区深度。本文通过有限元法,系统分析了轴载、面层厚度、基层厚度等因素对路基工作区深度的影响规律。计算结果表明:路基工作区的深度随着轴载的增大而增大,随着路面面层厚度和基层厚度的增大而减小。实际工程中,应该根据车辆荷载状况、路面结构层厚度等因素综合计算确定路基工作区深度,以及软土地基的合理处理深度。     

半刚性基层沥青路面疲劳裂缝扩展与寿命预估研究

以疲劳断裂力学理论和材料试验为基础,对半刚性基层沥青路面裂缝的扩展行为进行系统研究,分析了裂缝尖端的应力强度因子变化规律和偏荷载作用下各影响因素对疲劳寿命的影响;结合路面结构初始状态的荷载响应,回归得到了路面的疲劳寿命预估方程。结果表明,路面疲劳主要是由偏荷载作用于横向裂缝导致,疲劳寿命随面层整体模量和轴载增长而递减,随基层模量、路基模量、中面层厚度、基层厚度增长和车速而递增,随下面层厚度的增长先减后增。回归得到的疲劳寿命预估方程考虑的影响因素更加全面,为我国路面结构设计和科研提供了理论支持和补充。     

沥青路面动态黏弹反演研究

对沥青路面结构进行动态黏弹反演, 正向分析采用谱单元法,采用典型路面结构分析验证了谱单元法动态黏弹分析的正确性;采用实测和计算得到的路表弯沉整体时程曲线的均方误差作为反演误差控制方程,以序列二次规划算法作为优化算法,对路面结构层力学参数进行优化。对半刚性基层和复合式基层两种沥青路面结构动态进行黏弹反演,结果表明：利用谱单元法对沥青路面进行动态黏弹响应分析,可以极大地提高计算效率,动态反演可充分利用弯沉时程曲线的数据信息,反演得到的动态模量、相位角数主曲线组成完整的黏弹力学参数,可以更全面地描述沥青层的力学特性以及荷载作用频率和温度场的影响。动态黏弹反演方法可以弥补传统反演结果无法得到的力学参数主曲线的缺陷,为沥青路面分析及质量评定提供了有效的方法。     

交通荷载作用下公路路面结构振动分析

为了研究路面结构的振动特性,基于2.5D有限单元方法建立了高速公路路面结构和下卧层地基在交通荷载作用下的三维耦合振动模型。通过计算分析了路面振动加速度的变化规律和路面结构的面层、基层和底基层中的应力分布,考虑了车辆运行速度、荷载振动频率、路面分层结构形式、路面材料和下卧层地基模量等因素的影响。结果表明：车辆运行速度和荷载振动频率对路面结构的振动响应有着显著影响;同时随着路面材料刚度的提高,路面结构振动会降低,在实际工程中可通过选用合适刚度的路面材料以获得路面性能的较大改善。     

土工格栅加筋对沥青路面影响的数值分析

应用复合材料力学原理和层状弹性体系理论对土工格栅沥青路面进行了力学分析。通过对计算结果中的应力、应变和位移分析,揭示了土工格栅的增强机理和防裂作用,同时还计算出加筋可以减薄路面厚度,而且 C-AC 层模量越大对加筋效果的影响越明显,但是同时也增大了基层底部的弯拉应力,可为路面设计提供参考。     

Response of pavement foundations incorporating both geocells and expanded polystyrene (EPS) geofoam

The suitability of geocell reinforcement in reducing rut depth, surface settlements and/or pavement cracks during service life of the pavements supported on expanded polystyrene (EPS) geofoam blocks is studied using a series of large-scale cyclic plate load tests plus a number of simplified numerical simulations. It was found that the improvement due to provision of geocell constantly increases as the load cycles increase. The rut depths at the pavement surface significantly decrease due to the increased lateral resistance provided by the geocell in the overlying soil layer, and this compensates the lower competency of the underlying EPS geofoam blocks. The efficiency of geocell reinforcement depends on the amplitude of applied pressure: increasing the amplitude of cyclic pressure increasingly exploits the benefits of the geocell reinforcement. During cyclic loading application, geocells can reduce settlement of the pavement surface by up to 41% compared to an unreinforced case – with even greater reduction as the load cycles increase. Employment of geocell reinforcement substantially decreases the rate of increase in the surface settlement during load repetitions. When very low density EPS geofoam (EPS 10) is used, even though accompanied with overlying reinforced soil of 600 mm thickness, the pavement is incapable of tolerating large cyclic pressures (e.g. 550 kPa). In comparison with the unreinforced case, the resilient modulus is increased by geocell reinforcement by 25%, 34% and 53% for overlying soil thicknesses of 600, 500 and 400 mm, respectively. The improvement due to geocell reinforcement was most pronounced when thinner soil layer was used. The verified three-dimensional numerical modelings assisted in further insight regarding the mechanisms involved. The improvement factors obtained in this study allow a designer to choose appropriate values for a geocell reinforced pavement foundation on EPS geofoam.     

高等级公路沥青路面剪应力分布研究

基于线弹性层状体系理论，采用路面结构有限元法，主要探讨高等级公路沥青路面剪应力的分布规律及其影响因素。数据分析结果表明：在各结构层材料性能和厚度允许选择范围内，最大剪应力均分布在距路表3cm深度范围内；影响剪应力大小的最主要的因素是沥青层模量、泊松比和基层模量。通过计算数据与试验测试抗剪强度对比分析可知：对于普通三层沥青层面层结构，上面层和中面层应进行剪应力验算，且验算时需找到准确的计算点位才能得到各层内最大剪应力值。     

沥青路面永久变形预估研究

为了精确预估沥青路面的永久变形,以十天高速公路陕西汉中段为试验路段,通过实地观测统计获得了全年路面温度区间分布频率和全年不同温度区间的轴载等级分布频率,采用有限元建模并计算路面结构的偏应力,计算表明,偏应力随深度的增加呈先增大后减小趋势,且路面的中面层偏应力最大.通过不同温度及偏应力的三轴重复荷载试验,建立了SMA-13,AC-20,ATB-30沥青路面重复荷载永久变形黏弹性力学模型,其拟合相关系数大于0.980 0.综合考虑路面温度、路面厚度、荷载作用次数、荷载大小、路面结构中各点偏应力及沥青混合料蠕变柔量等因素,提出了沥青路面永久变形预估方法,试验表明,该预估方法可模拟沥青路面结构实际受力状态,准确预估其容许永久变形寿命.经计算,十天高速公路陕西汉中段的容许永久变形寿命为13a.     

渗固粘层材料室内试验研究及性能评价

为解决普通粘层层间结合效果不好的问题并开发新型高性能粘层材料,通过渗透深度试验和渗水试验,评价了水性环氧树脂-乳化沥青混合液、单一乳化沥青这2种粘层材料的渗透效果及防水性能,并据此确定了水性环氧树脂-乳化沥青混合液的最佳配比;通过剪切试验、拉拔试验和加速加载试验评价了使用上述2种粘层材料试件的层间接触条件改善效果及路用性能.结果显示:采用水性环氧树脂-乳化沥青混合液作为粘层材料,其渗透、表面固化及层间结合效果显著;与现有的单一乳化沥青粘层相比,其层间黏结性能大幅提高,且受运料车轮载的影响比较小,可以作为新一代粘层材料.     

基层模量对重载交通沥青路面受力特性的影响分析

基层模量的取值将直接影响到路面结构的受力特性,它是是路面设计的重要力学参数之一。本文系统分析基层模量变化对重载交通沥青路面路表弯沉、基层层底拉应力、底基层层底拉应力的影响,并阐述了其影响规律。结果表明．基层模量对重载交通沥青路面的受力与变形特性具有显著的影响,提高基层模量值将显著减小路表弯沉值底基层层底拉应力,而基层本身的层底拉应力值将增大,需要在路面设计中充分重视。     

考虑拉压模量不同的沥青路面力学计算方法与分析

现行沥青路面设计理论为传统的线弹性理论,设计时采用抗压回弹模量作为材料刚度参数,并未充分考虑道路材料拉压模量具有显著差异的特点。为此,文章将双模量理论(即拉压模量不同弹性理论)引入到路面力学分析中,基于迭代思想建立考虑材料拉压模量不同的沥青路面结构数值计算方法,且利用ABAQUS二次开发平台UMAT编制计算子程序,对典型沥青路面结构进行力学分析。结果表明:路面关键点位的力学响应,基于双模量理论与传统线弹性理论的计算结果之间的偏差高达30%～50%,应引起高度重视;沥青路面表面存在着较大的拉应力和拉应变,应为沥青路面破坏源之一,建议将沥青面层的设计点位从层底移至路表轮隙区;应用双模量理论对路面结构进行力学分析可有效地解决道路材料弹性模量的不唯一性问题。     

沥青路面反算模量与沥青混合料动态模量的关系

为获取沥青路面结构层沥青材料模量参数,合理评价沥青路面结构性能,开展沥青路面反算模量与同温度下室内沥青混合料动态模量的关系研究。采用落锤式弯沉仪（FWD）对4个不同结构的沥青路面试验路进行测试,并通过路面结构埋设的温度传感器同步采集温度,对试验结果进行沥青层模量反算;采用沥青混合料性能试验机（AMPT）对试验路沥青材料进行动态模量试验,根据时温等效原理获取FWD测试的同温度下的沥青混合料模量值,结合沥青路面结构层厚度计算沥青混合料动态模量的当量模量;对沥青层同一温度下的FWD反算模量与动态模量的当量模量进行分析比较,建立回归模型。结果表明,不同路面结构的FWD反算模量与室内动态模量的关系基本一致,其变化趋势不依赖于沥青层厚度的变化;沥青路面FWD的反算模量和室内AMPT的模量呈非线性关系,当模量较小时,FWD反算模量要低于室内模量,随着模量的增加,在10000MPa附近时,二者的模量值是接近的,模量值再继续增大时,FWD反算模量的增加较快,明显大于室内动态模量,室内动态模量的增长趋于平缓。     

考虑接缝影响的机场刚性道面的有限元分析

以Marc有限元软件为工具,对道面面层和接缝用板单元进行模拟,考虑面层和基层之间的界面接触,建立了基于＂地基—道面结构—飞机轮载＂的相互作用的足尺9块板水泥混凝土道面三维有限元模型,应用该模型,计算了飞机当量单轮荷载作用下刚性道面结构的力学响应,得出道面各结构层模量对板底应力的关系。     

车路相互作用下沥青路面材料弯曲破坏研究

为分析车辆荷载作用下沥青路面面层底部材料产生的弯拉破坏,构建了路面与二自由度1/4车辆的离散元相互作用模型,以计算在路面不平顺激励下的车路相互作用力和路面沥青材料的宏细观动态响应.另外,选取面层沥青材料进行弯曲破坏试验,得到了沥青材料在加载过程中裂缝产生和开裂时的应变场分布.在此基础上,应用PFC2D软件构建沥青材料离散元模型来模拟其加载破坏过程,以探究车路相互作用下沥青面层的弯曲细观破坏机理.研究发现:弹性阶段后,沥青材料内部开始出现微裂纹,随着车辆荷载增加,材料最薄弱区域的微裂纹汇集成宏观裂纹直至破坏;在一定数值范围内,沥青材料空隙率对其抗开裂性能影响较大.试验结果证实了数值模拟的准确性.     

移动荷载下机场刚性道面惰性点影响因素分析

在原有惰性点理论静力分析的基础上,结合Kirchhoff薄板运动微分方程,就Winkler地基上的刚性水泥混凝土道面板在移动荷载作用下,文章对惰性点存在性进行了研究,同时分析了刚性水泥混凝土道面板惰性点在移动荷载作用下受车辆速度、面板厚度、泊松比、密度和地基阻尼等因素的影响规律。研究结果表明:在移动荷载作用下,刚性水泥混凝土道面结构存在惰性点,并且此惰性点受车辆速度、板厚影响较大,而板的泊松比、密度和地基阻尼对惰性点影响较小,可以忽略不计。移动荷载下惰性点的存在性分析结果,为下一步惰性弯沉法在移动荷载下道面结构参数反演回归分析提供了基础。     

长寿命沥青路面抗疲劳层力学特性分析

从长寿命路面的概念出发,分析了长寿命路面的各层功能,并利用正交分析方法分析了抗疲劳层的力学特性,经过计算分析,抗疲劳层的厚度和模量对路面弯沉和抗疲劳层层底拉应变影响不大,但是对沥青稳定基层层底拉应变影响很大,从而论证抗疲劳层的设计对于整个路面的力学特性影响很大。