饱水沥青路面动力响应的空间分布分析

水-荷载的耦合作用是沥青路面早期损坏的主要原因之一。首先基于饱和多孔介质理论,建立饱水沥青路面动力响应分析的三维有限元模型,并给出了荷载作用形式、边界条件和材料参数;而后对比分析了动态荷载作用下,饱水沥青路面和无水沥青路面的竖向位移、竖向应力、剪应力和孔隙水压力的空间分布情况。结果表明,与无水状态相比,饱和状态下沥青路面的应力场和位移场都发生了变化,且出现了较大的孔隙水压力的正负逆转,这种孔隙水压力的反复作用将导致集料和沥青粘结的破坏。     

基于COMSOL流-固耦合分析的沥青路面结构动水压力研究

为了解不同饱和度沥青路面结构在荷载作用下的动水压力差异性,借助COMSOL有限元软件,建立动荷载作用下的路面有限元模型,研究不同沥青路面结构的孔隙水压力及竖向压应力变化规律,并通过正交试验探究不同参数对单层排水沥青路面孔隙水压力的影响。研究结果表明:密级配沥青路面孔隙水压力远大于排水沥青路面;随着排水层数的增加,孔隙水压力减小,对应的竖向压应力增加;云图显示,渗透系数的不同,使密级配沥青路面的孔隙水压力在竖向的影响显著,而单层排水沥青路面的孔隙水压力在水平方向影响较大。由正交试验结果可知,单层排水沥青路面孔隙水压力的各参数敏感性由大到小依次为渗透系数、轮载峰值、车速。     

公路隧道隧底结构水害机理研究

针对目前普遍存在的隧道路面渗漏水现象,基于多孔介质理论,通过建立隧底结构FLAC3D流固耦合数值计算模型,分析了隧底结构形式、孔隙率在交通荷载作用下的动水压力响应特征。研究结果表明:动水压力长消存在一定的规律性,负动孔隙水压力形成的泵吸作用是隧底结构水害发生的根本原因。隧底采用仰拱结构能够有效降低动水压力峰值,大幅降低负动孔隙水压力(泵吸力);无仰拱模式下,孔隙率是影响动水压力的一个重要因素,动孔隙水压力随着孔隙率的增加而增大;车辆荷载对隧底水害发生的影响较大,且超载引起的动水压力峰值最为显著,是造成公路隧底水损坏的主要荷载来源。     

碎石化层孔隙水压力研究

旧水泥混凝土路面再生技术之一——碎石化已经被广泛应用于道路工程中,但碎石化层孔隙水压力因加载方式不同对路面基层的影响则不同。因此,建立了饱水状态下碎石化层有限元模型,得到了动荷载作用下碎石化层孔隙水压力,并分析了对孔隙水压力的影响因素,对4种典型结构的孔隙水压力进行了对比。研究结果表明:在加、卸载过程中,碎石化层顶部孔隙水压力从正值变化至负值;计算点位自上而下选取时,孔隙水压力峰值先减小后增加,然后再减小;碎石化层顶部孔隙水压力随着面层厚度和模量、基层模量的增加而减小,随着基层或面层渗透系数、荷载以及车辆行驶速度的增加而增加。     

移动非均布荷载作用下的沥青路面动力响应分析

为更准确地模拟沥青路面实际的受力状态,基于弹性层状理论,论文借助大型有限元分析软件ANSYS建立了沥青路面三维有限元黏弹性模型。通过对模型施加非均布垂直和切向摩擦作用,分析了车辆在匀速行驶的状况下,沥青路面在不同载重车辆荷载的动力响应。结果表明,最大正向纵向拉应力位于基层层底,最大负向纵向压应力位于沥青面层。最大拉应力为0.017MPa,远小于容许拉应力0.081MPa,超载并不是造成路面损坏的唯一因素。     

考虑层间状态的沥青路面温度与荷载耦合行为分析

沥青路面是典型的层状体系,层间黏结状态的好差直接影响到路面的使用性能.采用三维非线性有限元软件ABAQUS,同时考虑沥青混合料的劲度模量随温度变化的特性,数值模拟计算了沥青路面在不同温度场状况下分别与水平及竖向荷载耦合作用的关键力学响应,分析各响应指标随层间接触状态变化的特性.研究结果表明由于接触模型作用机理的不同,其关键力学指标响应要比连续模型下的大;除路表竖向变形大小几乎与层间接触状态无关外,其他指标在低温状况下,层间接触条件变化对其影响较小,而在高温状况下,特别当层间接触摩擦系数μ＜0.6时影响很大,尤其对基层、底基层的最大拉应力及面层的最大剪应力影响显著.研究成果为科学解释沥青路面在不同环境温度与车辆荷载综合作用下的破损特征与行为机理提供了有力依据,为改善层问黏结条件有利于提高路面整体性能提供了理论支撑.     

基于光纤光栅传感技术的沥青路面行车工况下力学响应研究

为揭示半刚性基层沥青路面内部真实力学响应规律,为耐久性路面设计提供参考。通过现场埋设光纤光栅传感器,基于真实荷载工况开展了不同车速与轴载作用下沥青路面应变测试试验。测试结果表明：沥青面层轮载中心拉应变最大,为该层最不利荷载点位|静载应变历时曲线黏弹性明显,且很好地符合Bugers模型,拟合判定系数为0.98|动载应变曲线呈现明显的压-拉-压波形。水稳碎石基层轮隙中心拉应变最大,为该层最不利荷载点位|静载应变历时曲线符合弹性性质,动载应变曲线主要表现为拉峰波形。构建了路面结构层层底应变随轴载和车速变化的理论函数模型,并得到了纵向动应变压峰与拉峰的峰值比值随车速变化的规律。其研究成果可供耐久性沥青路面设计及室内疲劳试验参考。     

温度场与荷载对沥青路面车辙的影响及解决方案研究

研究温度场与交通荷载作用对沥青路面车辙变形的影响。通过实地测试沥青路面结构层内温度场分布,运用WITCZAK模型计算分析沥青路面结构层内混合料动态模量波动规律,并采用Bisar 3.0软件模拟计算不同荷载下路面结构层内的应力应变分布。研究结果表明,沥青混合料动态模量随路面温度场波动变化,高温下衰减量可达70%～90%。在温度场和荷载作用下,沥青路面上、下面层内应力应变明显。在路表向下温度递减的温度场下,路面上面层剪应变和竖向压应变等形变较大;在路表向下温度递增的温度场下,路面下面层剪应变和竖向压应变等形变较大。高温与重载的耦合作用易在上面层产生车辙变形;低温下长期荷载作用易在下面层产生车辙变形。在道路中下面层采用硬质沥青,并加强道路管理养护,可有效提升沥青路面的抗车辙性能。     

车辆移动荷载下黏弹性沥青路面的弹性等效方法

沥青路面设计规范中采用的力学模型是静载作用下弹性多层体系，而实际车辆作用为移动荷载，沥青层也表现为黏弹性。如何在路面设计中选取合适的弹性模量，从而近似表征移动荷载作用下黏弹性多层体系的力学行为是核心问题。首先，推导移动荷载作用下弹性/黏弹性多层体系力学响应解析解，获得各层力学响应与模量之间的理论关系。其次，基于理论关系，提出弹性模量的等效原则及流程，并以黏弹性三层体系为例，对比等效前后的力学响应分布和模量，验证弹性等效方法的有效性；最后，基于神经网络算法，以各沥青层黏弹参数、温度及车速为输入、等效弹性模量为输出，建立等效弹性模量预估模型。结果表明：等效弹性模量可在数值上反映黏弹性层的性质；各类力学响应分布在等效前后基本一致，证明此方法可有效地将移动荷载作用下黏弹性多层体系等效到静载作用下弹性多层体系；等效弹性模量预估模型可为沥青路面设计提供准确力学参数。     

车致振动荷载作用下富水软弱地层中盾构隧道动力响应分析

开展富水软弱地层中列车荷载作用下盾构隧道动力响应特性研究,以期为盾构隧道结构减振技术及地基土液化评判提供理论依据。采用模型试验与数值模拟相结合的方法,以时域、频域分析为基础,分别以孔隙水压力、频响函数与峰值加速度为评价指标,研究列车振动荷载作用下富水软弱地层中超静孔隙水压力、超静孔隙水压力比的响应规律以及盾构隧道管片结构与周围富水软弱地层的竖向加速度响应规律。研究结果表明：列车荷载作用下,富水软弱地层中的超静孔隙水压力峰值随着测点远离隧道而迅速减小,因此列车振动荷载对隧道周围富水地层的孔隙水压力的主要影响范围较小,主要集中在隧道底部以下约2 m范围内;借助频率响应函数(FRF)将时域结果转化为频域结果,分析发现在列车振动荷载作用的频域区间内,隧道结构与周围富水地层的竖向振动加速度级与荷载频率呈正相关,整体来看,加速度级在低频段(0～80 Hz)内的增幅明显大于中、高频段(80～250 Hz);相较于低频区段(0～80 Hz),中、高频区段(80～250 Hz)的振动波衰减更快。     

沥青路面水损害分析

针对沥青路面水损害问题,运用轴对称有限元方法分析了标准轴栽作用下沥青路面层内孔隙水压力的变化规律及其对沥青路面结构应力状态的不利影响。研究结果表明,孔隙水压力致使沥青与集料剥离,并引起沥青路面内部开裂,从而造成沥青路面过早破坏。     

上覆弹性板双层地基在移动荷载作用下的动力响应

 用Fourier变换及逆变换对移动荷载作用下路基路面系统的动力响应问题进行研究。考虑路基路面相互作用,假设一条形移动荷载作用在路面板的表面,地基以地下水位面为分界面分为双层,水位面以上为单相弹性土层,以下为饱和土层。考虑地基土层厚度有限,利用Lame对位移场的分解理论,引入势函数,并运用Fourier变换分别对弹性土层和饱和土层进行分析。在Fourier变换域内,结合边界条件,联立路面板、弹性土层和饱和土层的运动方程,得到土体竖向位移、应力和饱和土层内孔隙水压力的表达式;同时利用离散Fourier逆变换得到数值计算结果。计算结果表明,荷载速度、频率,饱和土层的渗透系数对地表竖向位移的影响很大;弹性土层厚度对竖向位移的影响依赖于荷载速度;弹性土层厚度以及弹性土层和饱和土层的相对刚度比对孔隙水压力有非常明显的影响。     

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.     

高温条件下沥青路面结构剪应变分析

温度和应力荷载的耦合效应是评价沥青路面结构稳定性的关键因素。温度梯度和外荷载是路面结构变形和破坏的直接原因。基于沥青混合料热粘弹变形理论,建立了高温动态载荷作用下路面破坏的耦合动力学模型,模拟分析了沥青路面温度场和应力场的分布规律以及影响沥青路面破坏的关键因素。模拟结果与监测结果基本一致,表明该模型用于沥青路面日变温度分析是可靠的。天气情况对监测结果有很大影响,温度变化直接影响模量,进而影响压缩性和抗剪强度,但对竖向应力影响不大。通过对不同温度下沥青路面变形的监测和模拟结果的比较,进一步验证了模型的可靠性,为沥青路面的优化设计和损坏控制技术提供了关键参数。     

Effects of cross-anisotropy and stress-dependency of pavement layers on pavement responses under dynamic truck loading

Previous studies by the authors have determined pavement responses under dynamic loading considering cross-anisotropy in one layer only,either the cross-anisotropic viscoelastic asphalt concrete(AC)layer or the cross-anisotropic stress-dependent base layer,but not both.This study evaluates pavement stressestrain responses considering cross-anisotropy in all layers,i.e.AC,base and subbase,using finite element modeling(FEM) technique.An instrumented pavement section on Interstate I-40 near Albuquerque,New Mexico was used in ABAQUS framework as model geometry.Field asphalt cores were collected and tested in the laboratory to determine the cross-anisotropy(n-values) defined by horizontal to vertical modulus ratio,and other viscoelastic parameters as inputs of the model incorporated through user defined material interface(UMAT) functionality in ABAQUS.Field base and subbase materials were also collected and tested in the laboratory to determine stress-dependent nonlinear elastic model parameters,as inputs of the model,again incorporated through UMAT.The model validation task was carried out using field-measured deflections and strain values under falling weight deflectometer(FWD)loads at the instrumented section.The validated model was then subjected to an actual truck loading for studying cross-anisotropic effects.It was observed that horizontal tensile strain at the bottom of the AC layer and vertical strains in all layers decreased with an increase in n-value of the asphalt layer,from n1(anisotropy) to n=1(isotropy).This indicates that the increase in horizontal modulus caused the decrease in layer strains.It was also observed that if the base and subbase layers were considered stressdependent instead of linear elastic unbound layers,the horizontal tensile strain at the bottom of the asphalt layer increased and vertical strains on top of the base and subbase also increased.     

Thiopave改性沥青路面力学响应研究

基于Thiopave改性沥青路面良好的高低温稳定性,采用有限元软件对典型半刚性基层沥青面层进行计算,得到不同沥青面层层底力学响应,并对计算结果进行对比研究,得到的主要结论如下：Thiopave沥青路面层底弯拉应力显著大于SBS沥青及基质沥青路面,路表轮隙中心处弯沉值小于SBS沥青及基质沥青路面;随着SEAM掺量的增加,...     

Performance evaluation of high modulus asphalt mixtures for long life asphalt pavements

This paper describes the results of laboratory and full scale performance tests for a high modulus asphalt binder (HMAB) and mixes (HMAM) developed in this study for long life asphalt pavements. Various binder tests were first conducted on the HMAB and test results showed that the stiffness of the HMAB was significantly increased compared to the conventional binder without changing the low temperature properties of the binder. Laboratory tests for the mixes included dynamic modulus, moisture susceptibility, wheel tracking and fatigue tests.Dynamic modulus test results showed that the modulus of the HMAM was 50% higher than those of the conventional mix at the high temperatures. The results of performance test indicated that the resistances of the HMAM against moisture, rutting, and fatigue damage were better than those of the conventional mix. It was also found from the full scale test sections that the tensile strain values at the bottom of the asphalt layer for the HMAM sections were lower than those of the conventional mix sections although the asphalt layer thicknesses of the HMAM sections were thinner than those of the conventional sections. All the tensile strain values measured from the HMAM sections were within the fatigue endurance limit of 70 microstrain which is the fatigue criterion of a long life asphalt pavement. Similar to the wheel tracking test results, the rut depth occurred in the thick HMAM test section was two times smaller than the conventional pavement section.     

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.     

可液化场地地震振动孔隙水压力增长研究的大型振动台试验及其数值模拟

基于数值模拟基本假设,运用有效应力原理以及振动孔隙水压力增长经验模式,采用应力循环孔压增量计算方法,直接针对非自由可液化场地基地震反应的大型振动台试验建立数值计算模型,并据此进行可液化场地基孔压动力增长数值模拟。数值模拟结果表明:分别在0.15g和0.50g El Centro波输入下,孔压在13 s之前无明显变化,至13 s瞬时增长,20 s左右达到最大值,并且自下而上峰期孔压比逐步增大;其中0.5g El Centro波输入下整个土层达到全部液化的孔压比,而0.15g El Centro波输入下仅上部土层具有局部液化的孔压比。同时由数值模拟结果可发现:由于桩-土动力相互作用,致使近桩区孔压较远桩区孔压高且在桩周附近形成一定孔压梯度,但对孔压增长趋势无太大影响;数值模拟获得的地基振动孔隙水压力增长规律与试验记录基本保持一致。总的来讲,这种孔压动力增长的数值模拟方法,在强震输入下基本能够刻画土层中孔压的动力增长过程,而弱震输入下的计算误差较明显。