材料回弹模量和路面结构厚度对路表弯沉的影响研究

通过对路面结构材料参数、结构层厚度对路表弯沉的影响分析,得出沥青面层的回弹模量和厚度变化对路表弯沉的影响相对较小,弯沉曲线基本呈线性,沥青面层随着回弹模量或厚度的增加路表弯沉降低的幅度变化不大;基层、底基层、路基回弹模量的变化对路表弯沉影响较大,随着回弹模量的增加路表弯沉降低的幅度逐渐减小,弯沉曲线呈明显的非线性;基层、底基层厚度的变化对路表弯沉的影响比回弹模量的影响大,弯沉曲线略呈非线性的结论。同时提出了根据路面材料和路基回弹模量,合理组合路面结构厚度的沥青路面优化设计建议。     

三种典型沥青路面结构的力学特性分析

基于BISAR 3.0路面应力计算软件,针对三种典型沥青路面结构:半刚性沥青路面结构、复合式沥青路面结构及柔性沥青路面结构建立了计算分析模型,分析研究了路表弯沉值、层底弯拉应力和应变性能等多个力学指标的变化情况。结果表明:①标准荷载下,三者的弯沉值随X坐标总体分布相似,弯沉值变化趋势线存在差异,具体关系如下:复合式沥青路面>半刚性沥青路面>柔性沥青路面。②基层结构内部的弯拉应力及应变最不利位置均位于单轮荷载中心处,对路面纵向荷载型裂缝产生直接影响。③复合式沥青路面结构各性能指标均介于半刚性基层和柔性基层路面之间,且兼顾两者的力学性能优点,在沥青路面设计和结构形式选择中应优先考虑。     

透水性沥青混凝土路面力学响应分析

针对典型透水性沥青路面结构,该文采用ABAQUS有限元方法,分别改变路面结构面层厚度、底基层厚度以及土基模量,分析路面力学响应,并对所研究的透水性沥青路面结构进行工程试验段应用。结果表明:透水性路面竖向位移随路面含水量的增加而减小;随着面层厚度的增加,路表弯沉和土基顶面压应变随之减小;增加透水性沥青路面底基层厚度可以有效改善路面力学状况;路表弯沉和土基顶面压应变受土基模量影响较大。因此,推荐透水性沥青混凝土路面的面层厚度应大于12cm,底基层厚度取20～40cm,在有条件的地方优先采用土基模量高的砂性土。     

柔性基层沥青路面结构黏弹性力学响应分析

沥青混合料是典型的黏弹性材料,只有对沥青路面结构进行黏弹性分析,才能得到其实际的力学响应。对一柔性基层沥青路面的各层沥青混合料进行了不同温度、不同频率下的复数模量试验,并利用黏弹性理论关系式,将沥青混合料复数模量试验结果转化为其蠕变柔量的Prony系列表达式,并进而求解在静载和加载、卸载两种荷载模式下路面结构路表弯沉、基层底面拉应变和土基顶面压应变的黏弹性力学响应。研究结果表明,由于沥青混合料的蠕变和松弛特性,各种响应尤其是基层底面的拉应变随时间呈现出较为复杂的变化趋势。随加载或卸载时间的延长,各响应逐渐趋于稳定。本研究也表明进行黏弹性分析可以更科学地描述沥青路面结构的行为特性及破坏原理。     

路基模量沿深度非均匀分布沥青路面动力解析解

推导了落锤式弯沉仪（FWD）荷载作用下考虑路面结构黏弹性、横观各向同性、层间连续条件以及路基模量沿深度方向非均匀分布的沥青路面动力响应解析解。首先,在考虑横观各向同性轴对称动力基本方程基础上,借助Hankel-Laplace积分变换建立了路面结构部分的常系数常微分方程组以及路基结构部分的变系数常微分方程组;然后,应用Frobenius法以及刚度矩阵法获得了沥青路面动力响应解析解,并编制数值计算程序;最后,结合ABAQUS有限元结果以及文献对比验证了解析解的可靠性,并就路面结构以及路基结构参数进行讨论。结果表明,路面结构中的层间接触条件和横观各向同性能对弯沉产生显著影响,同时路基模量沿深度的非均匀分布对弯沉的影响也不容忽视,建议在实际的FWD道路检测以及路面力学分析中给予充分考虑。     

组合式基层路面结构弯沉指标研究

柔性基层或组合式基层沥青路面作为新型的路面结构,其弯沉指标控制与现有规范验收体系不相适应,本文通过大量的试验验证与分析,揭示了级配碎石基层顶面弯沉的发展规律及其与沥青路面顶层弯沉指标的相关关系,提出了新型路面结构弯沉指标的控制标准。     

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。     

基于FWD的沥青路面动态弯沉温度修正系数

基于不同沥青路面的结构厚度和温度参数,对FWD实测的动态弯沉计算结果进行修正研究。按照分阶段函数拟合方法,建立弯沉修正系数与路面结构厚度、温度的两参数关系模型;该模型充分考虑沥青混合料模量的温度敏感性,可以保证当结构层厚度为0℃或温度为20℃时, 弯沉修正系数为1,当温度升高或降低时,修正系数趋于一个稳定的最小值或最大值。此模型具有明确的物理意义,可更好地反映出路面材料实际力学状态,使弯沉参数的判断和评价更为科学、有效。     

粒料基层沥青路面有限元和力学响应分析

利用有限元分析法,比较分析了粒料基层沥青路面和半刚性基层沥青路面的力学特性,计算了34种具有代表性的粒料基层路面结构的主应力,研究结果表明:粒料基层较半刚性基层会产生更大的路表弯沉;而半刚性基层层底拉应力比粒料基层大得多,同时得到粒料基层、底基层主应力分布规律及分布范围。     

动态重载交通对沥青路面性能的影响

针对我国典型半刚性基层沥青路面结构,建立了ANSYS三维动力有限元模型,研究了重载作用下沥青路面结构的竖向弯沉、横向应力的动态响应规律,分析了重载路面破坏机理。     

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。     

动荷载下饱水沥青路面黏弹性分析

为深入剖析沥青路面动水损坏机理,基于多孔介质理论,建立饱水沥青路面有限元模型,比较分析面层为弹性和黏弹性,以及面层饱水和表面层饱水的动力响应,并分析孔隙水压力峰值的发展规律和周期荷载对孔隙水压力的影响。结果表明,黏弹性面层的竖向变形和负孔隙水压力较大,正孔隙水压力较小,面层底部未出现水平拉应力;孔隙水压力峰值的大小及出现的位置发生改变,正、负孔隙水压力峰值出现的最终位置分别在底基层内和下面层内;与路面完全饱水相比,面层饱水和表面层饱水的竖向变形较大,面层饱水的面层层底的负孔隙水压力较大,而表面层饱水的表面层底负孔隙水压力较小;周期荷载的作用使孔隙水压力出现明显的周期性正、负交替,面层间的负孔隙水压力峰值变化率较基面层间的大。据此分析得出,面层特性对饱水沥青路面的动力响应有较大影响,面层饱水对基面层的损害严重,沥青路面的水损坏主要发生在面层的中下部。     

Effect of carbon black on the dynamic moduli of asphalt mixtures and its master curves

Modulus is one of the main parameters during the design of asphalt pavement structure, the newest specifications of China gives the dynamic moduli ranges of commonly used asphalt mixtures with base asphalt (BA) or styrene-butadiene-styrene modified asphalt (SBS MA), while the moduli ranges of mixtures with carbon black modified asphalt (CB MA) are not recommended. To investigate the CB effect on the dynamic moduli of CB MA mixtures, one commonly used asphalt mixture (AC-20) was designed with BA, SBS MA, and CB MA, respectively. Then, the uniaxial compression dynamic modulus tests were conducted at different temperatures and loading frequencies, the master curves of asphalt mixtures were analyzed based on the time-temperature equivalence principle. The results show that with increasing loading frequency, the temperature dependence of dynamic moduli of all asphalt mixtures tend to be less obvious. Both SBS and CB can decrease the temperature sensitivity of asphalt mixture, the SBS MA mixture has the lowest temperature sensitivity, followed by CB MA and BA mixture. In addition, CB and SBS can obviously improve the dynamic modulus of the BA mixture, enhance the anti-deformation performance of pavement structure, and the improvement effect of CB is almost the same with SBS.     

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。     

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.     

钢桥面铺装用环氧沥青混合料低温断裂性能

测试了钢桥面铺装用环氧沥青结合料-30～20℃的动态热机械性能(DMA),并用扫描电镜(SEM)观察了拉伸试件的断口;采用单边切口小梁试件进行了-20,-10,0,10℃的混合料断裂性能试验.结果表明:交联度为58.4%,67.3%,71.4%,75.3%的4种环氧沥青混合料断裂韧度随着温度的提高而降低,断裂能随着温度提高而增大;高交联度混合料的断裂韧度和断裂能变化幅度小,低交联度混合料的断裂韧度和断裂能变化幅度大.4种交联度环氧沥青混合料的断裂韧度、断裂能与结合料动态模量或交联度、温度具有较好相关性.断口扫描电镜照片表明,低交联度的环氧沥青交联网络撕裂后会形成凹凸不平的表面,有利于受力时吸收更多的能量,从而使体系具有更大的抗开裂能力.     

荣乌高速公路沥青路面结构设计方案对比

为了延长路面的使用寿命,对荣乌高速沥青路面结构方案分别采用半刚性基层和复合式基层进行了计算分析,指出ATB复合式基层路面结构受力条件好,耐疲劳,推荐作为路面实施方案。     

旧水泥路面碎石化加铺半柔性路面结构力学特性分析

本文采用ABAQUS有限元分析法建立了半柔性路面计算模型,模拟计算了水泥混凝土路面加铺半柔性路面应力,分析了不同因素对单层和双层加铺结构力学特性的影响。结果表明,对于旧板破碎化后加铺半柔性路面结构的应力,主要影响因素有半柔性层的模量和厚度以及碎石化旧板的模量,对于双层结构还包括了沥青混凝土层的厚度,增大沥青混凝土层厚度可以降低加铺层层底应力,其他因素则影响相对较小。此外,旧水泥路面碎石化加铺单层半柔性路面结构层厚度宜达到10cm以上,同时采用打裂压稳技术并保留旧板有足够的承载力,以降低半柔性层层底拉应力。     

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.