基于FWD荷载下的沥青路面实测动力响应分析

沥青路面基于高度条件和重载作用,其受力状态以及静载模式下的受力条件都会产生极大差异.通过试验分析基于动载激励条件下沥青路面的动态响应规律,在此基础上分析沥青路面的损害机理.为研究动态荷载作用下沥青路面的实测动力响应,基于实际工程,构筑了3种典型的沥青路面,采用FWD(落锤式弯沉仪)分析沥青路面的动态弯沉盆特性,通过动态应变传感器,得到基于动态荷载下的层底弯拉应变响应.结果表明:沥青路面结构的动态响应随FWD荷载的变化表现出非线性特性,3种沥青路面结构的面层底具有较低的应变状态,且几乎不对路面累计疲劳造成损伤,相对于横向应变,具有较大的纵向应变能力.     

级配碎石基层沥青路面FWD反算模量换算系数

为了获取真实反映沥青路面结构力学特性和材料性状的结构模量参数,铺筑了4种结构级配碎石基层沥青路面足尺试验路,对其进行加速加载疲劳破坏试验和路面弯沉检测。基于FWD弯沉测试方案,应用分层检测分析方法逐层检测了路面结构层的弯沉,并根据足尺路面加载破坏的损坏程度,进行了路表FWD弯沉测试和弯沉迭代反演,分析了FWD反算模量受荷载水平、位置和路面温度的影响规律,建立了FWD反算模量与实验室动态模量的关系,提出了沥青混凝土、级配碎石和路基土实验室动态模量与FWD反算模量的换算系数K。研究结果表明：沥青混凝土模量受温度和轮载作用的影响最大,路面结构完好的沥青层反算模量换算系数K=0.7~1.0;路面出现Top-down开裂后,K=1.3~1.5;沥青层层底出现疲劳破坏时,K>1.5;级配碎石层反算模量换算系数为1.32~1.49;土基反算模量换算系数与其所受的应力水平及土质类型相关,随应力水平的降低,土基反算模量换算系数减小。     

沥青路面线性疲劳损伤特性及形变规律

为了研究沥青路面结构在车辆荷载作用下的疲劳损伤演化特性并分析其形变规律,运用通用有限元软件ABAQUS及其二次开发平台,建立考虑路面材料疲劳损伤的沥青路面结构数值计算模型,分析沥青路面结构在车辆荷载反复作用下路面结构损伤和水平正应变的空间分布与演化规律,以及路表弯沉随荷载作用的演变规律.结果表明:路面结构损伤主要分布在双轮中心线下靠近层底的区域,基层层底与底基层层底损伤度随荷载作用均增加,但增加幅度逐渐减小;路面结构层内水平正应变在荷载作用下,靠近层底位置拉应变逐渐增大,但增加幅度逐渐减小,中性轴上移;路表弯沉在荷载作用下逐渐增大,但增加幅度逐渐减小.研究结果可为沥青路面结构设计、养护维修及长期性能预测提供理论支撑.     

基于ABAQUS软件薄型沥青路面力学响应分析

为了掌握薄型沥青混凝土道路在车载作用下受力特点,道路结构层参数变化对沥青混凝土路面的力学响应,采用有限元软件ABAQUS建立薄型沥青混凝土路面的结构模型,通过有限元软件分析各结构参数的变化对沥青层底拉应力、路表弯沉、面层剪应力敏感性,并且对各个因素的敏感性进行评价。结果表明,面层模量和面层厚度的增加可减小路表弯沉,从面层模量和面层厚度的改变对路面指标的改变幅度来看,基层模量改变对层底最大拉应力的影响显著,面层模量的改变对面层位置不同处最大剪应力峰值的影响也比较明显。因此在薄型沥青混凝土路面技术应用中,应该加强控制基层材料性能指标。     

沥青路面结构力学响应的分层检测与分析

依托室内试槽水稳碎石基层沥青路面结构,应用分层检测分析方法逐层检测了路面结构层的竖向压应力、应变和弯沉,并采用双层弹性体系理论反算并验证了路面结构层的回弹模量.结果表明:土基回弹模量的微小变化对路面结构力学响应的影响可以忽略;各级荷载作用下,基层顶面的竖向压应力和面层层底压应变均随着荷载增大近似线性增加;养生后的水泥稳定碎石层以及沥青面层回弹模量可以被视为常数;双层弹性体系回弹模量反算方法合理可行,具有较高的准确性.在分层检测分析中,应尽量利用压应力测试数据,以获得较高的精度.     

考虑层间状态的横观各向同性沥青路面力学分析

沥青路面层间粘结状况的好坏对路面结构的力学响应具有较大影响。利用有限元软件ANSYS,将沥青混合料考虑为横观各向同性材料,计算了沥青路面在不同温度场与车辆荷载等作用下的关键力学指标响应,分析了层间接触状态和面层沥青混合料水平与竖向模量比对路面结构的力学响应影响规律。研究结果表明,利用接触模型计算出的关键力学指标比连续模型要大,尤其接触条件不好时更为显著。接触状况对沥青层层底拉应力、拉应变的影响比较明显,而路表弯沉、面层内最大剪应力对层间接触状态的变化则不太敏感,面层模量比越小,面层结构层强度就越低,在接触状态不好时容易导致面层承载能力不足。研究成果为科学的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理论依据,对进行沥青路面寿命预估和路面性能评价提供了帮助。     

均布荷载下横观各向同性沥青路面力学行为分析

文章采用广义Maxwell模型描述沥青混合料面层的黏弹性,考虑碎石基层和土基的横观各向同性特征对路面结构力学行为的影响。在弹性假设条件下引入材料水平模量与竖直模量比值为变量,运用有限元方法建立路面结构三维有限元模型;通过模拟计算,对比分析均布荷载作用下碎石基层和土基各向同性与横观各向同性对各结构层应力和应变及路表弯沉值的影响,并对沥青路面服务寿命进行预估分析。分析结果表明:均布荷载作用下碎石基层的横观各向同性特征对路表弯沉影响较小,而土基横观各向同性特征对路表弯沉影响较大;路基顶部压应变受碎石基层及土基横观各向同性特征影响较大,而面层层底拉应变和基层底拉应力仅受碎石基层横观各向同性特征影响较大;沥青路面服务寿命受碎石基层横观各向同性特征影响较大,且在碎石基层各向同性时服务寿命最长。因此,在路面结构设计中应适当考虑基层和路基材料的横观各向同性特征。     

横观各向同性的半刚性基层沥青路面结构

为了分析土基和沥青面层材料的横观各向同性特性对半刚性基层沥青路面结构的影响,基于建立的横观各向同性沥青路面设计理论,运用编制的基于该理论解的路面结构分析程序ANISOLAYER,利用沥青面层及土基横观各向同性特性,对半刚性基层沥青路表(路表面)弯沉进行了研究。同时运用ANISOLAYER程序分析了在不同厚度沥青面层及不同半刚性基层弹性模量情况下,土基横观各向同性特性对路面结构关键性设计指标的影响(路表弯沉、半刚性基层底部拉应力及路基顶部压应变,沥青层底应变为压应变或较小的拉应变,故未考虑)。研究结果表明:无论是面层还是土基,其各向异性度(水平弹性模量与垂直弹性模量之比)对路表弯沉的影响曲线变化趋势是一致的;随着土基水平模量的增加,延长了路面的寿命;随着半刚性基层弹性模量的增大,土基水平模量的变化对路表弯沉及基层底部拉应力的敏感性将降低,对路基顶部压应变的敏感性更加显著,但其绝对值较小。     

脉冲荷载下沥青路面粘弹性响应分析

为客观反映沥青路面结构的行为特性,需在结构响应分析中综合考虑粘弹性和脉冲荷载等因素.为此,对沥青路面路表弯沉、沥青层底拉应变和土基顶面压应变在脉冲荷载下的粘弹性响应进行了分析.计算了典型沥青路面结构3种响应的单位响应方程,然后利用Boltzmann叠加原理分析了路面结构在半正弦脉冲荷载下的粘弹性响应,并分析了行车速度对...     

考虑轮迹横向分布的沥青路面疲劳寿命修正系数

为了研究轮迹横向分布对沥青路面结构使用寿命的影响,道路施工过程中,在沥青面层底部布置动应变传感器,研究移动荷载下半刚性基层沥青路面动力响应横向分布规律。综合考虑轮迹横向分布和路面结构动力响应横向分布,计算得到沥青路面疲劳寿命修正系数。研究结果表明:移动车轮荷载下,沥青面层底部最大纵向拉应变的横向分布呈M形,进行沥青路面疲劳寿命评估时,只需要考虑距双排轮胎中心40cm之内位置产生的破坏作用;沥青面层底部横向弯拉应变的横向分布比较复杂,进行疲劳寿命评估时,只需要考虑轮胎下部产生的破坏作用。试验路的疲劳寿命修正系数为0.16,可为类似半刚性基层沥青路面结构设计和疲劳寿命评估提供参考。     

半刚性基层沥青路面与全厚式沥青路面疲劳特性比较

沥青混合料疲劳试验的荷载控制模式有应力控制和应变控制两种。文章经理论计算分析了半刚性基层沥青路面和全厚式沥青路面的沥青层在交通荷载作用下疲劳时的应力和应变状态。从而研究相应于两类沥青路面沥青混合料疲劳试验合适的荷载控制模式。计算表明 ,随着面层和基层材料劲度的逐渐下降 ,两类沥青路面的沥青层层底的弯拉应力和弯拉应变的变化规律有所不同 ;全厚式沥青路面沥青层层底的弯拉应力和弯拉应变随混合料劲度的变化规律 ,更加类似于应变控制模式的疲劳试验时小梁试件的应力、应变的变化规律。因此 ,全厚式沥青路面沥青混合料的疲劳试验更适宜采用应变控制的荷载模式。     

基于车辆加载实验的沥青路面动力响应分析

为研究车辆荷载作用下路面结构的动力响应,对沥青路面进行不同轴重,车速及不同的沥青层厚度条件下路面动力响应实测。结果表明:(1)柔性基层底部、下面层底部应变随车速增加而减小,随轴重增加而增大;(2)轴重相同时,下面层底部应变大于柔性基层底部应变;(3)下面层底部及柔性基层底部应变均随沥青层厚度增加而减小,厚度增加至23 cm时柔性基层底部应变不再显著降低;(4)基于层状弹性理论体系的计算结果与实测应变发展趋势并不一致,计算结果显示柔性基层底部应变大于下面层底部,拉应变随深度增加而增大,而实测结果表明最大应变并没有如计算那样出现在柔性基层底,而是出现在下面层底,因此经典层状弹性理论体系中以沥青混合料层底拉应变为最不利应变具有一定局限性。     

基于弯沉指数的水泥混凝土路面板角脱空识别

采用弹性地基板模型，分析了落锤式动态弯沉仪（FWD）荷载作用下水泥混凝土路面的弯沉规律，回归得到了板角脱空范围与地基类型、地基板相对刚度半径、路面板弯沉指数（FWD荷载作用于板角和板中时的荷载中心点弯沉之比）以及邻板传荷能力之间近似关系式．建立了通过板角和板中的FWD实测弯沉盆数据，对比理论计算结果判别水泥混凝土路面板角脱空状况的方法．     

典型沥青路面动态应变响应特性及疲劳寿命分析

针对半刚性路面(S1)、倒装式路面(S2)、组合式路面(S3)开展三维有限元计算,分析其面层底动态应变的空间分布特性及车辆荷载参数对沥青路面动态应变响应的影响规律;同时,基于应变响应及沥青层疲劳预估方程,对比不同类型路面的疲劳寿命.结果表明:行车荷载在沥青路面面层层底平面所引起的拉应变主要集中在轮印作用区域,其由应变值所表征的最不利位置出现在轮印面积中心;车辆动载条件下的应变响应量小于静态荷载模式,其中,S2的动、静力差异性表现尤为显著;随着轴质量的增加,面层底动态应变逐渐增大;而随着车速的提高,应变响应量逐渐减小;随着轴质量的增加,沥青层疲劳寿命急剧减小;在行车安全的前提下,合理提高车辆行车速度有利于提高沥青路面使用寿命,3种路面的面层疲劳寿命排序为S1>S3>S2.     

抗车辙柔性基层耐久性沥青路面车辙疲劳影响规律

为了解决柔性基层的车辙问题,从车辙破坏机理出发,采用英国壳牌设计软件及剪应变、弯拉应变、路基顶面压应变3个代表性指标,通过大量分析计算,得到了结构层厚度、模量等因素对抗车辙柔性基层耐久性沥青路面的影响规律。研究结果表明:抗车辙柔性基层耐久性路面面层总厚度应不小于18cm,半刚性底基层厚度应不小于15cm,但半刚性底基层厚度的增加会引起中、下面层层内剪应变的增加,对抗车辙不利,不宜过大,面层和基层总厚度宜大于40cm;中面层采用高模量沥青混凝土,能明显增强柔性基层耐久性路面的抗车辙和疲劳性能;设计合理的抗车辙柔性基层耐久性沥青路面结构,柔性基层及其下层发生疲劳破坏的可能性不大。     

基于GRA与BP神经网络的沥青路面模量参数反演分析

为了提升沥青路面模量参数反演分析的可靠性,基于沥青路面动力有限元数值分析模型,在构建FWD路表弯沉与结构层模量参数对应数据库的基础上,将GRA和BP神经网络分析方法相结合,实现沥青路面模量参数的反演分析.结果表明:FWD径向距离为0,60,210 cm处的路表弯沉值分别与面层模量、基层模量和路基模量的关联度最大;相对于传统的BP神经网络方法,GRA方法的引入提升了沥青路面各结构层模量反演结果的精度和稳定性.研究成果为利用FWD测试技术诊断与评价沥青路面各结构层的性能状态提供了新视角.     

重载作用下沥青路面结构动态响应敏感性分析

采用三维有限元动力分析模型,分析了重载移动作用下轴载重量、轴载速度、路面结构参数等因素变化,对沥青路面动态响应的影响.结果表明:路面动态响应随着轴重的增加呈线性显著增加;轴载速度对路面动态响应有一定的影响,路面结构动态响应随轴载速度的增加呈现先增加再降低的趋势,重载车辆以常见速度运行时,对路面结构产生的疲劳破坏影响显著大于静载产生的疲劳破坏;路面结构参数中,面层厚度对路表剪应力、路表竖向压应力影响特别显著,路基模量对路表弯沉、底基层拉应力、路基顶面压应变影响特别显著.     

水泥混凝土路面加铺沥青层结构应力分析

为了指导旧路加铺工程合理设计,对加铺结构在交通荷载作用下的受力状态进行了分析。基于路面力学弹性层状体系理论,建立了旧路加铺路面的轴对称有限元模型。主要考虑交通荷载作用,分析了沥青加铺层层底拉应力、剪应力和旧水泥路面层底的拉应力等指标。考虑加铺层和应力吸收层模量的影响对路面结构的力学响应进行了分析计算。为了快速计算材料力学性能对路面结构受力的影响,基于数值计算结果给出一个路表弯沉和沥青加铺层底拉应力的简易计算公式。结果表明:在车辆轴载作用下,增设应力吸收层会减小路表弯沉、沥青层底拉应力、新旧层间的剪应力和水泥层底拉应力各项指标,对于改善路面结构受力状态有积极影响;随着沥青面层模量的增加,路表弯沉、沥青层底剪应力和水泥层底拉应力都趋于减小,但是沥青层底拉应力会增大。由此建议在旧水泥路面加铺沥青面层设计时,应适当选用高模量的沥青混凝土材料,可以缓解路面新旧层之间的剪切脱层破坏,进而延长旧路改造路面的服役寿命。     

沥青路面在半正弦荷载下的力学响应

研究轮胎/路面的接触印迹特征及随机荷载作用特点,采用ABAQUS软件构建路面结构三维有限元模型,对半正弦荷载作用下的沥青路面力学响应进行分析。结果表明,半正弦荷载作用下沥青路面的上面层和中面层出现应力应变集中,应力应变值随路面深度的增加而逐渐减小;沥青路面的竖向、横向及纵向应力最大值均出现在上面层,且竖向应力最大,横向应力次之,纵向应力最小;竖向、横向应变最大值出现在上面层,纵向应变最大值出现在上-中面层,且路面结构内部出现反复的纵向拉-压变形,这很可能是沥青路面轮迹带附近材料产生疲劳损坏的根本原因。另外,荷载作用时间和路面温度对沥青路面应变的影响要大于其对应力的影响,路面温度的升高导致应变增大且延迟了残余应变的恢复时间。     

考虑层间接触的沥青路面非线性疲劳损伤特性分析

运用通用有限元软件ABAQUS及其二次开发平台,建立考虑路面材料非线性疲劳损伤的沥青路面结构数值计算模型,分析不同层间接触状态对受损路面结构层底损伤度、结构层底水平正应力、路表弯沉以及对路面结构层疲劳寿命的影响。研究结果表明:随着面层与基层层间摩擦因数的逐步增大,基层层底损伤度逐步增加,底基层层底损伤度逐步减小,且两者逐渐接近;基层层底水平拉应力逐渐减小,底基层逐渐增大;路表弯沉逐渐减小;基层疲劳寿命减小,底基层疲劳寿命增加,且两者逐渐接近。总体来说,良好的层间接触状态能使各结构层充分发挥作用,从而增强结构整体承载能力。