基于路表实测温度的路面温度场估计模型

从路面温度变化具有周期性为出发点建立了根据路表温度推算路面结构任一深度温度与自路表至某一深度的层平均温度的估算模型,并通过引入深度传导时间τz以消除路面材料导温系数不同引起的差异.根据广州、宁波、大同三地的路面结构温度场观测站为期1年的路面温度实测数据,以模型估算温度与实测温度之残差的标准差最小为控制目标,确定了模型中4个待定参数即短时间温度变化的时长t1、基线温度变化的时长t2、短时温度变幅的衰减系数k1、基线温度变幅的衰减系数k2的回归式.拟合结果表明,广州、宁波、大同三地的2种路面(沥青路面、水泥混凝土路面)不同深度温度及自路表至某一深度的层平均温度的模型估计值与实测值之残差的标准差仅1℃左右,最大不超过1.52℃,残差均值小于0.5℃.因此,预估公式具有较好的精度与普适性.     

沥青路面温度场的预估方法

为了快速、准确地获取沥青路面温度场变化,开展了温度场预估方法研究.首先借助有限元方法建立了沥青路面温度场计算模型;然后分析了大气温度、日太阳辐射量等气象因素对沥青面层温度场的影响规律,得到了路面最高温度与大气温度、日太阳辐射量之间的关系式,在此基础上建立了路面内部任一深度处最高温度与路面最高温度相关关系的图表和公式;最后依据沥青路面温度场的日变化特点,以余弦函数方式建立了路面内不同深度处随时间变化的温度函数模型,结果显示:温度场预估值与计算值误差控制在0.5℃之内,完全满足工程使用的要求.因此,利用该模型可实现白天时段的沥青路面温度场预估,通过简单程序即可快速实现,且具有较高的精度.     

基于拉普拉斯变换的路面一维时变温度场预测

提出了一种基于拉普拉斯变换及高斯积分法数值反演的预测多层路面结构体系的一维时变温度场解析方法.采用热传导方程建立自然环境下路面结构的一维时变温度场数学模型,应用基于最小二乘近似的内插三角函数多项式拟合一定周期内的气温和太阳辐射强度,据此确定路表边界条件;利用高斯积分公式进行拉普拉斯数值反演,可以很容易地得出一维时变路面结构温度场的解析解;通过与旧水泥路面加铺沥青层路面结构夏季和冬季实测温度场数据的对比验证,发现预测的各路面深度处温度和实测温度的最大偏差在3℃以下,表明利用文中模型预测路面结构温度场的精度非常高.     

AC+CRCP复合式路面温度场有限元分析

根据传热学原理,利用有限元方法分析了AC CRCP复合式路面的瞬态温度场.共考虑了3种路表与外界热交换的形式:太阳辐射、空气对流换热和空气辐射换热.计算结果与实测值的平均误差为2.0℃,并表现出明显的规律性:随着深度增加,温度、温度梯度、变温速率都会出现变化幅度减小、变化相位滞后的现象;而日温差随深度增加而减小情况可用指数函数来模拟.利用所建模型分析了复合式路面的温度场,结果表明:路表温度主要取决路表与外界环境的热交换;相同天气情况下路面表层材料对太阳辐射吸收率的不同是导致路表温度不同的主要原因;沥青层的临界厚度仅与沥青混合料的导热能力有关.     

甘肃渭源地区实测冬季沥青路面温度场预估模型研究

甘肃省沥青路面冬季易出现低温开裂与凝冰现象,严重影响冬季沥青路面的使用性能和安全.根据甘肃渭源地区冬季现场实测的气象数据和路面结构内部温度,研究沥青路面低温温度场的分布规律;利用统计方法对影响沥青路面温度场的环境因素进行相关性分析,确定气温与辐射对沥青路面结构内部温度影响的累积和滞后时间;基于多因素逐步回归分析,提出适用于该地区的冬季沥青路面温度场预估模型.结果表明,随着路面深度的增加,路面结构内部温度呈现减小的趋势,气温和太阳辐射强度对路面结构内部温度累积和滞后影响越来越显著;将时间与路面深度作为误差修正因素引入沥青路面温度场预估模型中,可准确预估冬季沥青路面温度场的变化.     

热夹层条件下沥青路面温度梯度分布特征研究

为探讨热夹层条件下沥青路面温度梯度变化与外界环境因素之间的相关关系,采用三维有限元数值计算方法,分析了不同热夹层条件、路表环境温度及对流系数下沥青路面结构温度场的空间分布规律,构建了外界环境参数、热夹层温度与热稳态路表温度的对应数据库,并基于多元线性回归分析方法,建立了沥青路面热夹层温度预估分析模型.结果表明:无热夹层条件下道路表面环境温度是影响路表热稳态温度的主要因素,对流系数的变化对沥青路面温度场空间分布几乎没有影响;有热夹层条件下路表热稳态温度随路表环境温度的下降而降低,且对流系数的增大对路表热稳态温度的下降速度有推动作用;所构建的沥青路面热夹层温度预估模型具有高度显著性,模型系数的置信概率较高,热夹层温度预测值与理论值之间误差较小,模型精度良好.研究成果为低温地区结冰路面热夹层温度控制提供了理论依据.     

季节性冻土地区沥青路面温度场的预估模型

为了准确掌握沥青路面温度场的分布特点和变化规律,在季节性冻土地区观测某段道路实测温度两年多时间,分析全年路段的温度变化情况,以及夏季和冬季全天具体的实测温度;并在此基础上,结合气象资料,分析温度场差异的原因以及影响因素。对沥青路面温度场进行研究,采取回归分析的方法,引入气温、太阳辐射等因素,建立路表的预估模型。考虑道路不同深度处的温度,引入深度衰减因子;并考虑时间的影响,建立全年日平均温度模型。将实验数据与预估数据比较表明:该模型具有较好的精确性与实用性。     

长大纵坡沥青路面车辆动载响应黏弹性分析

为研究车辆载荷作用下长大上坡沥青路面的动力响应规律,以东风EQ1108G6D13车辆作为代表车型,通过上坡车辆载荷计算模型以及研究路面的黏弹性本构关系在有限元分析中的实现,建立路面的三维瞬态黏弹性有限元模型,并进行非线性求解,分析坡度、载荷大小和环境温度变化时的动力响应规律,并根据仿真分析结果,进行动力响应现场实测试验.结果表明:随着坡度的增加,动力响应增加的幅度很小;动力响应随载荷和温度的增加有明显的增加,增加幅度较大,尤其在高温时增加幅度很大;对于所研究的路面结构,纵向剪应变最大值出现在路表下方5 cm附近,横向剪应变最大值出现在路表下方5~17 cm处.因此,中面层最易遭到剪切破坏,应提高其抗剪切能力.仿真数据与试验实测数据误差基本在20%以内,表明该模型能较好的模拟爬坡车辆作用下沥青路面的动力响应.     

基于非均布荷载的柔性基层沥青路面纵向开裂分析

为研究柔性基层沥青路面纵向裂缝的产生机理和发展规律,实测了子午线货车轮胎在不同轴重和胎压下的接地印迹与应力。借助实测的子午线轮胎接地面积和简化的非均布轮载应力,建立了轮胎-路面非均布条形荷载力学计算模型,对不同沥青层厚度的柔性基层沥青路面结构进行了三维有限元分析,计算超载和设计轴载工况下2种路面结构最大拉应力和最大剪应力值及其发生位置,并依托级配碎石基层沥青路面足尺试验路进行了加速加载破坏试验,得到了中低温环境下沥青层开裂类型、发生位置和发展变化规律,提出以轮胎胎纹间隙处的最大剪应力作为沥青路面自顶向下开裂的力学指标;基于力学分析指标和足尺试验路疲劳破坏作用次数,构建沥青路面自顶向下疲劳开裂预估模型。研究结果表明:柔性基层沥青路面最大拉应力远离轮迹带,其应力值远小于沥青混合料的容许拉应力,对沥青层自顶向下扩展的纵向开裂无影响;最大剪应力发生在路表或距路表一定深度范围内,轴载越大,最大剪应力越接近路表,水平力越大,最大剪应力越靠近轮底中心;当轮载水平力系数由0增加至0.5时,最大剪应力由轮底边缘移至子午线轮胎第2条凸纹与第3条凸纹间隙处。足尺试验路重轴载加速加载破坏试验时,柔性基层沥青路面最先发生了位于轮底中心、源自路表自顶向下扩展的间断纵向裂缝,随重复轮载作用纵向裂缝逐渐连通,裂缝的扩展方向与轮胎胎纹走向一致,印证了纵向开裂源于轮底轮胎胎纹间隙处的理论分析结果,明晰了柔性基层沥青路面自顶向下开裂的关键破坏源。     

利用BP神经网络反算沥青路面结构层弹性模量的研究

 基于层状弹性理论,利用BP神经网络预测沥青路面结构层弹性模量。根据常用的路面结构形式,基于层状弹性理论构建路表弯沉值与结构层参数之间的数据库,并以此数据库建立沥青路面结构层弹性模量BP神经网络预测模型。对理论及实测弯沉盆进行结构层弹性模量预测效果检验,并对比分析计算弯沉盆与实测弯沉盆拟合程度。分析表明,建立的沥青路面结构层弹性模量BP神经网络模型具有较好的预测精度,为准确、快速地评价沥青路面结构层的使用状况提供了参考。     

甘肃陇南沥青路面高温温度场预估模型研究

为建立甘肃陇南地区沥青路面高温温度场预估模型,选取陇南地区兰海高速典型路段,利用采集的实测沥青路面结构温度数据对陇南沥青路面温度场的分布规律进行研究,并采用回归分析方法分析了气温、太阳辐射强度和湿度等影响因素与路面温度的相关性,建立了以温度、湿度、太阳辐射强度和路面深度为主要参数的沥青路面高温温度场预估模型.研究结果表明:气温和湿度随着时间呈正弦变化,气温和太阳辐射强度对路面结构温度影响呈正相关,湿度对路面结构温度的影响呈负相关;气温和太阳辐射强度对路面结构温度有累积性和滞后性的特点,且随着路面深度的增加;由三种沥青路面温度场预估模型的模拟结果与站点采集的实测值对比分析可知,本研究建立的沥青路面高温温度场预估模型与路面结构温度有较高的相关性,能较好模拟陇南地区沥青路面高温温度场,为陇南地区沥青路面车辙防治工作提供技术支撑.     

雨天公路水膜厚度模型验证及行车安全性分析

针对雨天行车道路表面产生水膜,易使车辆打滑发生交通事故的问题,采用人工模拟降雨试验,获得了水泥混凝土路表水膜厚度回归方程,验证了国内外现有水膜厚度计算模型。结果表明：路表水膜厚度随降雨强度和排水长度的增大而增大,随路面坡度的增大而减小;相同条件下,水泥混凝土路表水膜厚度值高于沥青路面水膜厚度值,其原因主要是水泥混凝土的亲水性导致路表水分子流动阻力增大,水分子积聚增多,使水膜厚度增大。对西安地区不同暴雨重现期下高速公路水膜厚度值进行计算,结果表明在五年重现期暴雨强度1.954 mm?min-1下,路表水膜厚度值不超过滑水速度发生时的临界水膜厚度值2.35mm,设计时速80 km.h-1可保证雨天行车安全。     

考虑蠕变固结的高温沥青路面响应仿真

为研究行车载荷和高温作用下沥青路面的变形演化规律,通过对沥青混合料高温粘弹性特性和行车载荷对路面作用的分析,提出采用修正Burgers模型作为沥青混合料的本构模型,对双轮标准轴载作用下高速公路沥青路面的应力场和变形场进行有限元分析.研究结果表明:路表竖向位移增加最快,沥青混合料发生了流变;面层内部水平应力变化剧烈,底基层底面水平拉应力最大;最大剪应力出现在轮迹两边的面层内部,影响范围主要集中在路面结构层内,沥青混合料发生应力松弛现象;竖向最大应力出现在路表轮迹处,轮迹下方区域内压应力呈衰减趋势分布,面层是产生路面车辙的主要区域.     

荒漠地区耐久性沥青路面结构设计指标与路面结构力学分析

通过分析荒漠地区恶劣自然环境下的重荷载交通沥青路面使用状况,采用有限元分析,提出了采用路面性能指数PCI、路表面弯沉与路面车辙作为路面结构的设计指标;得出了荒漠地区耐久性沥青路面结构受力分布.结果表明:不同轴载作用下路表最大竖向变形与轴载近似成线性关系,随着轴载的增大,最大竖向变形逐渐增大;路表最大拉应力以轮轴线呈现对称分布;路面结构层内的剪应力随着深度增加而增大,在距路表5 cm处剪应力达到峰值.研究成果可为荒漠地区耐久性沥青路面选材与结构设计提供科学的理论支撑与技术指导.     

沥青路面温度场分布规律研究

以沥青路面路表的实测温度为基础,拟合路表温度随时间的动态变化曲线,通过数值计算得到沥青路面结构内部温度场的分布规律。通过温度场的分布规律得知路面结构内部温度梯度最大值的位置和时间,为温度应力的分析工作奠定基础。     

雨天公路水膜厚度模型验证及行车安全性

针对雨天行车道路表面产生水膜,易使车辆打滑发生交通事故的问题,采用人工模拟降雨试验,获得了水泥混凝土路表水膜厚度回归方程,验证了国内外现有水膜厚度计算模型。结果表明:路表水膜厚度随降雨强度和排水长度的增大而增大,随路面坡度的增大而减小;相同条件下,水泥混凝土路表水膜厚度值高于沥青路面水膜厚度值,其原因主要是水泥混凝土的亲水性导致路表水分子流动阻力增大,水分子积聚增多,使水膜厚度增大。对西安地区不同暴雨重现期下高速公路水膜厚度值进行计算,结果表明在五年重现期暴雨强度1.954 mm·min~(-1)下,路表水膜厚度值不超过滑水速度发生时的临界水膜厚度值2.35 mm,设计时速80 km·h~(-1)可保证雨天行车安全。     

路面结构层温度特征值的估计

基于宁波、大同、广州三地的路面结构温度测站及江苏镇凓高速公路、山东济莱高速公路的现场温度测站超过1年的路面温度数据,从研究路面结构温度日较差、日平均温度和温度正较差之比的基本特征和相互关系着手总结了它们随路面深度的衰减规律并给出了回归式,通过引入"广义"深度坐标z/槡α(z为距离路表深度,α为材料导温系数)消除了路面材料不同引起的差异,提出了用路表温度特征值估计路面结构层任一深度日温度特征值的方法和公式,并推广至任一深度日温度特征值已知的场合,最后利用LTPP(LongTerm Pavement Performance)项目中01-0101(State code-SHRP ID)试验段的数据对模型进行验证.结果表明:本文提出方法和公式在估计路面结构不同深度的日最高温度、日最低温度时具有良好精度,其偏差的均方值不超过2.0℃,偏差的平均值小于0.6℃,可满足工程要求.     

沥青混合料抗压模量温度修正系数研究

大量的试验数据表明,某一温度下沥青混合料的抗压模量同基准温度(20 ℃)下抗压模量的比值(温度修正系数)与温度之间呈线性比例关系.通过收集我国194个气象观测站点50年的日平均气温资料,根据壳牌沥青路面设计方法,考虑不同地区日气温变化情况和沥青粘滞度性质,采用克里金插值法绘制出全国年有效温度分布图;同时考虑路面温度随深度方向上的变化,绘制出全国沥青混合料温度修正系数分布图,以该系数修正不同地区抗压模量的取值.     

沥青路面温度场分布规律与理论经验预估模型

为预估自然环境下沥青路面温度场,基于传热学原理确定路面温度场的主要影响因素,设计现场试验分析路面温度场分布规律,采用量纲分析结合选取修正系数的方法建立路面温度场的理论-经验预估模型.利用本文模型对海南省沥青路面温度场进行预估,并对影响路面温度场的自然因素进行分析.研究结果表明:用当月(7月份)参数对当月(7月份)路面温度进行预估时,本文预估模型在路面不同深度处的平均相对误差不大于5％,将当月(7月份)参数推广到其他月份(8月份、12月份、1月份)时,本文预估模型在路面不同深度处的平均相对误差不大于10％.最大相对误差一般出现在低温时段,高温时段预估精度相对较高;气温是影响全天路面温度的主要因素,太阳辐射是影响高温时段路面温度的主要因素,风速对路面温度的影响不能忽略.     

沥青路面力学响应影响因素敏感性分析

以修正的Burgers模型作为沥青混合料本构模型,通过有限元软件分析了荷载大小、加载方式以及面层材料对路表竖向位移、底基层底面水平应力、面层内剪应力以及路表轮迹处竖向应力的影响.结果表明:荷载大小为影响沥青路面应力场和变形场的最主要因素,胎压1.0MPa较0.7MPa的作用效果增大40%,随着荷载的继续增大作用效果将继续增大;沥青路面的主要承重部分为基层以下的结构体,面层材料的类型和力学参数对沥青混凝土路面力学响应影响相对较小.该研究可以为沥青路面的优化设计与力学分析提供一定的理论指导.