考虑层间接触状态的沥青路面力学分析与评价研究

摘要

沥青路面是由面层、基层、底基层和路基组成的多层体系结构，任意两层之间的接触面可称之为层间界面。我国现有的路面结构设计规范一般假设各层间界面之间处于完全连续状态，通常采用理想的弹性层状体系力学模型。然而，由于路面各层材料本身属性差异、施工先后顺序不同，导致路面结构的层间联结既非完全连续，也非完全光滑，通常是介于这两个极端情况之间。此外，目前在沥青路面评价时，也大多假设沥青路面为完全连续状态，从而导致反算出的模量与实际模量会存在较大差异。对于层间状态的评价也尚无成熟的方法。因此，有必要研究层间接触状况对路面寿命和使用性能的影响，建立考虑接触状况的沥青路面评价方法。　　基于此本文充分考虑路面不同层间接触状况，采用解析法和数值分析方法研究层间接触状态对路面力学响应的影响规律；建立了基于人工神经网络的模量反算和层间状态评价方法；结合实验提出了一种改善层间接触状况的黏层材料。主要研究内容和结论如下：　　基于层状体系理论和积分变换，推导了静力荷载和动力荷载作用下各向同性和横观各向同性层状体在界面完全连续或完全光滑条件时的力学响应解，丰富和发展了传统的层状弹性体系理论。研究发现：层间完全光滑时路面结构的刚度要小于层间连续模型的整体刚度，各项力学参数指标相比层间完全连续时明显下降。此外材料的横观各向同性特性对路面力学响应也有一定影响，横观各向同性系数越小，路面受力情况越不利，其中面层的横观各向同性特性影响程度比基层的要大。当接触状况为完全光滑时路面力学响应对结构材料横观各向同性系数的变化更加敏感。　　利用有限元软件建立了以摩擦系数表征的路面层间接触模型的数值分析方法，近一步研究层间接触条件和材料横观各向特性对路面力学响应的影响规律。研究表明接触状况对沥青路面的力学响应影响很大，接触条件不好导致路面结构的整体强度下降，弯沉、层底拉应力等指标与完全连续时差异明显，大大降低了路面结构的使用寿命。采用摩擦系数模型可以很好地表征路面层间的接触状况，当摩擦系数小于0.4时，层间接触状态较差，各向指标均变化明显。当系数接近1时，层间接触状态较好，各向指标波动不大，大于7时接触状况非常好，接近完全连续状态，在0.4与1之间时，层间接触状态一般。水平力作用会大大提高路面结构内部的剪应力值，并对路面剪应力的分布产生很大影响，而对路面弯沉、面层底部最大拉应变等指标的影响则要小很多。温度对沥青面层的材料性能影响显着，路表面温度过高，导致面层温度呈明显梯度分布，模量大幅降低，在温度和荷载共同作用下容易造成路面车辙和剪切破坏。考虑面层材料的横观各向同性特性，发现随着水平模量与竖向模量比的不断增大，面层材料强度也不断增强，关键力学指标均有所改善。此外，相同路面结构形式时动力响应指标也明显小于静载计算结果，其中基面层间的接触状况比基层与底基层间的接触对路面力学响应的影响更加显着。　　采用有限元软件，建立FWD荷载作用下考虑层间接触条件的路表弯沉样本数据库，通过不断调试训练学习参数建立了最佳BP神经网络反演模型，对路面结构的面层模量、层间接触状况等性能指标进行反算，并结合算例验证了本算法的可行性和精确度。研究发现层间接触状态对路表弯沉影响很大，相同结构形式下静载弯沉明显大于动载弯沉。距离荷载中心越远，层间接触状态的变化对弯沉值的影响也越小，在距离荷载中心1.5m以外，弯沉值受接触状态的影响可以忽略不计。利用BP神经网络对面层模量、层间接触状况进行反算时，采用两种弯沉盆值（包含7个测点分别距离荷载中心0m、0.3m、0.6m、0.9m、1.2m、1.5m和2.1m和5个测点分别距离荷载中心0m、0.3m、0.6m、0.9m、1.2m）及结构层厚度作为输入参数时均可取得满意的结果，其中面层模量反算精度很高，层间摩擦系数的反算精度略低。　　通过实验验证了6％掺量的APAO（无定型—α—聚烯烃AmorphousPolyAlphaOlefin）改性沥青具有优良的高温性能和抗老化能力。然后以抗剪强度为指标，将其和常用的3种黏层材料进行斜剪实验，发现常温下6％掺量的APAO改性沥青作为黏结层具有良好的抗剪性能，尤其在高温和老化条件下，较其它黏层材料的抗剪强度降幅较小，依然可以保持较高的抗剪能力。

目录

声明

第1章 绪论

1.1研究背景及意义

1.2国内外研究现状

1.2.1路面层间接触模型研究现状

1.2.2路面结构层间黏结状态试验研究现状

1.2.3路面层间接触状况力学分析研究现状

1.2.4路面结构参数反演研究现状

1.3本文的主要研究内容

第2章 考虑层间接触的路面结构静力力学行为

2.1各向同性路面解析分析

2.1.1 单层应力和位移分量求解

2.1.2 考虑层间条件的多层层状体系求解

2.2 横观各向同性路面解析分析

2.2.1 单层应力和位移分量求解

2.2.2考虑层间条件的多层层状体系求解

2.2.3数值反演方法

2.3 算例验证及结果分析

2.3.1 算法验证

2.3.2层间接触状态对路面力学行为的影响

2.3.3材料横观各向同性特性对路面力学行为的影响

2.4 本章小结

第3章 考虑层间接触的路面结构动力行为

3.1 各向同性路面解析分析

3.1.1 单层应力和位移分量求解

3.1.2考虑层间条件的多层层状体系求解

3.2横观各向同性路面解析分析

3.2.1 单层应力和位移分量求解

3.2.2考虑层间条件的多层层状体系求解

3.2.3数值反演方法

3.3算例验证及结果分析

3.3.1 算法验证

3.3.2层间接触状态对路面动力响应的影响

3.3.3材料横观各向同性特性对路面动力响应的影响

3.4 本章小结

第4章 运动荷载下考虑层间接触的路面力学行为

4.1 各向同性路面解析分析

4.1.1 单层应力和位移分量求解

4.1.2考虑层间条件的多层层状体系求解

4.2 横观各向同性路面解析分析

4.2.1 单层应力和位移分量求解

4.2.2考虑层间条件的多层层状体系求解

4.2.3数值反演方法

4.3 算例验证及结果分析

4.3.1 算法验证

4.3.2层间接触状态对路面力学行为的影响

4.3.3 分析荷载移动速度对路面力学行为的影响

4.3.4横观各向同性特性对路面力学行为的影响

4.4 本章小结

第5章 考虑层间接触的横观各向同性沥青路面数值分析

5.1竖向载荷下横观各向同性沥青路面结构力学响应分析

5.1.1 横观各向同性沥青路面三维有限元模型

5.1.2有限元分析模型验证.

5.1.3计算结果分析

5.2考虑水平荷载时横观各向同性沥青路面力学响应分析

5.2.1 横观各向同性沥青路面三维有限元模型

5.2.2计算结果分析

5.3 考虑温度分布特性时路面结构力学响应分析

5.3.1梯度有限元模型的建立

5.3.2计算结果分析

5.4 本章小结

第6章 基于FWD的层间接触路面数值分析

6.1 FWD作用下沥青路面层间接触力学响应分析

6.1.1 沥青路面三维有限元模型

6.1.2有限元模型验证.

6.1.3计算结果分析

6.2考虑面层材料横观各向同性特性的沥青路面接触分析

6.2.1横观各向同性沥青路面三维有限元模型

6.2.2计算结果分析

6.2.3 考虑接触状况的横观各向同性路面服务寿命预测分析

6.3本章小结

第7章 基于BP神经网络的路面层间接触状态评价

7.1层间接触条件对各向同性沥青路面弯沉的影响分析

7.1.1 沥青路面三维有限元模型

7.1.2动静载弯沉结果比对

7.1.3弯沉计算结果分析

7.2基于BP神经网络的沥青路面反算模型

7.2.1 BP神经网络基本理论

7.2.2样本数据库的建立

7.2.3反算模型的建立

7.2.4模型误差分析

7.3模型验证

7.4本章小结

第8章 沥青路面黏结层材料试验研究

8.1黏层材料的性能要求

8.2 APAO改性沥青性能研究

8.2.1 试验材料

8.2.2 试验方法及试验结果

8.3 APAO改性沥青抗剪性能研究

8.3.1 试验准备及试验方案

8.3.2 试验结果

8.4 本章小结

结论与展望

参考文献

附录A 攻读学位期间所发表的学术论文目录

附录B 模型校算原始数据表

致谢