瀝青路面結(jié)構(gòu)足尺力學(xué)響應(yīng)實(shí)測(cè)與仿真

張懷志， 任俊達(dá)， 紀(jì)　倫, 王　磊

(1. 高速公路養(yǎng)護(hù)技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(遼寧省交通科學(xué)研究院)， 沈陽(yáng) 110015； 2.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 交通科學(xué)與工程學(xué)院， 哈爾濱 150090； 3.遼寧省交通廳公路管理局， 沈陽(yáng) 110005)

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瀝青路面結(jié)構(gòu)足尺力學(xué)響應(yīng)實(shí)測(cè)與仿真

張懷志1， 任俊達(dá)1， 紀(jì)倫2, 王磊3

(1. 高速公路養(yǎng)護(hù)技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(遼寧省交通科學(xué)研究院)， 沈陽(yáng) 110015； 2.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 交通科學(xué)與工程學(xué)院， 哈爾濱 150090； 3.遼寧省交通廳公路管理局， 沈陽(yáng) 110005)

為探究瀝青路面在荷載作用下力學(xué)響應(yīng)，通過(guò)基于遼寧省瀝青路面足尺加速加載試驗(yàn)，開(kāi)展路面結(jié)構(gòu)力學(xué)仿真方法及力學(xué)響應(yīng)特征研究. 采用光纖光柵傳感器實(shí)測(cè)足尺加速加載路面的面層底部、基層底部和路基頂面的力學(xué)響應(yīng)，利用單軸壓縮動(dòng)態(tài)模量試驗(yàn)獲取瀝青混合料的粘彈性參數(shù)，通過(guò)FWD彎沉盆反算得到基層及土基的彈性模量，利用接觸痕跡得到輪胎的接觸面分布；通過(guò)單軸壓縮動(dòng)態(tài)模量試驗(yàn)及四點(diǎn)彎曲動(dòng)態(tài)模量試驗(yàn)對(duì)傳感器進(jìn)行了標(biāo)定. 在此基礎(chǔ)上，采用有限元軟件ABAQUS建立基于實(shí)測(cè)參數(shù)的路面結(jié)構(gòu)力學(xué)仿真模型，分析路面結(jié)構(gòu)在不同加載位置和速度下的力學(xué)響應(yīng)，并與實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比. 結(jié)果表明：所建立的路面力學(xué)仿真模型能較合理地模擬瀝青層底三向應(yīng)變、半剛性材料層底縱向、橫向應(yīng)變以及土基頂面的壓應(yīng)力. 瀝青混合料粘彈特性導(dǎo)致彈性后效，使力學(xué)響應(yīng)曲線表現(xiàn)出非對(duì)稱特點(diǎn). 隨著溫度的增加和加載速度的減小，瀝青層底三向應(yīng)變、半剛性基層底的水平應(yīng)變以及土基頂面壓應(yīng)力的響應(yīng)幅值增加.

鋪面工程； 加速加載試驗(yàn)； 三維粘彈有限元； 路面力學(xué)響應(yīng)； 仿真模型

路面結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)分析是瀝青路面力學(xué)-經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法的核心. 當(dāng)前我國(guó)瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)力學(xué)分析的理論基礎(chǔ)是靜態(tài)層狀彈性體系，通過(guò)限制路表彎沉、瀝青層底和基層底的彎拉應(yīng)力來(lái)保證路面結(jié)構(gòu)的疲勞壽命[1]. 然而，隨著交通軸載和車輛速度的增加，路面結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特征顯著，導(dǎo)致靜態(tài)層狀彈性力學(xué)分析方法難以解釋新條件下瀝青路面的破壞現(xiàn)象[2-3]. 考慮車輛荷載的動(dòng)態(tài)效應(yīng)進(jìn)行路面結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)分析方法分為兩大類：瞬態(tài)分析和粘彈性分析. 瞬態(tài)分析方法基于瀝青路面層狀彈性體系結(jié)構(gòu)的基本假定以及Hamiton原理，考慮路面結(jié)構(gòu)阻尼的影響. 對(duì)于路面結(jié)構(gòu)中的阻尼，由于其機(jī)理復(fù)雜，通常采用瑞利阻尼假設(shè)，基于經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算阻尼系數(shù)[4-7]. 限于對(duì)阻尼研究的不足，該方法的應(yīng)用仍需進(jìn)一步探討. 對(duì)于粘彈性分析方法，重點(diǎn)考慮瀝青混合料的粘彈特性，忽略結(jié)構(gòu)阻尼和慣性的影響，采用粘彈本構(gòu)關(guān)系，將瀝青混合料的粘彈參數(shù)引入結(jié)構(gòu)分析模型，排除了假定阻尼參數(shù)的影響，更好地反映瀝青混合料的實(shí)際工作狀態(tài)，分析結(jié)果具有較好的合理性[8-11]. 然而，大部分粘彈性分析研究仍停留在定性分析階段，缺乏計(jì)算值與實(shí)測(cè)值的對(duì)比和驗(yàn)證，其結(jié)論具有局限性，難以保證路面力學(xué)響應(yīng)分析的準(zhǔn)確性和可靠性.

為消除分析模型中假定參數(shù)的影響，以遼寧省高速公路典型瀝青路面足尺加速加載試驗(yàn)結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，建立了基于實(shí)測(cè)參數(shù)的三維有限元仿真模型. 采用室內(nèi)試驗(yàn)方法，得到瀝青混合料的粘彈參數(shù)；利用FWD彎沉盆反算得到基層和土基的彈性模量；實(shí)測(cè)了加速加載試驗(yàn)設(shè)備MLS 66加載輪胎接觸面積分布. 采用光纖光柵傳感器，對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)部力學(xué)響應(yīng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè). 通過(guò)計(jì)算值與實(shí)測(cè)值對(duì)比，對(duì)所建立的路面力學(xué)仿真模型進(jìn)行驗(yàn)證；并進(jìn)一步分析了路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部力學(xué)響應(yīng)特點(diǎn)及其受溫度和加載速度的影響.

1　路面結(jié)構(gòu)參數(shù)及力學(xué)響應(yīng)測(cè)量

按照遼寧省典型的高速公路瀝青路面結(jié)構(gòu)形式鋪筑了5 m×40 m加速加載試驗(yàn)段，試驗(yàn)段路面結(jié)構(gòu)為3.5 cm SMA13+6 cm AC20+8 cm AC25+20 cm水泥穩(wěn)定碎石+20 cm水泥穩(wěn)定碎石+15 cm級(jí)配砂礫+土基. 采用MLS 66加速加載試驗(yàn)系統(tǒng)，對(duì)路面進(jìn)行加速加載試驗(yàn). MLS 66具有自行移動(dòng)功能，依靠直線感應(yīng)電機(jī)可實(shí)現(xiàn)較高的加載頻率，最大加載速度為6 000次/h，相當(dāng)于22 km/h的行車速度.

為能獲取路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部的力學(xué)響應(yīng)，在加速加載試驗(yàn)路進(jìn)行了光纖光柵應(yīng)力應(yīng)變傳感器及環(huán)境參數(shù)傳感器的現(xiàn)場(chǎng)埋設(shè)，對(duì)面層和基層底部的三向應(yīng)變及土基頂面壓應(yīng)力進(jìn)行采集，同時(shí)實(shí)時(shí)采集路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫濕度狀況. 傳感器沿加載段中心線布設(shè)，采用雙輪荷載進(jìn)行加載，軸載150 kN. 加載位置包括正載和偏載兩種方案，正載是指荷載單元雙輪中心位置位于傳感器縱斷面正上方；偏載是指荷載單元單輪中心位置位于傳感器縱斷面正上方.

所采用的光纖光柵傳感器模量(一般為50～70 GPa)與瀝青混合料模量(一般為1.0～1.2 GPa)相差較大，高模量傳感器的存在使其附近區(qū)域的應(yīng)力場(chǎng)和應(yīng)變場(chǎng)重新分布，導(dǎo)致其測(cè)定的結(jié)果與真實(shí)值存在差異，而評(píng)價(jià)光纖光柵傳感器與瀝青混合料間協(xié)調(diào)變形性能是解決其在路面中應(yīng)用的前提和基礎(chǔ). 為此專門設(shè)計(jì)了室內(nèi)試驗(yàn)對(duì)傳感器的協(xié)調(diào)變形能力進(jìn)行評(píng)估，如圖1、2所示.

圖1　單軸壓縮動(dòng)態(tài)模量試驗(yàn)

圖2　四點(diǎn)彎曲動(dòng)態(tài)模量試驗(yàn)

在單軸壓縮動(dòng)態(tài)模量試驗(yàn)與四點(diǎn)彎曲動(dòng)態(tài)模量試驗(yàn)的試件中分別埋入光纖光柵傳感器，傳感器布置見(jiàn)圖1、2. 同時(shí)在試驗(yàn)過(guò)程中，利用固定在試件表面的LVDT傳感器，同步記錄試驗(yàn)過(guò)程中試件的變形量，進(jìn)而對(duì)兩種測(cè)試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析. 兩種測(cè)試方法下的部分試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比結(jié)果如圖3、4所示.

圖3　FBG傳感器與LVDT測(cè)試結(jié)果對(duì)比

對(duì)于測(cè)試結(jié)果，采用一個(gè)三角函數(shù)與線性函數(shù)的組合對(duì)變形量與時(shí)間進(jìn)行擬合，得

(1)

式中: y為擬合值；a、ω、φ分別為正弦函數(shù)峰值、角頻率及相位角；b、c分別線性函數(shù)的為斜率、截距.

對(duì)圖3中數(shù)據(jù)，擬合結(jié)果如下：ωFBG=125.4(R2=0.88)， ωLVDT=125.5(R2=0.98). 角頻率的變化表征FBG傳感器同步變形的能力，由數(shù)據(jù)可知，F(xiàn)BG傳感器的變形響應(yīng)基本與LVDT一致，沒(méi)有滯后性.

由圖4分析FBG傳感器變形的線性特征. 良好的線性特性意味著傳感器的協(xié)同變形能力的穩(wěn)定性. 可以看出，在不同的應(yīng)變水平下，F(xiàn)BG傳感器的波長(zhǎng)變化與實(shí)際應(yīng)變保持良好的線性相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)R2=0.99.

圖4　不同應(yīng)變水平下FBG傳感器波長(zhǎng)變化與實(shí)際應(yīng)變對(duì)比Fig.4　Wave length contrast between FBG and real strain of varying strain

由上述分析可以看出，所采用的FBG傳感器可以與瀝青混合料產(chǎn)生良好的協(xié)調(diào)變形，經(jīng)標(biāo)定后，滿足現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的需要. 瀝青混合料是一種具有復(fù)雜粘彈特性的復(fù)合材料，對(duì)瀝青混合料和瀝青路面結(jié)構(gòu)進(jìn)行粘彈性分析可以更客觀地反映其行為特性. 為準(zhǔn)確獲取瀝青混合料粘彈參數(shù)，利用UTM-100材料試驗(yàn)系統(tǒng)，采用應(yīng)力控制方式，分別對(duì)SMA13、AC20、AC25混合料試件施加正弦荷載，測(cè)定其復(fù)數(shù)模量. 根據(jù)時(shí)間-溫度等效原理[12]，確定了3種瀝青混合料的動(dòng)態(tài)模量主曲線(如圖5～7所示)，同時(shí)得到各個(gè)溫度下的時(shí)間-溫度位移因子αT，如圖8所示.

圖5　SMA13動(dòng)態(tài)模量主曲線

圖6　AC20動(dòng)態(tài)模量主曲線

圖7　AC25 動(dòng)態(tài)模量主曲線

圖8　時(shí)間-溫度位移因子與溫度的關(guān)系

根據(jù)Boltzmann疊加原理，粘彈性材料有如下的本構(gòu)關(guān)系為

(2)

式中：E(t)為松弛模量；σ為應(yīng)力；ε為應(yīng)變；t為縮減時(shí)間；τ為積分變量.

利用瀝青混合料不同溫度和荷載頻率下復(fù)數(shù)模量試驗(yàn)結(jié)果，通過(guò)Wiechert模型確定松弛模量[13]. 轉(zhuǎn)換后，可將松弛模量表示為Prony系列，即

(3)

基層及土基彈性模量通過(guò)FWD彎沉盆反算得到. 在加速加載試驗(yàn)段的11個(gè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行了FWD試驗(yàn). 模量反算采用EVERCAL軟件. 在FWD模量反算中，將水穩(wěn)碎石和水穩(wěn)砂礫作為一層(半剛性材料層)，將墊層和土基作為一層. 實(shí)驗(yàn)中得到半剛性材料模量的平均值為1 635.3 MPa，變異系數(shù)為11.2%；土基模量平均值為124.7 MPa，變異系數(shù)為12.7%.

2　有限元仿真模型的建立

基于大型有限元軟件ABAQUS建立仿真模型. 假設(shè)各瀝青混合料層為均質(zhì)、各向同性的粘彈性材料；水穩(wěn)基層及土基為均質(zhì)、各向同性的線彈性材料. 對(duì)于瀝青混合料，利用前面試驗(yàn)得到粘彈力學(xué)參數(shù)；而對(duì)于半剛性材料和土基的模量直接采用FWD模量反演結(jié)果.

輪胎接觸壓強(qiáng)的分布對(duì)路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部力學(xué)響應(yīng)存在顯著影響[14]. 加載輪胎接地面積采用實(shí)際測(cè)定，接地壓力分別為0.69、0.86、0.9、0.86、0.69 MPa. 由于結(jié)構(gòu)和荷載的對(duì)稱性，取1/2結(jié)構(gòu)建立模型. 對(duì)于本研究的問(wèn)題，有限元模型必需足夠大，才能保證得到路面結(jié)構(gòu)內(nèi)不同深度處完整的應(yīng)力波形，并且當(dāng)輪載在路面上移動(dòng)時(shí)，可以消除邊界條件的影響. 通過(guò)試驗(yàn)分析，確定有限元模型在長(zhǎng)度、寬度和深度方向的尺寸分別為8.0、4.0、5.0 m. 采用三維六面體八節(jié)點(diǎn)等參元，將路面結(jié)構(gòu)劃分為47 040個(gè)單元，共51 540個(gè)節(jié)點(diǎn). 各層層間狀態(tài)為完全連續(xù). 除了對(duì)稱邊界條件外，底面和側(cè)面均為法向完全約束. 對(duì)于行車荷載的模擬詳見(jiàn)文獻(xiàn)[15].

3　力學(xué)響應(yīng)實(shí)測(cè)與計(jì)算比較分析

3.1瀝青層底

圖9為不同輪載行駛速度下，正載和偏載作用下瀝青層底豎向應(yīng)變隨時(shí)間的變化規(guī)律. 如圖所示，計(jì)算值與實(shí)測(cè)值表現(xiàn)出了類似的變化趨勢(shì). 當(dāng)輪載從遠(yuǎn)處駛向分析點(diǎn)時(shí)，瀝青層底承受較小的拉應(yīng)變，此時(shí)計(jì)算的拉應(yīng)變稍大于實(shí)測(cè)壓應(yīng)變；隨著輪載進(jìn)一步靠近，拉應(yīng)變轉(zhuǎn)為壓應(yīng)變，并逐漸到達(dá)峰值；而后當(dāng)荷載駛離時(shí)，該點(diǎn)從受拉狀態(tài)快速恢復(fù)至初始狀態(tài). 從上述過(guò)程可以看出，路面在車輛駛過(guò)前后，經(jīng)歷了拉-壓的交替變化，力學(xué)響應(yīng)曲線呈現(xiàn)出顯著的非對(duì)稱性，且拉應(yīng)變相對(duì)于壓應(yīng)變而言是不可忽略的. 計(jì)算的壓應(yīng)變峰值普遍小于或接近實(shí)測(cè)值，不同行駛速度下表現(xiàn)出相同的趨勢(shì).

(a) 正載作用下瀝青層底豎向應(yīng)變

(b) 偏載作用下瀝青層底豎向應(yīng)變

圖10、11為不同輪載行駛速度下瀝青層底縱向應(yīng)變和橫向應(yīng)變的實(shí)測(cè)值和計(jì)算值. 由于在正載工況下，通過(guò)輪隙中心沿行車方面的平面為對(duì)稱面，在對(duì)稱面上橫向應(yīng)變?yōu)?，因此，本研究不進(jìn)行正載下橫向應(yīng)變的分析. 當(dāng)輪載經(jīng)過(guò)路面結(jié)構(gòu)時(shí)，與壓應(yīng)變不同，瀝青層底的水平應(yīng)變會(huì)經(jīng)過(guò)受壓、受拉、再受壓的變化過(guò)程. 對(duì)于縱向應(yīng)變，在輪載駛離過(guò)程中，計(jì)算的壓應(yīng)變大于實(shí)測(cè)值. 對(duì)于橫向應(yīng)變，在輪載趨近過(guò)程中，實(shí)測(cè)壓應(yīng)變大于計(jì)算值.

3.2半剛性材料層底

圖12為水穩(wěn)砂礫層底正載和偏載下縱向應(yīng)變的實(shí)測(cè)值和計(jì)算值，由圖可知，在輪載趨近和駛離過(guò)程中，計(jì)算值和實(shí)測(cè)值很接近，力學(xué)響應(yīng)曲線基本呈現(xiàn)對(duì)稱性，響應(yīng)持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，計(jì)算得到的峰值較實(shí)測(cè)值稍小. 圖13為水穩(wěn)砂礫層底水平橫向應(yīng)變計(jì)算和實(shí)測(cè)的時(shí)程曲線，可以發(fā)現(xiàn)，計(jì)算值和實(shí)測(cè)值不論是峰值還是曲線形狀符合度均較好.

3.3土基頂面

圖14為正載和偏載下土基頂面壓應(yīng)力的實(shí)測(cè)值和計(jì)算值. 由圖可知，計(jì)算值與實(shí)測(cè)值在不同荷載位置和加載速度下均非常接近. 隨著輪載趨近，路基頂面壓應(yīng)力開(kāi)始出現(xiàn)并逐漸增大，加載和卸載階段，其力學(xué)響應(yīng)曲線呈對(duì)稱狀態(tài)，基本不受整體結(jié)構(gòu)粘彈性影響.

(a) 正載作用下瀝青層底縱向應(yīng)變

(b) 偏載作用下瀝青層底縱向應(yīng)變

(a) 偏載作用下瀝青層底橫向應(yīng)變

(b) 偏載作用下瀝青層底橫向應(yīng)變

(a) 正載作用下水穩(wěn)砂礫層底縱向應(yīng)變

(b) 偏載作用下水穩(wěn)砂礫層底縱向應(yīng)變

(c) 正載作用下水穩(wěn)砂礫層底縱向應(yīng)變

(d) 偏載作用下水穩(wěn)砂礫層底縱向應(yīng)變

(a) 偏載作用下水穩(wěn)砂礫層底橫向應(yīng)變

(b)偏載作用下水穩(wěn)砂礫層底橫向應(yīng)變

由上述分析可以看出，所采用的建模方法和參數(shù)可以較好地模擬路面結(jié)構(gòu)在移動(dòng)輪載作用下不同工況路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部的力學(xué)響應(yīng)變化. 就符合程度而言，路基頂面好于半剛性層底好于瀝青層底. 瀝青層底部在一些工況下，理論計(jì)算值和實(shí)測(cè)值存在局部的差異，這些誤差主要是由傳感器的定位精度與埋入材料的協(xié)同變形能力等因素所導(dǎo)致. 瀝青層底的傳感器定位難度較大，與瀝青混合料的協(xié)同變形能力較為復(fù)雜，仍是一個(gè)需要深入研究的技術(shù)問(wèn)題[16]，而路基中土壓力盒的布設(shè)則屬于較為成熟的方法[17]. 總體而言，整體上所建立的力學(xué)仿真模型能夠較好符合實(shí)測(cè)結(jié)果，精度滿足工程要求，可以較為精確地進(jìn)行路面結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)分析.

4　溫度和行車速度對(duì)力學(xué)響應(yīng)的影響

由以上分析可知，利用三維粘彈性有限元可以較好地模擬現(xiàn)場(chǎng)移動(dòng)輪載作用下路面結(jié)構(gòu)內(nèi)的力學(xué)響應(yīng). 本研究中利用該方法分析路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部力學(xué)響應(yīng)隨溫度和行車速度的變化規(guī)律，在分析中采用3個(gè)不同溫度(10、25、40 ℃)和3個(gè)不同行車速度(5、45、90 km/h). 因篇幅限制本文只分析了偏載作用下路面結(jié)構(gòu)層內(nèi)的力學(xué)響應(yīng).

圖15～17為瀝青層底豎向、縱向、橫向應(yīng)變幅值. 可見(jiàn)瀝青層內(nèi)的力學(xué)響應(yīng)受溫度和行車速度的影響很大. 隨著溫度的增加和行車速度的減小，瀝青層三向應(yīng)變幅值增加，并且當(dāng)溫度較高或行車速度較低時(shí)，力學(xué)響應(yīng)效果更加明顯. 在40 ℃時(shí)，當(dāng)行車速度從45 km/h減小到5 km/h時(shí)，豎向應(yīng)變幅值增加了約250%，剪應(yīng)變?cè)黾恿思s125%，水平縱向應(yīng)變?cè)黾恿思s60%，橫向應(yīng)變?cè)黾恿思s195%.

(a) 正載作用下土基頂面壓應(yīng)力

(b) 偏載作用下土基頂面壓應(yīng)力

(c) 正載作用下土基頂面壓應(yīng)力

(d) 偏載作用下土基頂面壓應(yīng)力

圖15　瀝青層底豎向應(yīng)變幅值

圖16　瀝青層底縱向應(yīng)變幅值

圖17　瀝青層底橫向應(yīng)變幅值

圖18、19分別為水穩(wěn)砂礫層底縱向及橫向應(yīng)變幅值隨速度和溫度的變化曲線. 盡管水穩(wěn)砂礫材料沒(méi)有明顯的粘彈性質(zhì)，其力學(xué)參數(shù)受溫度和行車速度的影響很小，但由于溫度和行車速度改變了瀝青層的力學(xué)參數(shù)，因此造成了水穩(wěn)砂礫層底的力學(xué)響應(yīng)的變化. 由圖可見(jiàn)，隨著溫度的增加或行車速度的減小，水穩(wěn)砂礫層底的水平應(yīng)變幅值增加，并且當(dāng)溫度較高或行車速度較低時(shí)，力學(xué)響應(yīng)增加的效果更加明顯. 水穩(wěn)砂礫層底力學(xué)響應(yīng)增加的幅度沒(méi)有瀝青層底的明顯，在40 ℃時(shí)，當(dāng)行車速度從45 km/h減小到5 km/h時(shí)，水平縱向應(yīng)變?cè)黾恿思s20%，橫向應(yīng)變?cè)黾恿思s10%.

圖18　水穩(wěn)砂礫層底縱向應(yīng)變幅值Fig.18　Longitudinal strain amplitude of water stabilized gravel bottom

圖19　水穩(wěn)砂礫層底橫向應(yīng)變幅值

Fig.19Transverse strain amplitude of water stabilized gravel bottom

圖20為土基頂面壓應(yīng)力隨溫度和行車速度的變化，可見(jiàn)與水穩(wěn)砂礫層底的情況類似，由于瀝青層材料參數(shù)隨溫度和行車速度而變，土基頂面壓應(yīng)力隨著溫度增加或行車速度減小而增加，但增加的幅度較瀝青層底力學(xué)響應(yīng)不明顯.

圖20　土基頂面壓應(yīng)力幅值

5　結(jié)　論

1)通過(guò)遼寧省瀝青路面足尺加速加載試驗(yàn)，對(duì)路面結(jié)構(gòu)力學(xué)仿真方法和內(nèi)部力學(xué)特性進(jìn)行研究，排除了假定參數(shù)的影響，利用實(shí)測(cè)參數(shù)建立路面結(jié)構(gòu)力學(xué)仿真模型. 所建立的模型能夠較好地模擬路面結(jié)構(gòu)不同位置處的力學(xué)響應(yīng)，與光纖光柵傳感器實(shí)測(cè)結(jié)果較為符合，可以用來(lái)進(jìn)行路面結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)的仿真分析.

2)計(jì)算值和實(shí)測(cè)值對(duì)比表明：在行車荷載作用下，瀝青層底豎向受力呈現(xiàn)拉壓交替變化；瀝青層底水平受力為壓—拉—壓變化；半剛性基層層底以受拉為主；土基頂面承受壓力作用. 由于荷載隨深度擴(kuò)散，隨著結(jié)構(gòu)深度的增加，力學(xué)響應(yīng)曲線的持續(xù)時(shí)間增加.

3)瀝青混合料粘彈特性導(dǎo)致的彈性后效使得瀝青層的力學(xué)響應(yīng)呈現(xiàn)非對(duì)稱分布特點(diǎn)；而基層和路基處于彈性狀態(tài)，其力學(xué)響應(yīng)曲線形狀不受瀝青層粘彈性的影響，但峰值隨加載速度的減小而增大.

4)路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部力學(xué)響應(yīng)受溫度和加載速度的影響較大. 隨著溫度的增加和加載速度的減小，瀝青層三向應(yīng)變、半剛性基層底的水平應(yīng)變以及土基頂面壓應(yīng)力的響應(yīng)幅值增加，并且當(dāng)溫度較高或加載速度較低時(shí)，力學(xué)響應(yīng)增加的效果更加明顯.

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(編輯魏希柱)

Mechanical response measurement and simulation of full scale asphalt pavement

ZHANG Huaizhi1，REN Junda1，JI Lun2，WANG Lei3

(1. Key Laboratory of Expressway Maintenance Technology Ministry of Communications, PRC(Transportation Research Institute of Liaoning Province), Shenyang 110015, China; 2. School of Transportation Science and Engineering, Harbin Institute of Technology,Harbin 150090, China; 3.Liaoning Provincial Department of Transportation Highway Administration, Shenyang 110005, China)

In order to explore the mechanical response of asphalt pavement under the vehicle load, researches on the mechanical simulation method and the characteristics of internal mechanical response of asphalt pavement were conducted based on the full-scale accelerated test of asphalt pavement in Liaoning, China. Fiber bragg grating sensors were utilized to measure the mechanical response of the surface course bottom, the base course bottom and the top surface of the subgrade respectively. Viscoelastic parameters of asphalt mixtures were obtained through uniaxial compression dynamic modulus testing. Elasticity moduli of the base and subgrade were back-calculated through the FWD deflection basin. The distribution of the contact surface between the tires and the pavement surface was also measured. The sensors were calibrated through uniaxial compression dynamic modulus and four-point bending dynamic modulus testing. Based on the measured input data, a mechanical simulation model of the pavement structure was developed with the finite element software, ABAQUS, in order to analyze the mechanical response of pavement structure under different loading positions and speeds, then a subsequent comparison was made between the measured and calculated mechanical response data. The results indicate that the developed model can reasonably simulate the three-dimensional responses of the asphalt layer, the longitudinal and lateral response of the bottom of semi-rigid base, as well as the compressive stress on the subgrade surface. The viscoelastic property of the asphalt mixture induces the elastic aftereffect which leads to the asymmetry of the mechanical response curve. Amplitudes of the asphalt layer three-dimensional responses, horizontal responses of the bottom layer of the semi-rigid base and compressive stresses of the subgrade surface are all raised with the increase of temperature and the decrease of loading speed.

pavement engineering; accelerated pavement testing; viscoelastic three-dimensional finite element; pavement mechanical response; simulation model

10.11918/j.issn.0367-6234.2016.09.008

2014-11-18

遼寧省交通科技項(xiàng)目(201507)

張懷志(1982—)，男，博士，高級(jí)工程師

任俊達(dá)，renjunda89@163.com.

U414.1

A

0367-6234(2016)09-0041-08