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原文传递沥青路面非线性黏弹力学分析方法及车道荷载效应研究

论文题名：	沥青路面非线性黏弹力学分析方法及车道荷载效应研究
关键词：	沥青路面;车道荷载;非线性黏弹;竖向变形;力学分析
摘要：	力学-经验法是沥青路面结构设计最主要的设计方法，研究路面力学体系与分析方法是其核心问题。大多数国家和地区的公路沥青路面结构设计是以双圆均布垂直荷载下的层状弹性体系力学作为路面结构的力学模型，并且在沥青路面结构时只考虑单车道荷载的影响。然而，众多研究结论表明汽车轮胎接地压力并非呈圆形均布垂直荷载形式，且沥青混合料在环境温度作用下尤其是在高温条件下表现出黏弹/非线性黏弹性质，同时在结构分析中应考虑大交通量或交通拥挤的车道荷载效应。鉴于此，本文开展了非轴对称荷载下层状弹性体系力学响应、沥青混合料非线性黏弹及车道荷载效应等方面的研究。　　通过分析国内外关于轮胎接地压力的研究，提出采用椭圆抛物面荷载作为非轴对称荷载形式。基于非轴对称荷载下层状弹性体系理论解，完成了多层弹性体系理论解的求解，并编写了相应的计算程序（ASYLAYER），采用弹性半空间体计算程序及结构层的划分，分析了多层体系计算程序的准确性。选取沥青路面典型结构，对比圆形均布垂直荷载，研究了非轴对称荷载对沥青路面路表竖向位移、Top-down疲劳开裂、沥青层永久变形及基层疲劳性能的影响。　　针对层状弹性体系表面处力学响应计算效率低的问题，分析了非轴对称荷载下表面处各个位置力学响应的计算效率。根据非轴对称荷载层状弹性体系理论解积分核形式，将解分成有理数（前半部分RP）和振荡函数（后半部分RL）两个部分，分别研究其随着自变量振荡衰减情况。应用表面余项理论提出非轴对称荷载表面点力学响应计算方法，采用ASYLAYER计算程序验证了计算方法的准确性及其计算效率。针对近表面位置处力学响应计算效率低的问题，通过近表面点力学响应的计算结果，提出距表面0.02cm深度范围内定为近表面区域，采用表面点力学响应替代近表面点力学响应，提高整个路面结构力学响应的计算效率。　　针对沥青混合料非线性黏弹问题，选用SMA-13、AC-20和ATB-25沥青混合料开展不同荷载下沥青混合料的蠕变试验，并采用Prony级数和幂率函数建立三种沥青混合料的蠕变模型。针对沥青混合料松弛模量与蠕变柔量转换计算方法，提出应用Laplace数值逆变换方法进行参数换算，对比Gauss积分法的松弛模量计算结果，分析了所提出方法的计算精度和效率。分别采用Schapery、Findley和多重积分本构研究沥青混合料非线性黏弹性质，应用拟合度分析本构的适用性，提出采用Schapery本构作为沥青混合料非线性黏弹本构。　　利用层状弹性体系理论及多圆荷载叠加计算方法，研究了车道荷载影响范围及其对沥青路面使用性能（路表弯沉、Top-down疲劳开裂和永久变形）的影响。针对沥青混合料非线性黏弹性质及行驶荷载特点，提出了考虑考虑行驶荷载及沥青混合料非线性黏弹理论的路面力学分析方法。基于此分析方法开发的力学计算程序，分析了单车道非轴对称荷载及多车道荷载对沥青路面结构竖向变形影响，确定非轴对称荷载及车道荷载对路面竖向变形的影响率，提出了沥青路面结构竖向变形修正计算公式。　　以上研究完成了非轴对称荷载下层状弹性体系力学响应理论解及程序计算，建立了沥青混合料非线性黏弹本构，分析了沥青路面结构车道荷载效应，研究成果为公路沥青路面结构设计提供了依据及参考。
作者：	陈松强
专业：	交通运输工程
导师：	冯德成
授予学位：	博士
授予学位单位：	哈尔滨工业大学
学位年度：	2020