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原文传递基于RIOHTRACK足尺环道的半刚性基层沥青路面动力响应特性及结构优化

论文题名：	基于RIOHTRACK足尺环道的半刚性基层沥青路面动力响应特性及结构优化
关键词：	半刚性基层沥青路面;RIOHTRACK足尺环道;非线性粘弹性;有限元模拟;多目标优化;疲劳寿命
摘要：	为了提高中国路面结构的使用寿命，交通运输部公路科学研究院（ResearchInstituteofHighway，简称RIOH）建立了一条名为"RIOHTRACK足尺试验环道"，长达2.038公里的足尺路面试验平台，从而获取实际道路动力响应试验数据，用以验证、更新和优化当前中国路面结构和材料的设计方法。足尺试验所获得的环道在各种荷载和环境条件下的响应能够准确地体现现场条件（尺寸、材料、环境和交通荷载的影响）并克服理论分析的局限性。但是，为了进一步研究路面结构的力学和结构行为，还需要一个可以计算路面结构中任意位置动力响应的数值计算工具。这种力学和经验性相结合的路面设计方法意在更好地理解沥青路面的力学和结构行为，以便将来设计出更耐用的路面结构。因此，为了更好地理解沥青路面的力学和结构行为，提升路面结构耐久性，需要应用力学和经验相结合的数值模拟技术进一步研究路面结构的力学和结构行为。　　本研究将RIOHTRACK足尺试验环道的实际测试与数值分析方法相结合，选取了可以抵抗各种半刚性路面的损伤的具有特殊功能和结构的四种路面结构，探究了四种半刚性沥青路面结构的力学响应分布规律。本文分析了它们的厚度组合，并根据每层的力学响应和功能需求评价了各路面中每层结构的合理性，定义了最不利力学响应特性及其在路面中的相对位置，确定了路面力学响应的合理范围，用以改善路面结构的性能。基于RIOHTRACK环道结构功能一体化设计理念，优化了沥青路面不同结构层的设计参数，包括沥青层，水稳基层、底基层的厚度组合和模量参数等。　　为此，本研究首先简要介绍了RIOHTRACK足尺试验环道的概况，以及实验路面的结构-功能信息、现场程序和最先进的数据采集系统。详细介绍了实验结构的沥青混凝土和稳定水泥层的材料特性，以及设计特性和施工技术要求。基于此，评估了在可控载重车辆作用下的四种经典半刚性基层沥青路面结构的力学行为。　　对沥青混凝土的力学性能进行了分析。采用适当的试验方法确定了沥青材料的主要力学特性。根据室内动态模量和蠕变恢复试验的结果，得出了沥青混凝土结构层的应力、时间和温度相关粘弹性特性等输入参数，总结了ABAQUS有限元程序中Schapery非线性粘弹性材料模型数值积分的递推迭代算法及实现路径。该材料模型被用来分析不同的沥青混合料在不同的应力和温度水平下进行蠕变恢复试验的行为，分析并评价了所开发的非线性材料子程序代码UMAT的鲁棒性。　　在此基础上，为准确模拟RIOHTRACK足尺试验环道中的四个传统半刚性路面，建立了一个足尺非线性粘弹性三维有限元路面模型。该模型首先考虑了实验室和现场确定的路面层材料的力学和热物理特性。为了模拟真实胎-路加载状态，考虑了在外部条件下加载车辆每个轮胎的复杂应力状态及分别对路面的影响。同时，为获取路面系统中的非线性温度梯度，开发了用户子程序FILM和DFLUX，并将其集成至模型。子程序DLOAD和UTRACLOAD的开发在主程序中引入了可控加载车轴距信息、现场测量的轮胎印记、非均匀三维轮胎-路面接触压力及其空间分布等重要信息。利用RIOHTRACK环道现场路面结构的实测动态响应，成功地评估了全尺寸粘弹性三维有限元路面模型的热响应、热荷载和动荷载组合响应的准确性。　　基于上述开发的足尺非线性粘弹性三维有限元路面模型，深入分析了四种典型半刚性沥青路面结构内部力学参数的空间分布并进行参数化研究，从而深入研究其影响因素的敏感性，如界面粘结条件、路面温度梯度、轴载和温度梯度的耦合效应、速度、重量和轴载以及轮载对关键位置的力学响应等耦合效应与路面结构深度关系。研究了各影响因素的影响程度及耦合效应下对路面结构的最不利影响，进而提出基于各影响因素的路面结构最不利响应预估模型。通过比较4+10+2cm和4+6+8cm沥青层组合的常规半刚性路面结构的力学响应，评价了各路面结构层采用的结构和功能设计参数的有效性及其结构组合和材料的适用性。　　利用有限元分析结果和适当的经验传递函数，评估了每个常规半刚性沥青路面在交通荷载重复作用导致结构开裂和结构变形的性能。根据导致结构开裂（疲劳开裂）和结构变形（车辙）的交通荷载重复次数，对每种常规半刚性沥青路面的性能进行了分析。其中，结构设计参数的影响因素包括沥青混凝土层，半刚性基层和水泥处置路基的厚度及厚度组合，以及用于基层、底基层和路基的水泥稳定材料的设计模量和模量组合。对每种半刚性沥青路面结构的性能进行了详细的分析。此外，根据全因子实验设计（DOE），基于数值模拟数据构造了数学模型，进行了满意度函数分析，进而提升沥青混凝土的疲劳寿命，以防止自上而下、自中间或下而上的疲劳开裂；提升半刚性基层的疲劳寿命，以避免弯曲疲劳；以及提升沥青混凝土层抗车辙能力，以减少永久变形。　　本研究的主要结果如下：（1）动态响应的分布、关键力学参数的位置和大小、以及路面的结构性能不仅与不同层的厚度和材料相关，更重要的是取决于它们的结构组合形式。（2）在所研究的四种常规半刚性沥青路面结构的沥青混凝土基层底部，当承受全尺寸装载卡车时，压缩应变明显大于残余拉伸应变；沥青混凝土基层底部的最大拉应变向半刚性基层底部的最大拉应变位置偏移，同时半刚性沥青路面结构中受力最不利的层位可以确定是沥青表层、中面层和半刚性底基层。（3）通过分析结构层的性能分布特性可知，与采用4+6+8cm沥青层组合的半刚性路面结构相比，采用4+10+2cm沥青层组合的半刚性路面结构更合理。（4）非线性温度梯度在力学模型中经常被忽略，但却是准确预估路面结构层应力和应变分布的关键参数。高温环境、车辆低速或超载等因素会对路面结构的力学参数和使用寿命产生不利影响；此外，改善路面结构层间接触条件有利于提高路面结构的整体性能。　　本文的研究成果对于指导路面结构的科学设计和分析，以及建造耐久性半刚性路面结构具有重要的理论意义和实际应用价值。
作者：	ASSOGBA OGOUBI CYRIAQUE(阿索格)
专业：	道路与铁道工程
导师：	谭忆秋
授予学位：	博士
授予学位单位：	哈尔滨工业大学
学位年度：	2021