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原文传递动载与水耦合作用下透水沥青混合料路用性能时程规律研究

论文题名：	动载与水耦合作用下透水沥青混合料路用性能时程规律研究
关键词：	透水沥青混合料;路用性能;动载与水耦合作用;离散单元法;疲劳损伤模拟
摘要：	透水沥青混合料路面OGFC(OpenGradedFrictionCourse)是一种以粗骨料嵌挤而成的环保型路面材料，具有排水、降噪、抗滑等特点。然而，在实际使用过程中，OGFC路面暴露出了耐久性和长期路用性能下降等问题，其中动载与水耦合作用是关键原因。因此，系统研究OGFC在动载与水耦合作用下的破坏时程规律，探索相应破坏机制，提升路用性能，对充分发挥透水沥青路面在海绵城市建设中的作用具有重要意义。本文依托重庆市教育委员会科学技术项目《动载与水耦合作用下OGFC路面疲劳裂变研究》（KJQN201804001），采用试验研究、数值模拟和理论分析相结合的研究方法，探索动载与水耦合作用下透水沥青混合料路用性能时程规律。主要研究内容和结论如下　　（1）基于拐点法确定透水沥青混合料的最佳油石比并用自制渗透系数测试仪测定透水沥青混合料定的渗透系数。通过185℃和恒温1小时析漏试验，得到沥青混合料的析漏率，利用幂函数得到析漏和油石比的拟合曲线，最后采用曲线“拐点法”确定了OGFC试样的最佳沥青油石比；采用真空密封法测试OGFC试样的毛体积相对密度；在最佳油石比和最佳矿料级配下对OGFC的路用性能进行评价，得到了满足技术规范要求的OGFC试样；设计并制作了恒水头透水沥青混合料的渗透系数测试仪，通过试验得到了恒水头法测定OGFC试样的渗透系数，且其恒水头高度宜在40～50cm之间。　　（2）研究集料—沥青—集料之间蠕变损伤并建立相应的损伤模型。通过富余沥青在155℃恒温20min左右，得到类似粗集料表面上的沥青膜厚度，分别把附着沥青膜的直径21mm和38mm两种岩石芯样各自粘结在一起，以50mm/s速度测试两岩石芯样间的直径拉伸强度和剪切强度。运用电液伺服万能试验机（UTM-100）进行岩石芯样-沥青-岩石芯样间的直接拉伸蠕变试验，得出芯样料-沥青-芯样间静态蠕变变形与时间呈幂函数关系，且拉伸蠕变变形与时间和荷载大小有关。在此基础上，通过不同应力比的直接拉伸蠕变试验，建立集料-沥青-集料间蠕变损伤模型，为建立透水沥青混合料路面离散元法模拟平行粘结应力-侵蚀模型提供依据。　　（3）研究基于加速加载试验的透水沥青混合料性能指标时程变化规律。室内铺筑了长2.93m×宽1.10m×厚0.04m的OGFC透水沥青混合料试验路面，通过三分之一足尺加速加载试验系统（MMLS3）、无核密度仪、车辙测试仪和便携式面波仪，经过加速加载试验，测试OGFC路面的毛体积密度、车辙和弹性模量，得到透水沥青混合料路面性能时程变化规律。结果表明，OGFC试验路的毛体积密度受加速加载次数影响显著；透水沥青混合料路面在0～8万次疲劳加载区间，车辙变化幅度较大，8万次疲劳加载以后，车辙变化幅度较小，车辙呈线性变化。在点200处的弹性模量先增大后减小，在5000次加速加载时，弹性模量达到最大值；在中线0上，透水沥青混合料路面毛体积相对密度整体变大；在左右线200上，毛体积相对密度整体变小。　　（4）基于自制非达西渗流渗透仪研究透水沥青混合料的渗透性能。搭建渗流场-应力场耦合试验平台，测试透水沥青混合料试样的空隙率、渗透性能与单轴重复压缩次数相互关系；通过真空密封法，测试透水沥青混合料试样的总空隙率和有效空隙率；设计并制作非达西渗流渗透仪，测试透水沥青混合料试样的渗透性能。结果表明：在相同损伤因子条件下，受渗流场-应力场耦合作用试样的单轴重复压缩次数60万次，小于仅有应力场作用下试样的单轴重复压缩次数200万次；总空隙率21%时，在非渗流场下单轴重复压缩次数是渗流场-应力场耦合下的单轴重复压缩次数的2倍；有效空隙率17.5%时，非渗流场作用下单轴重复压缩次数是渗流场-应力场耦合作用下单轴重复压缩次数的3.9倍；在相同渗透系数和水传导系数下，渗流场对单轴重复压缩次数有较大影响，并随单轴重复压缩次数增大；渗透系数为500m/s时，非渗流场作用下单轴重复压缩次数是渗流场-应力场耦合作用下单轴重复压缩次数的1~2倍。　　（5）开展水传导系数与荷载以及裂隙渗透系数与裂隙间距的关系研究。利用准牛顿法(BFGS)+通用全局优化法，对水传导系数、荷载和单轴重复压缩次数进行拟合，得到渗流场-应力场耦合作用下水传导系数随荷载和单轴重复压缩次数的关系方程。设计并制作平行裂隙恒水头渗透系数测试装置。通过集料（带有沥青膜）-集料间裂隙渗流试验，建立了裂隙渗透系数与裂隙间距之间的关系方程。　　（6）开展基于离散单元法PFC2D的透水沥青混合料路面动态响应时程规律研究。利用离散单元法PFC2D，编写了渗流场-应力场耦合作用下疲劳损伤模型fish语言命令流，建立了二维离散元的OGFC模型，研究透水沥青混合料空隙变形产生的超孔隙水压力，以及超孔隙水压力与车辆荷载相互耦合作用对透水沥青混合料疲劳损伤的影响，并得到透水沥青混合料路面动态力学性能。结果表明，随着时间增加，超孔隙水压力增大了OGFC透水沥青混合料层底的压应变和压应力，同时超孔隙水压力的最大值变大，最小值变小，平均值减小。碾压轮在路面上驶过时，超孔隙水压力不断发生正-负交替变化。
作者：	张兴梅
专业：	交通运输工程;道路与铁道工程
导师：	吴国雄
授予学位：	博士
授予学位单位：	重庆交通大学
学位年度：	2022