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原文传递水分因素对南方地区沥青路面力学响应的影响研究

论文题名：	水分因素对南方地区沥青路面力学响应的影响研究
关键词：	沥青路面;力学响应;水气浓度场;疲劳开裂;有限元模拟
摘要：	沥青路面在服役过程中出现的一系列水损害现象表明，水这一因素十分重要。对江西这类南方地区而言，路面结构基本不受冰冻因素影响，所以水分因素主要包括水气和液态水。目前考虑水分因素的研究大多集中于材料层面，而针对结构响应计算的研究中，仅考虑了液态水的影响。因此为全面分析水分因素对路面结构响应的影响，本文从水气浓度场模型建立出发，在得到路面结构实际水气分布基础上，进一步建立水气与混合料黏弹性参数间的关系，并利用有限元语言实现该过程，然后模拟实际非均匀水气浓度场影响下的路面结构有限元模型。在此基础上，考虑降雨条件造成的液态水饱和路面，建立同时考虑液态水、水气影响的沥青路面结构有限元模型，进而量化液态水、水气的影响。主要研究内容及其结论如下。　　为明确路面结构水气分布情况，需建立路面结构非均匀水气浓度场有限元模型。本文结合平衡水气浓度场的研究目的选取穿透型水气扩散为水气运动类型，设计穿透型水气扩散试验测量面层各层混合料不同温度下的水气扩散系数。将本研究项目所在地宜春最热天的温度、环境水气浓度循环加载建立路面结构水气浓度场，发现除上面层外，其余位置基本处于相对恒定的水气浓度中。将上述温度、水气浓度场导出用于后续建模。　　在建立水气浓度场的基础上，为将水气浓度场与路面结构响应计算联系起来，首先需获取不同水气浓度下混合料的黏弹性参数，然后建立考虑水气的黏弹性参数转换方法并利用有限元语言在模拟中实现该过程。本研究设计水气浓度养生试验测量混合料在不同水气浓度养生6个月后的动态模量。对比发现混合料水气浓度对混合料低频、高温状态下的动态模量影响较大，且影响程度中AC-13C＞AC-20C＞AC-25C混合料。在此基础上，利用广义西格摩德模型和联合移位因子将不同水气浓度下的统一到20℃、0.35g/m3水气浓度下的主曲线中，三个级配拟合优度均在0.9500以上，表明该理论准确有效。　　为转换成有限元所需参数，本文利用黏弹性参数转换方法，将三个级配沥青混合料20℃、0.35g/m3主曲线中动态模量参数转为松弛模量的Prony级数形式。同时针对联合移位因子，本文借助ABAQUS中UTRS子程序编写自定义语句实现考虑水气浓度的移位因子有限化，最终实现考虑水气的黏弹性参数有限元化。为验证该方法正确性设计虚拟动态模量试验，并将有限元计算结果与试验结果对比，拟合优度达0.9997，表明该方法准确有效。　　基于上述研究成果，进一步建立路面结构有限元模型。从对路面结构的影响方式及程度出发，本文将水气看作长期作用，主要影响材料参数；液态水看作短期作用，主要通过有效应力原理改变应力状态。然后本文首先建立了考虑水气的路面结构模型来分析水气的影响。计算分析发现，在夏季最热天这类环境中，水气造成的模量衰减效应很明显。水气造成的面层模量衰减对路面结构上面层影响最大，轮下位置水平拉应变增大110.68%，加大了上面层开裂的风险；同时水气使得面层可承担应力减小，转由基层承担。进一步借助《公路沥青路面设计规范》（JTGD50-2017）中的疲劳寿命计算公式量化面层疲劳寿命，考虑实际非均匀水气场使得疲劳寿命降低12.246%。表明目前常规方法在计算疲劳寿命时高估了路面结构的抗疲劳能力。　　在此基础上，进一步探究液态水的影响。借助渗流理论在上述模型中加入液态水的影响，表征降雨导致路面结构饱和渗流状态下的力学响应。计算分析发现，液态水主要影响基层竖向应力，增加了基层承担的荷载。但更为严重的是液态水的作用会产生孔隙水压力主要作用于面层，且孔隙水压力为压力、吸力交替变化；最大值出现在车轮下方的上面层处，沿路面深度方向依次递减。这表明液态水产生的孔隙水压力会使得面层沥青与集料发生剥离，产生水损害现象。　　综上所述，本研究的分析计算可从结构响应角度推断水损害现象出现的原因。即水气造成的混合料模量衰减会导致面层的水平应变增大，夏季炎热环境上面层受影响最为严重，增大了疲劳开裂的概率。而随着降雨导致的液态水参与，面层产生交替孔隙水压力导致沥青集料剥落，最终表现为一系列的水损害现象。因此针对南方多雨地区，必须在路面结构设计中充分考虑水分因素的影响，提升材料模量抵抗水气衰减的能力，进而提高路面抗水损害性能和疲劳寿命。
作者：	房晓斌
专业：	道路与铁道工程
导师：	Robert L.Lytton
授予学位：	硕士
授予学位单位：	武汉理工大学
学位年度：	2022