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原文传递沥青路面车辙分析的非线性理论和方法

论文题名：	沥青路面车辙分析的非线性理论和方法
关键词：	沥青路面;非线性分析;预估公式;沥青混凝土路面;塑性本构模型;永久变形;计算;粘弹性有限元法;沥青混合料;实验;弹塑性;有限元程序;材料常数;影响因素;塑性模型;本构关系;粘弹性本构方程;线性粘弹性理论;线性和非线性;设计
摘要：	车辙是沥青混凝土路面的破坏形式之一，它主要是由于沥青混合料级配设计不合理、稳定性差或由于基层及面层施工时压密度不够，使轮迹带处的面层和基层材料在行车荷载反复作用下出现固结变形和侧向剪切而产生的。随着高等级公路的迅速发展，研究沥青混凝土路面的车辙问题就显得尤为重要。由于其研究涉及大量非线性固体力学理论而成为路面工程研究的难点之一。沥青路面车辙的研究主要存在以下问题：目前发展的非线性粘弹性理论仍不能很好地表现沥青路面的车辙特性；已做的实验还难以满足对沥青路面车辙分析的需要，特别是缺乏对沥青路面车辙影响因素的系统的实验研究；数值方法研究方面，相应的有限元分析结果与实验结果有较大差异；对沥青路面车辙的预估，已有的预估方法多数是建立在应变分析的基础上，还缺乏基于材料性质的直接预估方法；目前沥青路面车辙的研究成果，还很少应用到路面的设计。所以，在沥青路面车辙研究方面还需要进行大量的深入的研究工作。本文首先对沥青路面产生车辙的机理和影响车辙的因素进行了详细研究；对评价沥青路面车辙的各种指标进行了对比，指出了各种指标的优点和缺点。根据沥青路面永久变形的特性，本文提出了一种新的沥青路面车辙分析的非线性粘弹—弹塑性模型的本构关系。该模型是由广义的Maxwell模型串联一个弹塑性模型组成，可以体现沥青混凝土材料的非线性弹性、塑性、粘弹性、非线性粘弹性对沥青路面车辙的影响，可较为全面地反映沥青路面永久变形的特性。对广义的Maxwell模型从蠕变的角度详细推导了其线性和非线性粘弹性本构方程。本文对现有的沥青混凝土路面永久变形的各种实验方法的优缺点进行了总结和评述，提出了与上述本构关系相对应的材料常数的确定方法，结合SHRP的实验结果给出了本文算例所采用的材料常数。本文推导了基于本文所建立的广义的Maxwell模型的非线性粘弹性有限元法，形成了沥青路面车辙分析的非线性粘弹—弹塑性有限元法，并编制了相应的三维有限元程序。该程序可对沥青路面车辙进行较为全面的计算。利用本文编制的沥青路面车辙非线性分析的有限元程序，对SWK/UN所做实验的16种沥青混合料进行了计算，并与SHRP计算结果及SWK/UN实验结果进行了对比和分析，指出了非线性分析对沥青路面车辙研究的重要性。本文的计算结果明显优于SHRP的计算结果，与SWK/UN实验结果相吻合，说明了本文提出的沥青路面车辙分析的非线性粘弹—弹塑性本构模型是有效的。本文通过有限元计算和理论分析，讨论了沥青路面车辙的主要影响因素与车辙深度的关系，建立了沥青路面车辙的预估公式。通过与16种沥青混合料车辙的计算和实验结果比较，确定了该预估公式中的常数c。运用该预估公式对半刚性基层沥青路面的车辙进行了计算，所得的结果和实测值基本吻合，说明了该预估公式是有效的。最后对该预估公式的适用性进行了讨论。本文的预估公式可根据材料特性直接预估车辙深度。本文在沥青路面车辙分析方面所做的从非线性理论、数值分析到预估公式等一系列创新性研究，将促进沥青路面车辙的研究和发展，也为沥青路面设计考虑车辙因素提供相应的理论和方法。关键词：沥青路面，车辙，永久变形，蠕变，广义的Maxwell模型，非线性粘弹—弹塑性本构模型，有限元法，预估公式
作者：	彭妙娟
专业：	道路与铁路工程
导师：	许志鸿
授予学位：	博士
授予学位单位：	同济大学交通运输工程学院
学位年度：	2005
正文语种：	中文