【博士】基于FWD的半刚性基层沥青路面模量参数反演及校正方法研究【2009】

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内容简介

　　学科专业：道路与铁道工程　　授予学位：博士　　学位授予单位：同济大学交通运输工程学院　　学位年度： 2009年　　随着落锤式弯沉仪(FWD)检测设备的逐渐普及，路面结构参数(模量)的反分析问题已经成为了路面结构性能评价中最为关键的技术之一。当前，世界各国对之进行了深入研究，一些代表性的研究成果已在国内外工程中得到广泛应用。然而，已有路面结构层模量参数的反演理论和方法基本上是以多层弹性连续体系模型和拟静力分析方法为基础，忽略了FWD测试荷载的动力效应以及层间非连续的接触行为，且针对模量参数反演结果缺乏系统有效的校正分析方法，进而导致反演结果难以客观地表征路面各结构层的实际性能状况，上述问题在我国高等级公路常用的半刚性基层沥青路面更显突出，这极大阻碍了FWD测试技术在我国的推广和应用。　　本文在回顾总结国内外已有研究成果基础上，通过资料调研、理论与数值分析、室内外试验等技术手段，遵循“模量反演理论基础-模量反演分析-反演结果校正-工程应用(承载能力评价)”的研究主线，以沪宁高速(上海段)拓宽工程为依托，对基于FWD测试技术的半刚性基层沥青路面模量参数反演及校正分析方法进行了深入系统研究，并对模量参数在路面结构承载能力评价中的有效应用进行了系统分析，主要研究成果包括以下几个方面：　　(1)基于半刚性基层沥青路面力学响应分析的有限元模型，探讨了其在动静FWD荷载作用下的力学响应规律，以及沥青面层与半刚性基层层间接触状况对路面结构动力响应的影响，揭示了进行结构层模量参数反演应充分考虑测试荷载的动力效应以及层间实际接触状况的必要性。同时通过对比分析完好与裂缝破损路面结构的路表动态弯沉盆分布规律的差异，提出了可用于结构层模量反演分析的有效弯沉盆测试数据的筛选方法，消除了变异性FwD测试弯沉数据对反演结果的影响，进而为利用FWD测试技术，进行半刚性基层沥青路面模量参数反演奠定了基础。　　(2)针对我国高等级半刚性基层沥青路面的常用组合形式及结构层参数取值范围，利用已建立的路面结构动力响应分析的有限元模型，构建了弯沉盆参数指标与各结构层模量的对应数据库，并在进行两者之间相关性分析基础之上，分别利用多元线性回归分析和BP神经网络方法，建立了结构层模量反演分析模型。工程实践应用表明所建的两种模型能够有效、可靠地反演半刚性基层沥青路面的各结构层模量，相比而言，回归模型具有概念清楚、形式简单、便于工程应用的优点：BP神经网络模型由于考虑到了结构层模量反演分析中的多变量、强耦合、非线性等特点，进而理论弯沉盆与实测弯沉盆之间的拟合度较高。　　(3)由于模量反演分析模型与路面实际工作状态存在偏差(如受力特征、温度湿度条件、层间接触状态、结构层材料非线性等)，导致基于理论模型的反演结果难以客观反映既有路基路面实际性能状况，为此从温度、层间接触状态以及应力-湿度耦合状态三个角度，分别提出了面层模量、基层模量以及路基模量反演结果的校正方法，进而为准确评价既有路基路面各结构层的性能状况提供了依据。　　(4)以模量参数的校正分析结果为基础，充分考虑到半刚性基层三阶段的性能演化规律及沥青面层与基层模量的疲劳衰变规律，以应力应变为控制指标，提出了半刚性基层沥青路面剩余寿命预估的改进方法。依托工程分析表明，相比于传统结构承载能力评价方法，改进方法充分考虑了各结构层的性能状况，预估结果更为合理可靠，且为最大限度地利用老路结构残值提供了依据。　　本文研究成果为进一步推广FVFD测试技术在半刚性基层沥青路面结构性能评价中的广泛应用，提供了理论和实践依据，进而为公路改扩建工程合理制定路基路面利用与处治对策，提供了技术保障。　　

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