沥青混合料位移场测定与流动性车辙分析

论文摘要

近年来，由于夏季持续高温、重载、渠化交通等影响，沥青路面早期车辙现象日益严重。据调查，当前沥青路面的车辙类型主要以轮迹部位下凹、车辙两侧反而向上隆起的流动性车辙，而且这种比例还在增加。为减少以中下面层为主的车辙，加强中面层的对策使得上面层又出现隆起现象。本文首先分析了沥青混合料(HMA)永久变形室内评价方法特点以及沥青路面车辙预估的研究现状，指出了目前HMA室内试验变形测量手段的局限性，以及偏于竖向变形的理论法不适应HMA剪切流动变形的评价。通过对不同受力状态下HMA试验位移场测定与沥青路面流动性车辙分析，本文主要进行了以下研究工作并取得了有益的结论：(1)文中介绍了沥青混合料试样变形的数字图像测量系统，系统的软硬件组成，系统的测量精度及误差分析，提出了相应的消除或减小误差的方法。在测量系统的正常使用条件下，测量精度可以达到理论精度，满足试样变形高精度测量的要求。(2)进行了HMA间接拉伸试验、马歇尔试验及单轴压缩试验位移场的测定与分析。试样的侧向变形较竖向变形更加敏感有效的反映了HMA变形局部化的启动及发展，以及HMA在不同受力状态下，从初始压密、弹性压缩到塑性膨胀的不同变形阶段，并提出了沥青混合料侧向变形评价指标。(3)通过对间接拉伸试验中，不同温度下沥青混合料泊松比的测定与分析，得出HMA泊松比的变化规律：低温、小荷载作用时，材料泊松比随荷载的变化较为稳定，可以视为一个常数；高温、大荷载作用时，HMA泊松比变成温度和应力状态的函数；在某些加载条件下，HMA泊松比甚至超过了0.5。(4)为分析当前较多流动性车辙产生的成因，基于沥青混合料位移场的测定与分析结果，建立了沥青路面三维有限元模型，扩大沥青混合料泊松比的分析范围，考虑沥青路面结构形式变化以及不同沥青结构层组合的影响，以沥青层的侧向(横向)位移为评价指标，分析了不同影响因素组合下沥青上、中、下三层的横向位移发展趋势。沥青路面的侧向(横向)位移流动发展趋势反映了不同材料侧向阻抗和不同沥青层结构组合条件下流动性车辙产生的条件和界限。同时对侧向位移法与剪切理论法进行了理论和试验验证，两者在预估沥青路面剪切变形时具有一致性。(5)基于剪切理论的路面力学分析和基于侧向位移法的沥青层横向位移发展趋势分析均表明，上中面层的结构组合对路面结构横向位移、结构剪应力、结构剪应变分布影响较大。强调加强中面层，忽略上中面层的协调组合，会导致上面层应力集中。从考虑上面层不出现侧向失稳流动变形趋势及减小沥青路面结构剪应变来看，给出了上中面层模量组合的较佳范围，并提出了沥青结构层协调组合设计的理念。(6)将变形数字图像测量系统替代传统的位移传感器采集系统，应用于间接拉伸试验，提高了间接拉伸试验的工程使用效果和使用范围；简化了沥青结构层芯样分层变形的量测，补充了路面芯样力学评价指标体系；改善了马歇尔试验用于评价沥青混合料高温稳定性的精度和评价效果。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 背景
• 1.1.1 车辙是高速公路沥青路面当前最主要的早期损害现象
• 1.1.2 当前我国沥青路面中的几大难点问题
• 1.1.3 提高沥青路面抗辙能力的不同认识
• 1.1.4 解决提出的新问题，需求新方法与新理念
• 1.2 国内外相关领域的研究动态
• 1.2.1 HMA高温稳定性能评价的试验研究
• 1.2.2 沥青路面车辙预估研究现状
• 1.2.3 目前沥青路面车辙预估和评价方法中存在的问题
• 1.2.4 沥青混合料细观实验力学研究
• 1.3 研究方法和技术路线
• 1.4 研究内容及意义
• 1.4.1 研究内容
• 1.4.2 研究意义
• 2 沥青混合料试样变形的数字图像测量技术
• 2.1 沥青混合料试样变形量测的常规方法
• 2.1.1 间接拉伸试验
• 2.1.2 马歇尔试验
• 2.1.3 单轴压缩试验
• 2.1.4 小梁弯曲试验
• 2.2 HMA试样变形数字图像测量系统的介绍
• 2.2.1 亚像素角点检测基本原理
• 2.2.2 系统硬件组成
• 2.2.3 系统软件介绍
• 2.2.4 系统测量精度分析
• 2.2.5 测量系统的误差分析与修正
• 2.3 沥青混合料试样变形的测量与位移场计算
• 2.3.1 轴向变形与径向变形的测量
• 2.3.2 局部变形的测量
• 2.3.3 基于数字图像测量结果的位移场计算
• 2.4 变形数字图像测量系统与传统测量方法的比较
• 2.4.1 测量精度与量程比较
• 2.4.2 测量结果比较
• 2.5 小结
• 3 HMA位移场的测定与分析
• 3.1 概述
• 3.2 间接拉伸试验位移场的测定与分析
• 3.2.1 间接拉伸试验位移场的测定与分析
• 3.2.2 不同温度下HMA的应力—应变特性
• 3.2.3 沥青混合料侧向变形评价指标的提出
• 3.2.4 沥青混合料泊松比随加载过程的变化
• 3.2.5 小结
• 3.3 马歇尔试验位移场的测定与分析
• 3.3.1 概述
• 3.3.2 有限元分析位移场
• 3.3.3 马歇尔试验位移场的测定
• 3.3.4 形变系数的提出
• 3.4 单轴压缩试验位移场的测定与分析
• 3.4.1 试验材料与准备
• 3.4.2 端部约束对试样变形的影响
• 3.4.3 单轴压缩试验位移场分析
• 3.4.4 基于压缩试样位移场测定的泊松比研究
• 3.5 小结
• 4 沥青层流动性车辙的有限元分析
• 4.1 HMA泊松比的弹塑性分析
• 4.1.1 材料的塑性泊松比和弹塑性泊松比
• 4.1.2 材料的粘弹性泊松比
• 4.1.3 沥青混合料的泊松比分析
• 4.2 流动性车辙的有限元分析
• 4.2.1 沥青路面三维有限元模型建立
• 4.2.2 路面结构位移随泊松比的变化
• 4.2.3 基于侧向位移法的流动性车辙分析方法
• 4.3 侧向位移法与剪切理论法的相互验证
• 4.3.1 泊松比对结构剪应力的影响
• 4.3.2 侧向位移法与剪切理论法的相互验证
• 4.3.4 单轴贯入试验侧向位移场的测定与分析
• 4.4 沥青混合料试样变形的全过程分析
• 4.4.1 沥青混合料分阶段变形预估模型
• 4.4.2 室内试验HMA试样永久变形的全过程分析
• 4.4.3 分阶段研究HMA变形规律的必要性与可行性
• 4.5 小结
• 5 关于工程应用
• 5.1 沥青路面抗辙的协调组合设计
• 5.1.1 背景
• 5.1.2 基于剪切理论分析的沥青层结构组合设计
• 5.1.3 基于侧向位移法的沥青路面结构组合设计
• 5.1.4 减小流动性车辙产生的对策
• 5.2 位移场测定在HMA使用性能评价中的应用
• 5.2.1 在沥青结构层芯样车辙评价方法中的应用
• 5.2.2 在间接拉伸试验中的应用
• 5.2.3 马歇尔试验评价指标的补充
• 5.3 小结
• 6. 结论与展望
• 6.1 本文结论
• 6.2 需进一步解决的问题
• 参考文献
• 创新点摘要
• 攻读博士学位期间发表学术论文情况
• 致谢