基于模式识别的在役沥青路面结构性能解析与演化模型

The evolution of pavement structural performance could be divided into a fatigue accumulation stage and a distress propagation stage. The existing deflection parameter indexes and backcalculated modulus could not precisely characterize pavement structural performance at the distress propagation stage. This makes it very difficult to establish a precise structural performance evolution model of in-service asphalt pavement. In this project, abundant spatial structural performance information of in-service asphalt pavement could be collected through the improvement of falling weight deflectometer (FWD). And based on pattern recognition theory, the structural performance analytical method and evolution model for in-service asphalt pavement would be studied. Firstly, fatigue accumulation stage and distress propagation stage would be recognized scientifically. Then, dynamic modulus backcalculation method based on deflection bowl key points and distress mode analytical method based on pattern recognition would be used for the structural performance analysis and characterization of the two stage, respectively. Finally, based on long-term monitoring data of typical expressway, modulus attenuation model and distress mode evolution model would be established and validated. This project is of great significance for supplementing existing asphalt pavement design method and improving the rationality of road maintenance and rehabilitation design.

在役沥青路面结构会经历疲劳累加和损坏扩展两个阶段，现有的弯沉指标和反演模量难以精确表征损坏扩展阶段的结构性能，使得在役沥青路面结构性能演化模型难以准确建立。本项目通过改进落锤式弯沉仪采集方式，获得更为丰富的在役路面的空间结构性能信息，基于模式识别理论研究在役沥青路面结构性能解析和演化模型。首先对疲劳累加阶段和损坏扩展阶段进行科学识别；接着分别通过基于弯沉盆关键节点进行的模量动力反演法和采用模式识别进行的损坏形态解析法对两阶段的结构性能进行合理解析和表征；最后，基于典型高速公路长期监测数据，创建动态模量疲劳衰减模型和损坏形态演化模型并进行实地验证。本项目对改进现有沥青路面结构设计方法，提高道路养护维修设计的科学性有重要意义。

沥青路面结构损伤诱因复杂，损伤形态和特征多种多样，结构状况难以准确.掌握。路面结构性能的演化总体上可分为“疲劳累加”和“损坏扩展”两个阶段。在.损坏扩展阶段，弯沉指标法和基于“等效模量”的反演法只能对路面损坏形态进行.定性判断，无法对路面的复杂结构状况进行精细化分析与评价。.本研究首先选定试验段调查路面结构破损状况，提出有损沥青路面的弯沉盆数据采集方法；接着，在实测弯沉盆数据基础上，结合三维有限元仿真，建立并验证落锤式弯沉仪动荷载下各损伤模式的路面有限元模型；基于实测和有限元计算弯沉盆数据，建立不同损伤模式下的弯沉盆数据库；然后，提出基于模式识别的有损沥青路面损伤模式解析方法；对于疲劳累加阶段的路面结构，建立了疲劳累加阶段结构层模量分步动力反演方法；对于损坏扩展阶段的路面结构，利用模式识别深入解析该阶段的各种代表性损坏形态。最后，建立疲劳累加阶段结构层模量衰减模型和损坏扩展阶段损坏形态演化模型。.研究表明目前采用宽度作为评价半刚性基层路面裂缝严重程度的标准可能.会造成更多的养护维修经费用于应对自上而下开裂而非对结构影响更大的反射.裂缝，应将裂缝宽度和裂缝类型都作为裂缝评价指标。.对于疲劳累加阶段路面，研究中实测弯沉值的误差与三维动力有限元模型误差可以控制在3μm 左右。对于横向开裂路面，模型计算值与实测值的误差不超过实测值的 9%。.提出半刚性基层路面上横向裂缝类型的快速识别方法。裂缝检测时应将FWD 的 S300 和 S600 置于裂缝两侧，使用裂缝传荷系数 LTE区分裂缝类别。当 LTE在 57.9~60.2 %可认为是反射裂缝，在 81.6~88.5 % 为温缩裂缝。.基于K 近邻法建立了考虑五种 FWD 加载方式，三种弯沉盆特征集的横向裂缝结构损伤的模式识别模型，当采用建议的加载方式和特征集作为K 近邻法的输入时识别准确率达 88.9%。.以三维动力有限元模型作为力学前算程序，构建了适合于工程应用的模量分步动力自动反演方法，结果表明该方法反演准确性和稳定性优于两种传统反算程序。