沥青路面温度-水力-应力多场耦合非线性系统动力学行为研究

The early damage of highway asphalt pavement has become the focus of attention with the increasing high-speed and heavy industrialization development of traffic engineering. Engineering practice indicates, the coupling induction of thermal, hydraulic, mechanical field is objective existence in the asphalt pavement structure, and the coupling induction has a direct impact on the stability of pavement structure. Through the analysis of nonlinear viscoelastic properties of asphalt mixture and environmental factors, the fatigue property and reasons for rutting formation are explored. The dynamic behavior of asphalt pavement structure under thermal, hydraulic, and mechanical load is analysed, based on the temperature field nonlinear model and moisture penetration model under conditions of daily cycle. Using the thermodynamics, fluid dynamics, viscoelastic mechanics and nonlinear dynamics methods, the thermal-hydraulic-mechanical multi-physical coupled nonlinear mathematical model is constructed, the constitutive relationship and numerical simulation method of asphalt pavement structure deformation under multi-physical coupling action is explored. Combined with field experiment, the dynamic response of asphalt pavement structure is revealed under vehicle load and environmental factors. The research achievements is of great significance to elucidate the asphalt pavement structure damage characteristics and mechanism, and also lay a foundation for the healthy operation and safety management of asphalt pavement highway.

随着交通工程日益向高速和重型化快速发展，高速公路的沥青路面早期破坏成为了人们关注的重点。工程实践表明，沥青路面结构体中温度场、水分场及应力场耦合效应是客观存在的，其耦合效应直接影响了路面结构体的稳定性。本课题通过对沥青混合料的非线性黏弹性力学特性和环境因素的分析，探索沥青路面的疲劳特性和车辙形成原因；基于日周期条件下路面结构体温度场非线性模型和水分渗透模型，对温度荷载、水力荷载、应力荷载下沥青路面结构体的动力学行为进行分析；利用热力学、流体动力学、黏弹性力学及非线性动力学等方法，构建温度-水力-应力多物理场耦合非线性数学模型，探索多场耦合作用下沥青路面结构体变形破坏的本构关系和数值模拟方法；结合现场实验验证，揭示车辆载荷和自然环境共同作用下的沥青路面结构体动力响应规律，对阐明沥青路面结构体的破坏特征和机理具有重要意义，为沥青路面高速公路健康运行、安全管理奠定了基础。

随着交通工程日益向高速和重型化快速发展，高速公路的沥青路面早期破坏成为了人们关注的重点。工程实践表明，沥青路面结构体中温度场、水分场及应力场耦合效应是客观存在的，其耦合效应直接影响了路面结构体稳定性。本项目开展了行车动载与环境因素共同作用下，高速公路沥青路面动力学特性与破坏机理的系统研究，具体内容如下：采用Burgers模型建立沥青路面粘弹性本构方程，给出了荷载加载方式，建立了沥青路面ABAQUS有限元模型。分析了降雨入渗条件下的沥青路面孔隙水压力、饱和度和竖向沉降云图，推导了应力场与渗流场耦合的有限元平衡方程，给出了应力—渗流耦合作用下不同结构层的竖向位移、纵向应力、横向应力、竖向应力、剪应力和孔隙水压力曲线，并与单应力场进行对比，发现在路面内有水的情况下，面层更容易产生压密变形，基层更容易因受拉而产生裂缝。建立了周期条件下路面温度场模型，给出了温度场分布云图、各结构层温度场和温度应力时程曲线，探讨了面层厚度对温度场和温度应力的影响，并对应力-温度耦合情况下的三向应力、剪应力和竖向位移进行了分析。建立了温度－渗流－应力场沥青路面非线性控制方程，通过对三向应力、剪应力等的分析发现，在水和温度共同作用下，底基层受力变化不大，但沥青面层和上基层的剪应力比单独应力场作用下有了较大增加，尤其是在碎石层，增加幅度更大，说明在夏季高温多雨季节，较大的剪切作用会形成车辙和裂缝，影响路面正常使用。基于ABAQUS建立了沥青路面疲劳裂缝和车辙模型，给出了疲劳寿命和蠕变时程曲线，分析了接地压力和温度对车辙的影响。利用项目组在大广（大庆至广州）高速公路深州段修建的试验段进行了现场测试，该试验段在路面结构施工时，将动压力盒、动态应变计、分层沉降仪、温湿度计、渗压计等各类传感器埋设于路面结构中，通过现场测试提供的实测数据验证了上述模型模拟的有效性。项目研究揭示了车辆载荷和自然环境共同作用下的沥青路面结构体动力响应规律，对阐明沥青路面结构体的破坏特征和机理具有重要意义，对今后的沥青路面设计和运营管理具有重要的理论价值和现实意义。