三維譜單元及其在路面檢測中的應(yīng)用和路面材料本構(gòu)模型研究.pdf

1、在現(xiàn)今的道路路面工程中,FWD (Falling Weight Deflectometer) 路面動力無損檢測和路面路基材料的試驗檢測是路面檢測的兩個重要內(nèi)容.FWD是近年來流行的先進的無損檢測設(shè)備,由于能很好地模擬行車荷載對路面的作用,因而比起其它靜態(tài)檢測技術(shù)具有明顯優(yōu)勢.而試驗檢測可以顯示不同環(huán)境條件下,某材料試件從加載到破壞的全過程,因此以上兩種檢測在路面工程中相輔相成,相互補充. 針對FWD無損檢測設(shè)備,本文開發(fā)了適于反

2、演的三維譜單元動力模型.此模型利用譜單元原理,提出了三維兩節(jié)點譜單元和三維一節(jié)點譜單元這兩種新的單元,用于計算三維層狀系統(tǒng)受到?jīng)_擊荷載的動力解.一層為一個單元,其中層單元用于描述層結(jié)構(gòu),節(jié)點單元用于描述半無限的地基.三維譜單元的勁度矩陣是由三維系統(tǒng)的動力精確解推導(dǎo)出來的,單元之間的連接類似有限單元法.動力解通過基于頻率上波數(shù)的疊加而得到,有效地避免了無窮積分?jǐn)?shù)值方法帶來的效率不高的問題.從時域到頻率域的轉(zhuǎn)換,使用的方法是快速傅立葉變換(

3、FFT).本研究編制了基于三維譜單元的程序,對沖擊荷載下的層狀系統(tǒng)進行分析.通過與三維有限元結(jié)果和實測結(jié)果的比較,驗證了整個系統(tǒng)的正確性;同時通過計算時間的對比,證明了三維譜單元系統(tǒng)的高效性. 粘彈性三維譜單元模型將粘彈性本構(gòu)關(guān)系與三維譜單元模型聯(lián)系在一起.為解決這類動力問題,選用四參量Burgers粘彈性模型.其微分算子的數(shù)學(xué)表達直接與譜單元力學(xué)模型相聯(lián)系.將Burgers的微分算子代入運動微分方程,使得譜單元的計算摸在頻率域

4、內(nèi)進行.依據(jù)文中原理,編制了粘彈性三維譜單元程序.通過彈性材料和粘彈性材料受到相同荷載時位移反應(yīng)的比較,說明了粘彈性材料的粘滯回復(fù)現(xiàn)象對位移的影響. 基于三維譜單元的力學(xué)模型,本文開發(fā)了動力全程反分析系統(tǒng).反分析的輸入是各個傳感器全程的位移反應(yīng)數(shù)據(jù),輸出是層系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)物理量.因為動力方程為非線性的,所以采用無約束非線性優(yōu)化方法--改進的Powell方法,優(yōu)化迭代過程在頻率域內(nèi)進行,優(yōu)化目標(biāo)是理論和實測位移的差值最小.三維粘彈性譜

5、單元的全程反分析系統(tǒng)根據(jù)正分析模型,使用非線性優(yōu)化,直接反演出粘彈性層體的復(fù)彈性模量.相應(yīng)的程序使用FORTRAN語言編寫,通過對三層或四層剛性、柔性路面體系和粘彈性的層狀體系的反演結(jié)果證明,反算過程穩(wěn)定收斂且效率高. 本文同時應(yīng)用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(ANN),開發(fā)了基于三維譜單元系統(tǒng)的動力峰值反分析系統(tǒng).人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)選用誤差反向傳播算法(BP網(wǎng)絡(luò)).各個傳感器的峰值位移作為系統(tǒng)輸入,結(jié)構(gòu)參量作為系統(tǒng)輸出,通過訓(xùn)練學(xué)習(xí)建立輸入單元和輸

6、出單元之間的非線性映射.由三維動力譜單元法計算得到的峰值位移作為學(xué)習(xí)樣本.反分析系統(tǒng)可以同時反演層彈性模量和層厚.典型的三層路面體系反演結(jié)果證明,系統(tǒng)誤差符合工程要求. 應(yīng)用動態(tài)全程反分析系統(tǒng)和動態(tài)峰值反分析系統(tǒng)對連續(xù)配筋水泥混凝土路面(CRCP)的FWD實測數(shù)據(jù)進行反演.并且與靜力反分析的結(jié)果作比較,證明了所開發(fā)的動力全程反分析法的精度較高,所開發(fā)的動力峰值反分析法實用且精度滿足工程要求. 針對檢測荷載和車輛荷載下路面

7、材料出現(xiàn)的非線性問題,本文對路面材料不同應(yīng)變率下的檢測進行了非線性分析.瀝青混凝土材料試驗檢測的數(shù)值分析應(yīng)用Desai塑性理論中的重要本構(gòu)模型HISS模型,對模型參數(shù)與屈服面方程的關(guān)系進行了研究.利用單軸試驗數(shù)據(jù)的特點確定HISS模型中的參量,通過調(diào)整參量來模擬本構(gòu)關(guān)系中的軟化段和硬化段.HISS本構(gòu)模型和三維有限元的結(jié)合,開發(fā)了基于Desai模型的三維非線性有限元程序. 引入瀝青混凝土的實測數(shù)據(jù),將應(yīng)變率要素作為變量放入確定模