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路面结构层应力非线性特性反演研究

梁新政  
【摘要】: 围绕落锤式弯沉仪(FWD)弯沉检测所开展的路面结构材料特性反演已有20年左 右的时间,一些研究成果已在工程中得到日益广泛的应用。但是,现有的反演理论基本 上都建立在层状弹性体和拟静力分析方法的基础之上,忽略了路面材料非线性特性及动 荷载下的惯性力影响和粘性效应。目前,国际上仍采用多级荷载回归方法近似考虑非线 性影响,未能反映非线性的本质,在某些情况下误差较大。采用合理的非线性模型和动 力分析方法是路面结构层材料特性反演的必然发展方向。本文采用确定性优化反演方 法,对路面结构层材料特性反演进行了系统的研究,主要成果包括: 1、改进了非线性最小二乘优化方法,将其引入到路面结构层材料特性反演分析 中,使收敛稳定性明显提高,收敛速度显著加快; 2、针对不同类型的路面材料,分别选用了考虑应力非线性的体应力模型、k_1~k_3 模型和双线性模型;采用拟静力分析方法,求解了路面结构在FWD峰值荷载 作用下的非线性变形和应力;结合非线性最小二乘优化,提出路面结构层应力 非线性特性的静力反演方法。理论弯沉盆和实测弯沉盆的反演分析表明,本文 的方法结果合理,数值稳定性好,能够较好地解决应力非线性参数的识别问题; 3、引入能够反映不同材料模量随应力状态变化的体应力模型和双线性模型,建立 了路面结构在FWD动荷载作用下的平衡微分方程,并进行了逐步积分求解, 得到了FWD动载下的表面弯沉时程;与非线性最小二乘优化相结合,研究了 结构层应力非线性参数的动态识别方法。实例分析表明,由于同时考虑了应力 非线性特性和动力效应,本文方法给出的反演结果更合理、可靠; 4、在选定的路段上,随着施工的进展,在各层位上分别进行了FWD弯沉检测和 静力线性、非线性及动力线性、非线性材料特性反演。实际应用情况表明,静 力线弹性反分析方法得到的结果在某些情况下明显不合理,而考虑材料应力非 线性和动力效应的反演方法可以给出合理的解答。本文最后还分析了各种方法 的适用性,为实际工程应用提供了借鉴和依据。


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