论文总字数：33378字

摘 要

在服役温度较低时，沥青混凝土的弹性模量是表征其抵抗车辆或温度荷载能力的重要参数。而如今对沥青混凝土路面弹性模量的检测，多采用从现场钻取芯样后在实验室分层检测的方法，费时费力，对路面结构造成了破坏。因此，本文引入一种无损检测的方法—表面波频谱分析法。

表面波频谱分析法主要利用了表面波主要在自由表面浅层、信噪比高、能量大等传播特性，由一个振源产生振动，两个接收器接收波动的时域信号，经过傅里叶变换、互谱分析等过程获得表面波（瑞利波）的频散曲线。利用瑞利波波速、道路结构各层剪切波波速及模量之间的关系得到路面模量。

本文基于表面波频谱分析法，采用便携式振动分析仪在试验路段对各路段的沥青路面模量进行现场测试，分析测得的数据，发现路面老化程度不同、级配组成差异、是否位于轮迹带处及胎压等因素，都会影响路面弹性模量的大小。其中，密级配道路位于轮迹带处模量较高。

最后，该研究利用Abaqus有限元软件对现场试验的方法进行了模拟，得到了瑞利波在道路面层传播的频散曲线，得到了路面模量的改变对瑞利波频散曲线造成影响。

关键词：表面波频谱分析法，弹性模量，有限元模拟

Abstract

At low service temperatures, the elastic modulus of asphalt concrete is an important parameter for characterizing its ability to withstand vehicle or temperature loads. Nowadays, for the detection of the elastic modulus of asphalt concrete pavement, the method of layered detection in the laboratory after drilling core samples from the site is used, which takes too much time and labor, and causes damage to the road surface structure. Therefore, this paper introduces a non-destructive testing method - surface wave spectrum analysis.

The surface wave spectrum analysis method mainly utilizes the propagation characteristics of the surface wave that surface wave mainly propagates in the shallow surface with high signal-to-noise ratio and high energy. The vibration is generated by one vibration source, and the two receivers receive the time-domain signals of fluctuation. After the Fourier transform, cross-spectrum analysis and other processes the dispersion curves of surface waves (Rayleigh waves) is obtained. The relationship between the Rayleigh wave velocity and the shear wave velocity and modulus of each layer of the road structure is used to calculate the road surface modulus.

Based on the surface wave spectrum analysis method, a portable vibration analyzer is used to test the asphalt pavement modulus of each road section in the test section, and the measured data are analyzed. It is found that the pavement with different aging degrees, different grading composition and different wheel track has different elastic modulus. Among them, dense-graded roads have higher modulus at the wheel tracks.

Finally, this study uses Abaqus finite element software to simulate the field test method, and obtains the dispersion curve of Rayleigh waves. It proves the change of the road surface modulus affects the Rayleigh wave dispersion curve.

KEY WORDS: spectral analysis of surface waves, Elastic Modulus, Finite element simulation,

目录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 研究背景 1

1.2 国内外研究现状 1

1.2.1 瑞利波探测技术分类 1

1.2.2 理论研究 2

1.2.3 表面波在道路工程中的应用 3

第二章 瑞利波测试原理 5

2.1 瑞利波简介 5

2.1.1 波的分类 5

2.1.2 瑞利波特性 5

2.2 SASW方法 6

2.2.1 现场数据采集 6

2.2.2 实验频散曲线提取 7

2.2.3 反演 8

第三章 现场测试数据分析 14

3.1 现场试验信息 14

3.2 数据分析 16

3.2.1 PSPA稳定性分析 16

3.2.2 老化影响 17

3.2.3 级配影响 17

3.2.4 横向位置 18

3.2.5 胎压影响 18

3.2.6 数据分析小结 19

第四章 有限元数值模拟 20

4.1 模型约束 20

4.2 模型的建立 20

4.2.1 道路分层与材料属性的定义 20

4.2.2 网格划分和边界条件的确定 21

4.2.3 分析类型与时间步长 22

4.3 波动模拟 22

4.4 有限元模拟结果 23

4.4.1 时域曲线的获取 23

4.4.2 相位差—频率曲线 24

4.4.3 频散曲线 25

第五章 总结 26

5.1 小结 26

5.2 不足与展望 26

致谢 27

参考文献 28

绪论

研究背景

在服役温度较低时，沥青混凝土的弹性模量是表征其抵抗车辆或温度荷载能力的重要参数。一般地，弹性模量越大，越不容易发生形变。在一定范围内，较大的沥青路面结构层弹性模量表征了沥青路面具有较强的抵抗车辆竖向荷载的能力，并有助于降低层间剪应力造成的剪切破坏。在道路铺设完成及服役期间，对路面模量的定期检测，将有助于定量评价沥青路面的性能变化及服务质量，为公路的养护决策提供依据。

目前沥青混凝土模量的测试多基于室内试验，主要包括轴向动态模量测试和间接拉伸动态模量测试。轴向动态模量测试是利用沥青混合料性能测试仪（AMPT）进行的，测试将单轴正弦压应力施加于12.7cm高，9.906cm直径的圆柱形样本，目标微应变控制在100左右，以保持非破坏状态。试样在-10℃、4.4℃、20℃、37.8℃和54.4℃的温度和20Hz、10Hz、5Hz、1Hz、0.5Hz和0.1Hz的频率下进行测试，得到动态模量的主曲线。相比于轴向动态模量，间接拉伸动态模量对试件施加正弦压应力，并将应变水平控制在线性粘弹性区域（水平方向40-60με，垂直方向小于100με）。但是，实验室和现场实测结果之间，由于边界条件、试件尺寸、老化梯度、荷载等的差别，通常相关性较差。此外，路面取芯点较密会破坏路面的连续性，较稀则可能存在不良路段漏检的情况。同时，该方法耗时长，人工成本非常高，因此不适合大面积应用。

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