雙層剛性道路結(jié)構(gòu)參數(shù)反演分析*

劉 鋒 李 浩 方 楊

(公路交通安全與應(yīng)急保障技術(shù)及裝備交通運(yùn)輸行業(yè)研發(fā)中心1) 廣州 510420)(廣東華路交通科技有限公司2) 廣州 510420)

雙層剛性道路結(jié)構(gòu)參數(shù)反演分析*

劉 鋒1,2)李 浩1,2)方 楊1,2)

(公路交通安全與應(yīng)急保障技術(shù)及裝備交通運(yùn)輸行業(yè)研發(fā)中心1)廣州 510420)(廣東華路交通科技有限公司2)廣州 510420)

為了反演分析出Winkler地基上的雙層剛性道路結(jié)構(gòu)參數(shù)——地基反應(yīng)模量k.建立Winkler地基上的雙層剛性道路結(jié)構(gòu)ANSYS有限元模型；運(yùn)用該模型，求出Winkler地基上的雙層道路結(jié)構(gòu)在不同k和不同面層板厚度h下的惰性點(diǎn)參數(shù)共216組，并分別得出了惰性點(diǎn)距離和惰性點(diǎn)彎沉與面層板厚度和地基反應(yīng)模量之間的回歸方程；以該方程為基礎(chǔ)，運(yùn)用迭代法反演分析出地基反應(yīng)模量k，并提出了用于確定該迭代過(guò)程初始值的新方法.結(jié)果表明，該回歸方程能惟一地確定地基反應(yīng)模量.

道路工程；惰性點(diǎn)；剛性道面；Winkler地基；地基反應(yīng)模量；回歸分析

0 引 言

2000年，同濟(jì)大學(xué)孫立軍教授和日本運(yùn)輸部港灣技術(shù)研究所八谷好高教授共同提出了一種新的解決道路結(jié)構(gòu)參數(shù)反演問(wèn)題的方法——惰性彎沉法[1].在道路面層厚度不變、地基反應(yīng)模量不變和相同荷載情況下，道路結(jié)構(gòu)面層的彈性模量越大,則對(duì)應(yīng)的道路彎沉盆越平坦；相反,面層的彈性模量越小,則彎沉盆越陡,這2個(gè)彎沉盆必然相交于1個(gè)與道路面層彈性模量無(wú)關(guān)的點(diǎn)，此點(diǎn)稱為惰性點(diǎn).惰性點(diǎn)距荷載中心的距離稱為惰性點(diǎn)距離，記作Rc；惰性點(diǎn)處的彎沉稱為惰性點(diǎn)彎沉，記作Dc，見(jiàn)圖1.

圖1 不同面層板彈性模量對(duì)應(yīng)的道路結(jié)構(gòu)彎沉盆及其交點(diǎn)示意圖

在道路工程實(shí)踐中，面層+剛性或半剛性基層+土基的雙層道路結(jié)構(gòu)形式[2]應(yīng)用較為廣泛，而原有惰性彎沉法局限于面層+土基的結(jié)構(gòu)形式.同時(shí)，限于基于惰性點(diǎn)的道路結(jié)構(gòu)參數(shù)反演迭代過(guò)程初始值確定較困難，文中將結(jié)合惰性點(diǎn)特點(diǎn)和道路結(jié)構(gòu)彎沉盆特點(diǎn)，提出迭代過(guò)程初始值確定的新方法.

1 Winkler地基上的雙層道路結(jié)構(gòu)力學(xué)模型

1.1 基本假設(shè)

對(duì)道路進(jìn)行三維力學(xué)分析時(shí)，通常進(jìn)行如下基本假設(shè).

2) 道路各結(jié)構(gòu)層厚度是有限的.據(jù)文獻(xiàn)[3-4]，對(duì)道路結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力學(xué)分析時(shí)，土基厚度取大于6 m時(shí)，實(shí)際測(cè)量值與理論分析值相近，基本滿足計(jì)算要求.

3) 荷載垂直作用于道路面層，在距離荷載無(wú)限遠(yuǎn)處和無(wú)限深處，路面結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、應(yīng)變和位移均為零.

1.2 三維道路結(jié)構(gòu)有限元模型

1.2.1 道路結(jié)構(gòu)參數(shù)選擇及建模

通過(guò)多年的不懈努力，本課程得到了良好的社會(huì)認(rèn)可，各實(shí)習(xí)單位、用人單位、省市衛(wèi)生部門對(duì)本專業(yè)學(xué)生給予了高度的評(píng)價(jià)，特別是江西九江市多種宣傳媒體對(duì)我校三名畢業(yè)生在工作崗位上的優(yōu)秀表現(xiàn)給予了高度贊賞。

在分析雙層道路結(jié)構(gòu)惰性點(diǎn)規(guī)律時(shí)，基層的厚度取為20 cm[5]，其彈性模量為500 MPa.同時(shí)，由于分析的相似性以及篇幅所限，本部分僅使用了平面尺寸為5 m×5 m的道面板塊進(jìn)行道路結(jié)構(gòu)參數(shù)的識(shí)別分析.而在進(jìn)行基于惰性點(diǎn)參數(shù)的道路結(jié)構(gòu)參數(shù)回歸分析時(shí)，地基反應(yīng)模量取值范圍為25～200 MPa/m(每間隔5 MPa/m取1次計(jì)算值，共選取了36種)，面層板的彈性模量取值范圍為25.5～36.5 GPa(每隔0.5 GPa增加1個(gè)計(jì)算值)，面層板厚度取值范圍為20～40 cm(每隔4 cm厚度取一個(gè)計(jì)算值).

在ANSYS中，使用BLOCK塊命令和SOLID45單元建立5 m×5 m道路結(jié)構(gòu)的面層和基層有限元模型，使用彈簧單元COMBIN14模擬Winkler地基[6]，模型的約束條件為Winkler地基底部的節(jié)點(diǎn)位移固定約束，道路面層和基層的4個(gè)側(cè)面約束法向方向位移[7]，面層與基層之間完全連續(xù).由于道路結(jié)構(gòu)承載力無(wú)損檢測(cè)的主要設(shè)備是落錘式彎沉儀(FWD)，其承載盤與路面的接觸面為圓形，由文獻(xiàn)[8]可知，圓形接觸面根據(jù)荷載作用面積等效的原則簡(jiǎn)化為矩形接觸面形式，而由此帶來(lái)的誤差卻是很小的.將直徑為45 cm的FWD圓形加載面圖2a)轉(zhuǎn)換為圖2b)的矩形加載面，通過(guò)面積等效方法得到的FWD荷載作用的矩形面的長(zhǎng)度為B=0.871 2L=0.871 2×551.46=481 mm、寬度為0.6L=0.6×551.46=331 mm.荷載作用于圖2b)的中心實(shí)線框中，待計(jì)算完成后，提取面層板OA段的彎沉計(jì)算數(shù)據(jù).圖3為最終的道路結(jié)構(gòu)有限元模型.

圖2 圓形接觸面換算成矩形接觸面計(jì)算簡(jiǎn)圖(單位：mm)

圖3 基于Winkler地基上的5 m×5 m雙層道路結(jié)構(gòu)有限元分析模型

2 Winkler地基上雙層道路結(jié)構(gòu)參數(shù)回歸分析

2.1 雙層道路結(jié)構(gòu)惰性點(diǎn)參數(shù)計(jì)算

為了反演分析出Winkler地基上雙層道路結(jié)構(gòu)參數(shù)k值.首先，依據(jù)圖4的惰性點(diǎn)參數(shù)計(jì)算分析流程圖，得出雙層道路結(jié)構(gòu)惰性點(diǎn)參數(shù)共216組(限于篇幅，表1僅列出了部分計(jì)算結(jié)果)；其次，根據(jù)該組數(shù)據(jù)推導(dǎo)出用于求解k值的回歸公式.

圖4 雙層道路結(jié)構(gòu)惰性點(diǎn)參數(shù)回歸分析流程圖

2.2 惰性點(diǎn)參數(shù)回歸公式的推導(dǎo)

運(yùn)用回歸分析軟件，推導(dǎo)出雙層道路結(jié)構(gòu)惰性點(diǎn)參數(shù)(Rc和Dc)與h和k間的多元非線性回歸關(guān)系式，即：雙層道路結(jié)構(gòu)Rc與h和k之間的回歸公式為(1)，其R2=0.999 6，以及Dc與h和k間的回歸式(2)，其R2=0.999 7.

表1 Winkler地基上雙層道路結(jié)構(gòu)惰性點(diǎn)參數(shù)分析結(jié)果

(1)

式中：P1,P2,P12，…為回歸公式系數(shù)，P1為-4 509 380 784，P2為167 599 896.2，P3為6 534 315.41，P4為6 534 315.41，P5為-638 189 990.7，P6為-45 304 195.78，P7為199 434.256 6，P8為0.009 726 876，P9為226.193 823 8，P10為1 598 051.929，P11為272 856.326，P12為-1.068 319 866.

(2)

式中：Q1,Q2,Q8，…為回歸公式系數(shù)，Q1為3.287 262 655 381 69，Q2為834.387 238 635 662，Q3為-0.253 040 362 895 6，Q4為57.528 509 306 647 5，Q5為-1 366.967 283 436 74，Q6為3.117 770 460 031 01，Q7為-0.548 572 499 037 04，Q8為-4 844.729 305 340 87.

3 Winkler地基上雙層道路結(jié)構(gòu)參數(shù)識(shí)別分析

3.1 雙層道路結(jié)構(gòu)地基反應(yīng)模量識(shí)別分析

雙層道路結(jié)構(gòu)中k的分析過(guò)程為：假定惰性點(diǎn)距離初始值Rc′，根據(jù)FWD實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)插值得到對(duì)應(yīng)彎沉Dc′；將其代入至惰性點(diǎn)彎沉回歸式(2)，得出k值；再將該k值代入式(1)，可以求解得出Rc；最后，判斷|Rc-Rc′|/Rc′<ε是否成立.如果該式成立，則計(jì)算結(jié)果滿足收斂要求，輸出道面結(jié)構(gòu)參數(shù)k值；當(dāng)不滿足該式時(shí)，程序跳轉(zhuǎn)并以該Rc值代替Rc′值，如此反復(fù)迭代計(jì)算，直到求解結(jié)果滿足收斂標(biāo)準(zhǔn)要求為止.

3.2 雙層道路結(jié)構(gòu)參數(shù)迭代初始值的確定

迭代法的迭代初始值選取通常較困難.本部分將結(jié)合FWD彎沉盆曲線特點(diǎn)和道路結(jié)構(gòu)惰性點(diǎn)參數(shù)變化規(guī)律，提出確定道路結(jié)構(gòu)參數(shù)識(shí)別分析初始值Rc′的新方法.

1) 由于FWD所檢測(cè)的彎沉是離散的，故該彎沉值系列并非是一條連續(xù)曲線，但可以利用“正交多項(xiàng)式最小二乘擬合原理”來(lái)擬合這些離散點(diǎn)，從而使其成為一條連續(xù)曲線.

2) 通過(guò)對(duì)惰性點(diǎn)參數(shù)回歸式(1)和(2)的分析可知，Rc=f(k,h)和Dc=g(k,h)之中都含有共同自變量k和h.其中，在實(shí)際工程中，h值較容易取得，故式(1)和(2)就變成僅含有k的2個(gè)函數(shù).因此，Dc=f(Rc)這個(gè)隱函數(shù)是成立的,惰性點(diǎn)參數(shù)必滿足此方程.

綜上分析，對(duì)于同一個(gè)雙層道路結(jié)構(gòu)，惰性點(diǎn)參數(shù)必然同時(shí)滿足方程Dc=f(Rc)和FWD實(shí)測(cè)彎沉盆擬合曲線，故可將這2個(gè)方程聯(lián)立求解所得結(jié)果作為迭代分析初始值Rc′.但回歸式(1)是一個(gè)含有對(duì)數(shù)函數(shù)的超越函數(shù)，其與式(2)和FWD實(shí)測(cè)彎沉盆擬合曲線聯(lián)立求解將是一件非常困難的事情.因此，在該步仍然使用迭代的方法來(lái)確定迭代分析初始值Rc′，在該迭代過(guò)程中，迭代初始值為地基反應(yīng)模量，而這一初始值的確定則較容易，可取前文計(jì)算參數(shù)選取時(shí)k的最小值25 MPa/m，而后根據(jù)一定的迭代步長(zhǎng)調(diào)整k的值，直至最后計(jì)算結(jié)果滿足迭代收斂標(biāo)準(zhǔn)ε的要求停止計(jì)算.最后，輸出迭代分析初始值Rc′.

3.3 雙層道路結(jié)構(gòu)參數(shù)識(shí)別模擬研究

選取h為38 cm、Ec為29.5 GPa、hb為20 cm和Eb為500 MPa的雙層道路結(jié)構(gòu)，運(yùn)用有限元方法計(jì)算該道路結(jié)構(gòu)在選取的k=33 MPa/m條件下道路結(jié)構(gòu)彎沉盆，見(jiàn)圖5.以這些彎沉盆數(shù)據(jù)作為“實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)”，模擬k的識(shí)別過(guò)程，以驗(yàn)證其識(shí)別結(jié)果.

圖5 h為38 cm的雙層道路結(jié)構(gòu)有限元計(jì)算彎沉盆曲線

識(shí)別過(guò)程如下.

1) 根據(jù)“正交多項(xiàng)式最小二乘擬合原理”擬合圖8彎沉盆曲線，求得其方程為

y=-207.892+0.039 7x+0.000 008 8x2-

0.000 000 004 71x3

(3)

2) 根據(jù)3.2的分析求取道路結(jié)構(gòu)迭代分析初始值.k的初始值定為25 MPa/m，依據(jù)h=0.38 cm和回歸式(1)和(2)，計(jì)算Rc和Dc的值分別為1 786.2 mm和-181.7 μm.

3) 將Rc代入式(3)得y=-135.7 μm.

0.25>ε=0.1

初始變量k=25 MPa/m使得計(jì)算結(jié)果大于迭代收斂標(biāo)準(zhǔn)0.1，故需要重新迭代計(jì)算.下一步設(shè)定k=25+0.1 MPa/m(Δk=0.1 MPa/m為迭代步長(zhǎng))為該過(guò)程的新的迭代初始值，重復(fù)2)～3)的步驟，直到求得的計(jì)算結(jié)果滿足收斂標(biāo)準(zhǔn)后，停止計(jì)算，輸出用于下一步進(jìn)行道路結(jié)構(gòu)分析的初始值.分析結(jié)果顯示：在迭代步長(zhǎng)Δk=0.1 MPa/m，迭代收斂標(biāo)準(zhǔn)ε= 0.1時(shí)，經(jīng)過(guò)24次迭代，最終確定該迭代分析初始值為Rc′=1 775.04 mm.

5) 識(shí)別道路結(jié)構(gòu)k值(第2個(gè)迭代過(guò)程)

(1) 將已確定的迭代初始值Rc′=1 775.04 mm代入式(3)中，得Dc′= -136.0 μm；將Dc′值代入惰性點(diǎn)距離回歸公式(2)中，求得道面結(jié)構(gòu)的k值，即：k=33.4 MPa/m.

(2) 將k值代入惰性點(diǎn)距離回歸公式(1)中，可得Rc=1 780.59 mm.

4 結(jié) 論

運(yùn)用Winkler地基上的雙層剛性道路結(jié)構(gòu)有限元模型反演分析道路結(jié)構(gòu)參數(shù)，得出以下結(jié)論.

1) 回歸分析得出道路結(jié)構(gòu)惰性點(diǎn)距離和惰性點(diǎn)彎沉與道路結(jié)構(gòu)面層板厚度、地基反應(yīng)模量之間的公式.

2) 運(yùn)用正交多項(xiàng)式最小二乘擬合原理得出了FWD實(shí)測(cè)彎沉盆擬合曲線.依據(jù)該擬合曲線、惰性點(diǎn)參數(shù)與地基反應(yīng)模量和面層板厚度間的回歸公式確定了選取惰性點(diǎn)距離迭代初始值的新方法.最后，運(yùn)用該回歸公式模擬研究了道路結(jié)構(gòu)地基反應(yīng)模量的參數(shù)識(shí)別問(wèn)題，結(jié)果顯示，通過(guò)該回歸公式可唯一的確定雙層剛性道路結(jié)構(gòu)參數(shù)中的地基反應(yīng)模量.

[1]孫立軍,八谷好高,姚祖康.水泥混凝土路面板模量反算的一種新方法:惰性彎沉法[J].土木工程學(xué)報(bào)2000,33(1)：83-87.

[2]孫立軍.鋪面工程學(xué)[M].上海：同濟(jì)大學(xué)出版社,2012.

[3]KIM M, TUTUMLUER E, KWON J. Nonlinear pavement foundation modeling for three-dimensional finite-element analysis of flexible pavements[J]. International Journal of Geomechanics,2009,9(5):195-208.

[4]錢振東,張磊,陳磊磊.路面結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)[M].南京：東南大學(xué)出版社,2010.

[5]鄧學(xué)鈞,陳榮生.剛性路面設(shè)計(jì)[M].2版.北京:人民交通出版社,2005.

[6]黃義,何芳社.彈性地上的梁：板：殼[M].北京：科學(xué)出版社,2005.

[7]LIU F, SUN M Q, WANG Y J. Numerical method for calculation of the pcn of airport pavement[C]. The 2ndInternational Conference on Transportation Information and Safety (ICTIS2013), ASCE, Wuhan,2013：1761-1767.

[8]黃仰賢.路面分析與設(shè)計(jì)[M].北京：人民交通出版社,1998.

Back-analysis of Double-layer Rigid Pavement Structure Parameters

LIU Feng1,2)LI Hao1,2)FANG Yang1,2)

(ResearchandDevelopmentCenteronRoadTransportSafetyandEmergencySupportTechnology&Equipment,MinistryofTransport,Guangzhou510420,China)1)(GuangdongHualuCommunicationsTechnologyCo.LTD,Guangzhou510420,China)2)

The aim of this paper is to perform back-analysis of the double-layer rigid pavement structure parameter of Winkler foundation, which is the foundation reaction modulus (k). The ANSYS finite element model of a double-layer rigid pavement structure on Winkler foundation is firstly built. Secondly, by using the model, 216 groups of parameters of the double-layer pavement structure on Winkler foundation under different k and surface layer thicknesses are obtained. In addition, the regression equation is obtained amongRc,Dc, the surface layer thickness and the foundation reaction modulus. Finally, on the basis of the equation, by using iterative method, the back-analysis of k is performed and a new method for determining the initial value of the iterative method is put forward. The results show that the regression equation can uniquely determine the foundation reaction modulus.

road engineering; inertial point; rigid pavement; Winkler foundation; foundation reaction modulus; regression analysis

2016-10-26

*廣東省交通廳科技項(xiàng)目資助(2012-02-011)

U416.2

10.3963/j.issn.2095-3844.2016.06.011

劉鋒(1978—)：男，博士，主要研究領(lǐng)域?yàn)榈缆?、工程結(jié)構(gòu)與力學(xué)