戰(zhàn)佳升++劉新

摘要：隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，新型材料的功能越來(lái)越多，性能越來(lái)越復(fù)雜，應(yīng)用領(lǐng)域也越來(lái)越廣泛，使得對(duì)材料特性的研究具有重要的科學(xué)意義和應(yīng)用價(jià)值。目前，實(shí)驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算是研究材料特性的兩大重要手段。實(shí)驗(yàn)是材料特性研究的基本手段，能獲取材料在不同工況下的力學(xué)響應(yīng)。數(shù)值計(jì)算借助于計(jì)算機(jī)技術(shù)和數(shù)值方法，再現(xiàn)材料的力學(xué)行為，能獲得實(shí)驗(yàn)中無(wú)法得到的物理量，并提供豐富的過(guò)程數(shù)據(jù)。在數(shù)值計(jì)算中，材料特性參數(shù)的獲取至關(guān)重要，其關(guān)系到數(shù)值計(jì)算結(jié)果的精度。傳統(tǒng)上獲取材料特性參數(shù)的主要途徑是基于大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，利用擬合等方法確定參數(shù)。然而由于實(shí)驗(yàn)方法和測(cè)試技術(shù)的局限，要想獲取大量有效的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)成本較高、周期較長(zhǎng)。

關(guān)鍵詞：計(jì)算反求；參數(shù)識(shí)別；混合反演法；曲線預(yù)估同倫算法

當(dāng)前我國(guó)高速公路建設(shè)呈跳躍式發(fā)展態(tài)勢(shì)。但由于技術(shù)儲(chǔ)備不足，加之車(chē)流量大，車(chē)輛超載嚴(yán)重等原因，導(dǎo)致在高速公路快速發(fā)展的同時(shí)，瀝青路面的早期損壞問(wèn)題同樣十分突出。調(diào)查研究表明：產(chǎn)生瀝青路面早期損壞的原因十分復(fù)雜，除了環(huán)境和荷載因素外，還與路面結(jié)構(gòu)形式、混合料組成設(shè)計(jì)、施工技術(shù)等許多方面有關(guān)。盡管近些年來(lái)在瀝青路面結(jié)構(gòu)和混合料組成設(shè)計(jì)上進(jìn)行了大量的研究，而且在室內(nèi)試驗(yàn)研究中取得了良好的綜合性能，但是許多實(shí)體工程路面早期損壞問(wèn)題依然十分嚴(yán)重。特別是有些路面雖然直接采用了國(guó)外的先進(jìn)設(shè)計(jì)理念，也沒(méi)有得到滿意的結(jié)果。愈來(lái)愈多的工程實(shí)踐表明：在高速公路建設(shè)中混合料的施工特性、設(shè)備應(yīng)具備的性能、設(shè)備之問(wèn)的匹配關(guān)系、設(shè)備與材料之間的相互作用特性等對(duì)保證和提高路面質(zhì)量具有重要的作用。本文針對(duì)以上問(wèn)題進(jìn)行了系統(tǒng)的理論與工程應(yīng)用研究。瀝青混合料因礦料級(jí)配不同構(gòu)成了不同的組織結(jié)構(gòu)，由混合料的結(jié)構(gòu)狀況、體積性能和施工特性共同決定了其使用性能。高性能混合料不同于傳統(tǒng)混合料的級(jí)配與性能，其粗、細(xì)集料用量有嚴(yán)格的范圍，粗一級(jí)集料形成的空隙決定了細(xì)一級(jí)集料的用量，形成多級(jí)嵌擠密實(shí)結(jié)構(gòu)，使混合料既具有高抗車(chē)轍能力又有抗水損壞的綜合性能。因此本文中首先分析研究了高性能混合料的級(jí)配特征、參數(shù)控制、體積特性和影響體積性能的因素、施工質(zhì)量控制等方面的問(wèn)題，提出了保證混合料優(yōu)良性能的級(jí)配允許變化范圍和施工參數(shù)控制范圍。

機(jī)械設(shè)備應(yīng)針對(duì)具體的作業(yè)對(duì)象選擇功能和確定參數(shù)，以適應(yīng)千變?nèi)f化的路面結(jié)構(gòu)、材料組成及環(huán)境要求，發(fā)揮其最佳的工作特性。因此本文分析了瀝青路面施工中的主要設(shè)備的結(jié)構(gòu)原理、工作特性和影響設(shè)備性能的因素，提出了主要控制指標(biāo)。深入研究了攪拌設(shè)備與材料相互作用特性，攤鋪設(shè)備與材料相互作用特性。建立了攪拌設(shè)備拌和均勻性的數(shù)學(xué)模型和采用自動(dòng)調(diào)平系統(tǒng)攤鋪機(jī)的工作裝置運(yùn)動(dòng)學(xué)模型并進(jìn)行了應(yīng)用研究。瀝青路面施工是由一系列機(jī)械設(shè)備，通過(guò)各單機(jī)組合形成的一個(gè)有機(jī)整體，并相互協(xié)調(diào)進(jìn)行規(guī)模化生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)最佳的工作質(zhì)量和最優(yōu)的工作效率。因此要求各機(jī)型之間有合理的匹配關(guān)系。本論文基于混合料壓實(shí)的共振理論，研究了碾壓過(guò)程中材料壓實(shí)度隨壓實(shí)次數(shù)變化的規(guī)律，得出了多功能攤鋪機(jī)振動(dòng)夯實(shí)系統(tǒng)的壓實(shí)度隨攤鋪速度變化的數(shù)學(xué)模型，確定了攤鋪機(jī)合理的作業(yè)區(qū)段，建立了以保證作業(yè)質(zhì)量為目標(biāo)的主要設(shè)備、輔助設(shè)備與核心設(shè)備作業(yè)性能相適應(yīng)的新型匹配關(guān)系。由于高性能瀝青混合料對(duì)施工變異性十分敏感，瀝青路面一旦發(fā)生變異將嚴(yán)重影響其耐久性和使用壽命。近年來(lái)雖然對(duì)施工過(guò)程中造成路面質(zhì)量變異性的原因以及相應(yīng)的處理措施進(jìn)行了研究，但缺乏全面性、系統(tǒng)性，忽視了設(shè)備對(duì)施工變異性的影響。本文從材料特性、機(jī)械性能及其相互作用特性上研究了瀝青混合料設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、運(yùn)輸、攤鋪、碾壓全過(guò)程的材料離析、溫度離析和壓實(shí)離析現(xiàn)象與機(jī)理，提出了預(yù)防與控制的技術(shù)途徑和離析的判別標(biāo)準(zhǔn)體系。

以上研究成果已在多條高速公路實(shí)體工程中得到應(yīng)用。本文將理論研究與工程實(shí)踐緊密結(jié)合，分別在“襄十”高速公路、“漢宜”高速公路和“老集”高速公路進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證及廣泛的推廣應(yīng)用。結(jié)果表明：研究成果對(duì)預(yù)防與控制瀝青路面早期病害，提高施工質(zhì)量，增加路面耐久性等方面效果十分顯著。

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，新型材料的功能越來(lái)越多，性能越來(lái)越復(fù)雜，應(yīng)用領(lǐng)域也越來(lái)越廣泛，使得對(duì)材料特性的研究具有重要的科學(xué)意義和應(yīng)用價(jià)值。目前，實(shí)驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算是研究材料特性的兩大重要手段。實(shí)驗(yàn)是材料特性研究的基本手段，能獲取材料在不同工況下的力學(xué)響應(yīng)。數(shù)值計(jì)算借助于計(jì)算機(jī)技術(shù)和數(shù)值方法，再現(xiàn)材料的力學(xué)行為，能獲得實(shí)驗(yàn)中無(wú)法得到的物理量，并提供豐富的過(guò)程數(shù)據(jù)。在數(shù)值計(jì)算中，材料特性參數(shù)的獲取至關(guān)重要，其關(guān)系到數(shù)值計(jì)算結(jié)果的精度。傳統(tǒng)上獲取材料特性參數(shù)的主要途徑是基于大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù).利用擬合等方法確定參數(shù)。然而由于實(shí)驗(yàn)方法和測(cè)試技術(shù)的局限，要想獲取大量有效的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)成本較高、周期較長(zhǎng)。因此，基于少量試驗(yàn)進(jìn)行材料參數(shù)識(shí)別的計(jì)算反求方法正日益成為材料特性參數(shù)獲取的一種重要手段。

在反求過(guò)程中，直接采用試驗(yàn)測(cè)量的反射波和透射波響應(yīng)作為參數(shù)反求的輸入信息，能有效避免應(yīng)變率效應(yīng)和應(yīng)力波效應(yīng)解耦問(wèn)題，不必分離結(jié)構(gòu)響應(yīng)和材料響應(yīng)。首先，對(duì)低強(qiáng)度的水泥砂漿材料動(dòng)態(tài)特性參數(shù)進(jìn)行反求，驗(yàn)證了混合反演方法的有效性和可靠性；其次，利用混合反演方法對(duì)不同基體強(qiáng)度、粗骨料粒徑及含量的混凝土材料關(guān)鍵特性參數(shù)進(jìn)行反求。反求結(jié)果表明，混合反演方法能夠利用少量試驗(yàn)數(shù)據(jù)快速穩(wěn)定地獲取材料關(guān)鍵特性參數(shù)，且具有較高的計(jì)算精度。（5）建立了混凝土材料特性參數(shù)與混凝土基體強(qiáng)度、粗骨料粒徑及含量的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，并對(duì)某混凝土材料的特性參數(shù)進(jìn)行預(yù)測(cè)，同時(shí)結(jié)合侵徹模型對(duì)預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。為了進(jìn)一步評(píng)價(jià)預(yù)測(cè)結(jié)果的精度，發(fā)展了一種基于侵徹試驗(yàn)和混合反演法的混凝土材料特性參數(shù)反求技術(shù)。在反求過(guò)程中，利用基于局部加密的近似模型替代真實(shí)模型，以提高計(jì)算反求的效率。此外，基于侵徹模型，研究了不同基體強(qiáng)度、粗骨料粒徑及含量混凝土材料的抗侵徹能力。