沥青路面在重复的交通荷载和复杂的自然环境作用下,其服役水平逐渐下降。由于路面结构是一个典型的“黑箱”,工程中常用的后评估手段,如宏观表面调查、外部无损检测技术等,无法获得路面内部实际受力状态,无法实时准确的评价路面使用状况。借鉴结构健康监测理论和应用,通过分析埋设在服役道路内部的传感器数据,进行路面结构健康监测,为路面性能评估提供了有效方法。但是由于交通荷载的随机特性,造成路面内部力学响应复杂随机,是典型的非确定性问题,因此有必要开展随机荷载作用下沥青路面力学响应理论求解与监测方法研究,构建沥青路面健康监测系统理论和方法框架,包括:开发可内嵌于监测系统且便于实时计算的沥青路面力学模型;提出随机荷载输入感知与力学响应输出处理方法;研究融合监测信息与力学模型的沥青路面模量反算与性能评估方法。主要工作包括以下几点:首先,推导任意非均布移动荷载作用下多层体系解析解。借助Galilean和Fourier变换方法,基于直角坐标系下拉梅方程,推导简单形状移动荷载作用下弹性多层体系解析解;根据弹性-黏弹性对应原理,推导简单形状移动荷载作用下黏弹性多层体系解析解;基于叠加原理,从而表达任意复杂形状非均布移动荷载作用下的弹性/黏弹性多层体系解析解;此外,提出两种解析解数值计算方法,即可以计算单点任意时刻力学响应的Gauss积分法和可以同时计算某一深度平面力学响应分布的IFFT法;通过对比有限元法,结果表明解析解的准确性和高效性,故适用于后续随机荷载作用下沥青路面力学行为分析和沥青路面健康监测研究。其次,研究随机荷载作用下沥青路面力学行为。在黏弹性多层体系解析解表达式中,引入随机荷载变量(接地压力、移动速度、横向偏移、沥青层温度),构建非确定性力学模型,并提出响应面方法来计算随机移动荷载作用下沥青路面内部力学响应和使用性能的概率分布;以黏弹性三层体系为算例,对比Monte-Carlo模拟,验证响应面方法计算结果,结果表明响应面方法的准确性和高效性;此外,通过公路和机场多种轮组荷载作用下沥青路面力学响应概率分布计算,分析随机荷载变量的统计参数及概率分布形式、多种轮组荷载比例、轮组形式尺寸对力学响应和使用性能概率分布的影响。由此,开发了可内嵌于监测系统且便于实时计算的随机荷载作用下沥青路面力学模型。再次,提出沥青路面随机荷载输入感知与力学响应输出处理方法。考虑沥青混合料的粒料堆积不均匀特性,通过随机骨料堆积的四点弯曲梁有限元模型(夹杂不同尺寸、封装材料的光纤光栅应变传感元件)模拟分析,探讨传感元件与沥青混合料的协同变形特性,从而优化传感器的材料尺寸;以重庆江北机场联络道无线监测和北京首都机场联络道有线监测为例,优化可识别随机荷载输入信息的传感器布设方案,探讨横向偏移判定传感器的合理布设间距,提出荷载移动速度感知方法;应用移动平均滤波、小波压缩和函数型数据分析方法,分别实现监测数据的过滤提取、监测数据的压缩和力学响应关键信息的提取;此外,结合监测数据和理论解析解,从时频域角度,证明速度而非频率,是关联沥青面层黏弹性模量的有效参数。而后,研究融合监测信息与力学模型的沥青路面模量反算方法。推导移动荷载作用下弹性双层体系力学响应与模量之间的理论关系,并构建双层体系模量反算流程,提出基于沥青路面内部应力应变监测信息的模量反算方法,并通过北京首都机场联络道监测数据,反算并验证此方法的有效性;以弹性双层体系力学响应与模量之间的理论关系为框架,初步提出弹性多层体系解耦反算流程,将反算方法推广至多层体系;推导移动荷载作用下弹性多层体系力学响应与模量之间的理论关系,并初步构建多层体系耦合反算流程;相比落锤式弯沉仪反算方法,此方法绝对收敛,且施加荷载为真实交通荷载,可对路面模量进行实时评估,而不影响交通。最后,研究基于监测信息的沥青路面力学模型更新及性能评估方法。融合模量反算结果和随机荷载输入信息,并构造Kalman滤波器,实现路面模量参数识别及衰减程度评价,以实时更新力学模型;融合沥青路面更新的力学模型和随机荷载输入信息,重构全场力学响应随机分布,提出沥青路面确定性疲劳和车辙累积损伤量实时计算方法;针对荷载随机特性和模量衰减因素,提出不确定性短期使用性能预测策略和预测流程,并给出算例;此外,综合全部研究内容,初步提出沥青路面健康监测系统理论和方法框架。此研究属于结构健康监测在道路工程领域的拓展应用,促进道路工程的多学科交叉发展。研究中涉及的力学响应理论求解和监测方法,对沥青路面力学行为研究和使用性能评估有一定的指导意义。