CN108982257B - 一种基于虚拟重复贯入试验的抗剪切疲劳双层沥青混合料级配优化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于虚拟重复贯入试验的抗剪切疲劳双层沥青混合料级配优化方法，该方法首先通过沥青胶浆的单轴蠕变压缩试验结果拟合得接触模型的30℃沥青胶浆粘弹性参数，然后虚拟重复剪切疲劳试验，通过模拟沥青混合料重复单轴贯入试验，测定双层沥青混合料在重复贯入作用下失效的作用次数N，评价双层沥青混合料剪切疲劳寿命。本发明的级配优化方法通过在三维离散元软件中随机生成符合目标级配的沥青混合料剪切疲劳试验三维离散元模型，然后根据沥青混合料力学试验数值模拟结果进行级配优化，具有很强的可操作性、便捷性和代表性，对于提升沥青路面路用性能和使用寿命具有很大的意义。
Description
技术领域
本发明属于道路工程领域，具体涉及一种基于虚拟重复贯入试验的抗剪切疲劳双层沥青混合料级配优化方法。
背景技术
疲劳破坏是指在沥青路面的使用过程中，作用在路面上的荷载重复作用次数超过一定值后，而造成路面破坏。剪切疲劳破坏作为重载交通沥青混合料路面的主要破坏形式，具有自下而上的破坏特征。在已有的沥青混合料疲劳试验研究中，主要以弯曲疲劳为主，有关剪切疲劳的研究较少。而沥青路面发生剪切疲劳破坏是完全可能的，并且在高温条件下，路面受到重复的剪应力作用更容易产生疲劳破坏。因此，对剪切疲劳破坏的研究也很有必要。沥青混合料的组成包括沥青、集料、添加剂和空隙四部分，其中集料对沥青混合料性能的影响最大。而集料的级配对沥青混合料的力学性能、路用性能指标、抗剪切强度以及疲劳寿命等产生更是有非常显著的影响。在某种程度上，集料级配决定了沥青混合料性能，影响着沥青混合料的路用性能和使用寿命。相对于级配优良的沥青混合料路面，级配较差的力学性能和路用性能变异性大，易发生破坏。因此，优化沥青混合料级配，对于提升沥青路面路用性能和使用寿命具有很大的意义。
传统的沥青混合料优化主要以连续介质力学为基础，以室内试验或试验路的大量数据积累分析为研究手段。现有的文献资料中，较为先进的是运用数字图像处理技术和二维离散元手段对沥青混合料级配优化进行探讨。虽然是基于离散元法或数值图像处理技术来进行描述与评价，但研究中，其综合性不强，考虑不够全面，且依赖于室内试验手段，且只能进行单一层混合料的研究，不能便捷地对沥青混合料级配进行优化。本发明通过随机生成目标集料级配，以及对沥青混合料剪切疲劳性能的宏观考量，通过三维离散元模拟对双层沥青混合料的级配优化进行研究。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供一种基于虚拟重复贯入试验的抗剪切疲劳双层沥青混合料级配优化方法，具体技术方案如下：
一种基于虚拟重复贯入试验的抗剪切疲劳双层沥青混合料级配优化方法，其特征在于，该方法具体包括如下步骤：
S1：由沥青胶浆的单轴蠕变压缩试验结果拟合得接触模型的30℃沥青胶浆粘弹性参数，如表1所示；
表1 30℃沥青胶浆粘弹性参数
S2：虚拟重复剪切疲劳试验，通过模拟双层沥青混合料重复单轴贯入试验，测定沥青混合料在重复贯入作用下失效的作用次数，评价双层沥青混合料剪切疲劳寿命；
S2.1：根据选定的集料级配，计算双层沥青混合料上层和下层级配中各档集料用量，并计算各档集料所需生成的球体颗粒数量；
S2.2：按照S2.1的球体颗粒数量，在离散元软件中随机生成上下两层不同级配的3D虚拟贯入试验双层沥青混合料圆柱形试件，进一步生成包含圆柱形压头和承载板的三维离散元模型，且所述的沥青混合料圆柱形试件的上表面与圆柱形压头的下表面接触，沥青混合料圆柱形试件的下表面与承载板接触，并赋予试件通过S1的试验所得的表1的粘弹性参数和表2的模型中的材料参数，并将圆柱形压头和承载板定义刚体，也赋予表2中对应的材料参数；
表2沥青混合料试验材料参数
S2.3：控制承载板位移为0，赋予压头半正弦波的加载方式，多次加载直至所建模拟试件从沥青混合料加载次数-相对变形曲线的弹性阶段进入破坏阶段，其曲线切线斜率超过10000以后停止加载，记录破坏时的加载次数，加载次数越多，说明所选级配的疲劳寿命越长。
进一步地，所述的沥青混合料圆柱形试件的尺寸为Φ100mm±2.0mm或Φ150mm±2.0mm、高度为(下层60mm+上层40mm)±2.0mm，对应的与试件接触的压头的尺寸分别为Φ28.5mm×50mm和Φ42mm×50mm。
进一步地，所述的沥青混合料室内蠕变试验的标准温度为30℃。
进一步地，所述的S2的模拟过程在三维离散元软件PFC3D中进行。
进一步地，基于Fish语言实现半正弦波的重复加载方式。
本发明的有益效果如下：
本发明的级配优化方法通过在三维离散元软件中随机生成符合目标级配的双层沥青混合料剪切疲劳试验三维离散元模型，然后根据沥青混合料力学试验数值模拟结果进行级配优化，具有很强的可操作性、便捷性和代表性。
附图说明
图1为模拟的沥青混合料圆柱形试件几何模型和钢制贯入压头的示意图(单位：mm)；
图2为单轴贯入试验加载次数-变形曲线图；
图3为重复单轴贯入试验三维离散元模型示意图；
图4为实施例中级配1加载次数-相对变形曲线图；
图5为实施例中级配2加载次数-相对变形曲线图；
图6为实施例中级配3加载次数-相对变形曲线图；
图7为实施例中级配4加载次数-相对变形曲线图；
图8为实施例中级配5加载次数-相对变形曲线图。
具体实施方式
下面根据附图和优选实施例详细描述本发明，本发明的目的和效果将变得更加明白，以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
一种基于虚拟重复贯入试验的抗剪切疲劳双层沥青混合料级配优化方法，该方法具体包括如下步骤：
S1：首先进行沥青胶浆的单轴蠕变压缩试验，获得接触模型的30℃沥青胶浆粘弹性参数，如表1所示；然后虚拟重复剪切疲劳试验通过模拟沥青混合料重复单轴贯入试验测定沥青混合料在重复贯入作用下失效的作用次数N，评价沥青混合料剪切疲劳寿命。
表1 30℃沥青胶浆粘弹性参数
二、沥青混合料剪切疲劳虚拟试验方法(PFC模拟试验)
沥青混合料单轴重复贯入试验能够用于测定沥青混合料的疲劳强度，为沥青混合料配合比设计、检验沥青混合料高温稳定性提供依据。试验的对象尺寸为Φ100mm±2.0mm或Φ150mm±2.0mm、高100mm±2.0mm(可根据需要采用其他高度)的沥青混合料圆柱形试件，试验标准温度为30℃(也可根据需要采用其他温度)。
试验以应力控制的方式在材料试验机(MTS)上进行，所施加的荷载均为半正矢波连续加载，试验开始后，记录加载次数和位移；荷载间歇时间对混合料疲劳性能的影响很大，在室内试验中不考虑荷载间歇时间的影响，一方面是为了加快试验速度，另一方面也是出于避免混合料试件受到压头冲击的考虑。加载的压头采用不锈钢材质，压头上部设置尺寸为长×宽×厚＝50mm×50mm×10mm的薄板；对于Φ150mm的试件，压头尺寸为Φ42mm×50mm，对于Φ100mm试件，压头尺寸为Φ28.5mm×50mm，压头圆柱部分与试件上表面接触，如图1所示。
典型的单轴剪切疲劳曲线有三个阶段：压密阶段、弹性阶段和破坏阶段，如图2所示，本发明选取图2疲劳试验曲线中直线阶段(弹性变形阶段)和破坏阶段的交点作为破坏点，在这一点试件内的微裂缝开始迅速发展。
因此，虚拟重复剪切疲劳试验的具体步骤如下：
S2.1：根据选定的集料级配，计算双层沥青混合料上下层不同级配中各档集料用量，并计算各档集料所需生成的球体颗粒数量；
S2.2：按照S2.1的球体颗粒数量，在离散元软件中随机生成上下两层不同级配的3D虚拟贯入试验双层沥青混合料圆柱形试件，试件的尺寸为Φ100mm±2.0mm或Φ150mm±2.0mm、高度为(下层60mm+上层40mm)±2.0mm，对应的与试件接触的压头的尺寸分别为Φ28.5mm×50mm和Φ42mm×50mm；进一步生成包含圆柱形压头和承载板的三维离散元模型，且所述的沥青混合料圆柱形试件的上表面与圆柱形压头的下表面接触，沥青混合料圆柱形试件的下表面与承载板接触，并赋予试件通过S1的试验所得的表1的粘弹性参数和表2的模型中的材料参数，并将圆柱形压头和承载板定义刚体，也赋予表2中对应的材料参数。将温度设定为30℃的虚拟剪切疲劳试验模型如图3所示。
表2沥青混合料试验材料参数
S2.3：控制承载板位移为0，赋予压头半正弦波的加载方式，多次加载直至所建模拟试件从沥青混合料加载次数-相对变形曲线的弹性阶段进入破坏阶段，其曲线切线斜率超过10000以后停止加载，记录破坏时的加载次数，加载次数越多，说明所选级配的疲劳寿命越长。
本实施例以上层级配固定，下层级配变化为例，本发明以下表3中五种组合级配作为优化对象进行沥青混合料剪切疲劳试验模拟。表1中，上层级配作为组合试件上层所用级配，下层级配1、级配2、级配3、级配4、级配5为模拟试件下层所用级配，生成的试件上层为Φ100mm×40mm，下层为Φ100mm×60mm，将两层试件粘结在一起作为一个试件进行模拟试验：
表3模拟沥青混合料级配
本实施例采用直径为28.5mm的钢制贯入压头，在虚拟试件一端中心处进行加载，设试件破坏时的极限荷载为F，以峰值应力为0.3F的半正弦波加载形式进行加载卸载，反复多次直至所建模拟试件破坏，记录整个加载过程中的加载次数。将温度设定30℃，数值模拟的模型如图3所示，加载得到的加载次数-竖向相对变形图，如图4-图8所示。
根据上述模拟结果，级配1的疲劳寿命为721，级配2的疲劳寿命为814，级配3的疲劳寿命为878，级配4的疲劳寿命为903，级配5的疲劳寿命为923，故在所选的级配组合中当下层级配为级配5是为最优组合级配。
本领域普通技术人员可以理解，以上所述仅为发明的优选实例而已，并不用于限制发明，尽管参照前述实例对发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实例记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在发明的精神和原则之内，所做的修改、等同替换等均应包含在发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种基于虚拟重复贯入试验的抗剪切疲劳双层沥青混合料级配优化方法，其特征在于，该方法具体包括如下步骤：
S1：由沥青胶浆的单轴蠕变压缩试验结果拟合得接触模型的30℃沥青胶浆粘弹性参数，如表1所示；
表1 30℃沥青胶浆粘弹性参数
S2：虚拟重复剪切疲劳试验，通过模拟双层沥青混合料重复单轴贯入试验，测定沥青混合料在重复贯入作用下失效的作用次数，评价双层沥青混合料剪切疲劳寿命；
S2.1：根据选定的集料级配，计算双层沥青混合料上层和下层级配中各档集料用量，并计算各档集料所需生成的球体颗粒数量；
S2.2：按照S2.1的球体颗粒数量，在三维离散元软件PFC3D中随机生成上下两层不同级配的3D虚拟贯入试验双层沥青混合料圆柱形试件，进一步生成包含圆柱形压头和承载板的三维离散元模型，且所述的沥青混合料圆柱形试件的上表面与圆柱形压头的下表面接触，沥青混合料圆柱形试件的下表面与承载板接触，并赋予试件通过S1的试验所得的表1的粘弹性参数和表2的模型中的材料参数，并将圆柱形压头和承载板定义刚体，也赋予表2中对应的材料参数；
所述的S2的模拟过程在三维离散元软件PFC3D中进行；
表2模型中材料参数
S2.3：控制承载板位移为0，赋予压头半正弦波的加载方式，多次加载直至所建模拟试件从沥青混合料加载次数-相对变形曲线的弹性阶段进入破坏阶段，其曲线切线斜率超过10000以后停止加载，记录破坏时的加载次数，加载次数越多，说明所选级配的疲劳寿命越长；
基于Fish语言实现半正弦波的重复加载方式。
2.根据权利要求1所述的基于虚拟重复贯入试验的抗剪切疲劳双层沥青混合料级配优化方法，其特征在于，所述的沥青混合料圆柱形试件的尺寸为Φ100mm±2.0mm或Φ150mm±2.0mm、高度为(下层60mm+上层40mm)±2.0mm，对应的与试件接触的压头的尺寸分别为Φ28.5mm×50mm和Φ42mm×50mm。
3.根据权利要求1所述的基于虚拟重复贯入试验的抗剪切疲劳双层沥青混合料级配优化方法，其特征在于，所述的沥青混合料室内蠕变试验的标准温度为30℃。
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