CN109520870B

CN109520870B - 一种直线道路温度场加速试验方法

Info

Publication number: CN109520870B
Application number: CN201811238612.9A
Authority: CN
Inventors: 孙凤艳; 邓黎明; 杨海露; 苗英豪; 汪林兵
Original assignee: University of Science and Technology Beijing USTB
Current assignee: University of Science and Technology Beijing USTB
Priority date: 2018-10-23
Filing date: 2018-10-23
Publication date: 2020-07-31
Anticipated expiration: 2038-10-23
Also published as: CN109520870A

Abstract

本发明涉及道路监测技术领域，提供了一种直线道路温度场加速试验方法，包括确定待评价道路的试验加载频次；对待评价道路所在区域的环境温度进行拟合，得到地域环境温度谱；并根据所述地域环境温度谱确定高温、低温作用时间占比；通过WLF方程计算作用温度场加速倍率；根据所述温度场加速倍率确定所述待评价道路的加载周期；根据所述试验加载频次、所述加载周期及所述高温、低温作用时间占比，确定加载方案，实现温度场加速加载。本发明适用于对直线道路温度场加速加载寿命的预测，极大的减小了试验周期，更加贴近实际加速作用机理，符合自然状态温度长期作用下道路性能的加速规律。进一步提高了道路寿命服役评价的预测准确度。

Description

一种直线道路温度场加速试验方法

技术领域

本发明涉及道路监测技术领域，特别涉及一种直线道路温度场加速试验方法。

背景技术

温度对道路作用的长期作用严重影响着道路的服役安全性能：

1.沥青及沥青混合料的路用性能受温度的影响很大,在夏季高温季节,沥青路面主要产生车辙病害,冬季低温季节则由于气温骤降及反复降温而产生温缩裂缝。长期作用下导致疲劳失效。

2.气温对沥青路面影响的另一方面还表现在土基强度的变化。零度以下的水使得道路土基体积增大而发生冻胀现象，春季溶解时积聚在路基上层的水分无法及时排出使得土基含水量增加、强度降低,导致路基路面结构产生较大变形甚至翻浆。

3.道路结构温度场随当地气温和太阳辐射强度的变化而变化。太阳辐射中的紫外光照长期作用导致沥青材料老化，从而对道路材料的动稳定度产生巨大影响。

传统的道路加速加载试验方法，仅考虑的道路载荷量及加载频次，加速试验装置常常为开露的设施，无法完成温度场加速模拟，也就无法更加真实的模拟实际环境中道路长期年限的作用。因此无法正确的评估道路在实际使用环境中时的寿命。

发明内容

本发明的目的就是克服现有技术的不足，提供了一种直线道路温度场加速试验方法。

本发明采用直线加速加载试验装置，用于模拟特殊地域环境下不同载荷类型、不同材料和不同结构的加速加载的半轴试验。试验模拟真实条件，短期试验可以得到长期规律，应用于对不同路面类型、不同荷载类型、不同路用材料的比较，或者对路面响应和材料状况模型的验证。从而提高道路设计、施工、使用、养护等技术，为制定相关的技术规范提供依据。

直线加速加载试验装置可以在加载空间内模拟温度、降雨、紫外光照、地下水等环境因素对路面的影响，通过轨道在两个直线试验道间进行平移，满足交替加载试验。

本发明的技术方案如下：

一种直线道路温度场加速试验方法，该方法包括：

确定待评价道路的试验加载频次；

对待评价道路所在区域的环境温度进行拟合，得到地域环境温度谱；并根据所述地域环境温度谱确定高温、低温作用时间占比；

通过WLF方程计算温度场加速倍率，；根据所述温度场加速倍率确定所述待评价道路的加载周期；

根据所述试验加载频次、所述加载周期及所述高温、低温作用时间占比，确定加载方案，实现温度场加速加载。

进一步的，具体包括如下步骤：

步骤一、确定待评价道路的试验加载频次：针对待评估道路的设计规范及日平均车流量计算总流量，并通过不同的重载增益系数预估使用年限计算所述试验加载总频次C_road；

步骤二、收集待评价道路所在地区日气温变化数据，将日最高气温曲线及日最低气温曲线分别拟合得出周期变化曲线，从而确定温度环境谱；计算高温时间段占比a％，及低温时间段占比b％，并将加载总频次C_road分配给高温与低温阶段，即C_a，C_b；

步骤三、收集待评价道路所在地区的道路结构温度梯度状态；

步骤四、确定加速加载试验控温层H_deep及加热时间Ta；

步骤五、由时温等效WLF方程计算温度场加速倍率ε，根据所述温度场加速倍率ε求出高温加载时长

及低温加载时长

步骤六、根据步骤四中控温层H_deep及加热时间Ta，对道路温度场梯度初始化；再根据步骤二中求得的高温加载频次C_a和低温加载频次C_b，及步骤五中求得的高温加载时长

和低温加载时长

对待评价道路进行加载试验；

步骤一、步骤二、步骤三之间无时间先后顺序，同时进行或不同时进行。

进一步的，还包括步骤七、加载试验结束后，对所述待评价道路的路面进行检查，对比实际长期路面情况，评价道路寿命服役性能。

进一步的，步骤一中，首先确定待评估道路的单一车道车辆加载频次，再将所述单一车道车辆加载频次换算为直线加速加载装置的试验加载频次：

其中：C_road为试验加载频次，Cs为单一车道车辆加载频次，

为重载增益系数。

进一步的，步骤二中，将日最高、低气温分别求和取平均，得到T_max和T_min，小于T_min的区域部分为低温阶段，大于T_max的阶段为高温阶段；T_min至T_max的过程为升温阶段，T_max至T_min的过程为降温阶段，分别计算时间占比。

进一步的，步骤四中，控温层H_deep及加热时间Ta均由仿真试验确定。

进一步的，步骤五中，

与

的计算方法如下：

以控温层H_deep的温度为依据，高温时温度场加速倍率ε_H与高温加载时长

的乘积得出高温状态下温度场相对实际环境的作用时长；低温时温度场加速倍率ε_L与低温加载时长

的乘积得出低温状态下的温度场相对实际环境的作用时长，两者求和即为道路设计寿命年限：

其中：Δ为道路设计寿命年限，一般为10～15年；根据ε_H、ε_L计算

与

进一步的，步骤六中，温度场加速倍率按以下方法求得；

根据室温等效原理有：

其中，a_T为位移因子；B为常数，取值1；C₁及C₂为经验参数；T与T_s为温度；τ和τ_s是分别在温度T与T_s时松弛的时间；则有：

其中：ρ_s与ρ分别为温度T_s与T下的密度，η与η_s为温度T_s与T下的动力粘度。

在自然状态中固体状态的物质受温度的影响密度变化非常小，ρ_sT_s/ρ_T＝1，求解位移因子a_T等于为当前状态下动力粘度的比值；

根据求解的位移因子，标定得到相应温度状态的WLF方程；

再根据室温等效原理计算温度场加速倍率：

其中：t为作用时间长度，T为参考作用温度，T_s为温度场加速倍率求解的参考温度。

本发明的有益效果为：模拟温度、降雨、紫外光照、地下水等环境因素对路面的影响，更加符合道路加载机理，完成温度场与载荷耦合作用；无论是研究路面材料在加速温度场环境中的动力作用反应，还是服役后的剩余寿命预估评价，验证路面结构性能都有着极其重要的意义；方法设计合理、高效、应用前景广阔。

附图说明

图1所示为本发明实施例一种直线道路温度场加速试验方法的流程示意图。

图2所示为本发明实施例中2015-2017昌平地区气温数据曲线图。

图3所示为2015-2017拟合曲线各季节占比。

图4所示为本发明实施例中温度控制阶段图。

图5所示为研究区域温度梯度典型季节数据图。

其中：图5-1 2011年4月14日；图5-2 2010年7月20日；图5-3 2010年10月3日；图5-4 2011年11月22日。

图6所示为实施例中升温时间T_a确定曲线图。

具体实施方式

下文将结合具体附图详细描述本发明具体实施例。应当注意的是，下述实施例中描述的技术特征或者技术特征的组合不应当被认为是孤立的，它们可以被相互组合从而达到更好的技术效果。在下述实施例的附图中，各附图所出现的相同标号代表相同的特征或者部件，可应用于不同实施例中。

在下面实施例中，采用直线加速加载试验道来模拟实际道路，试验道长12m，宽4.5m，有效长度为6m；直线加速加载试验装置整体尺寸为长22m，宽16.5m，高5.5m；用以模拟道路的车辆荷载。应当说明的是，上述试验道、试验装置均只是示例性的，不应以之为本发明保护范围的限定。

本发明实施例一种直线道路温度场加速试验方法，流程如图1所示，包括如下步骤：

步骤一、确定待评价区域道路的试验加载频次。

道路的设计使用预测时间如下：

道路设计国家及省属重要干线公路——20年预测；

国家及省属干线公路——15年预测；

国家及省属干线高速公路——20年预测；

本实施例取15年为预测时间。

计算年车流通量，通量推导公式：

N_d＝N₀(1+γ)^n-1

其中：N_d为预测年平均日交通量(辆/d)，N₀为起算年均日交通量路段日车流计算平均得到N₀＝1.8(万)(见表1)，公路建成后从其他道路得到的交通量，γ为年平均增长率取0.05，n为预测年限。

分别记录N₁，N₂，N₃，...，N_n并求和得Ns。道路种类确定预测年限为n，

N_s＝N₁+N₂+N₃+…+N_n

计算求平均值

带入求得

表1 测试地区道路日交通量

编号	线路	路线编号	公里长度	交通量
					1	北京-张家口	G6	30.98	11637
2	京石-石安高速	G4	34.24	18548
					3	北京-秦皇岛	G1	21.38	25787
4	河北段	G2	71.9	16149

计算相应道路的可通行能力为：

C_p＝C_B×f_W×f_HV×f_p

其中：C_p为道路可能通行能力，f_W为车道宽及侧向净空修正系数，f_HV为交通组成或大型车修正系数，f_p为驾驶员修正系数一般为0.9～1。

其中：P_i为车辆类型i占交通量的百分比，E_i为车辆i的折算系数。

计算道路可通行能力为：

其中：V/C是在理想条件下，最大服务交通量与基本通行能力之比(表3)，基本通行能力是四级服务水平上半部的最大交通量。根据高速公路服务水平分级选取对应的V/C值。

表2 设计小时交通量系数

计算相应车道数量：

其中：N为车道数量，D为50％～80％，一般为67％。宜取50％～60％。K为选定时间段交通量与年平均日交通量的比值一般在8％～18％。N_CD取2～3,即双向4～6车道。

计算出单一车道车辆一年内的总加载频次C_s为：

换算为直线加速加载装置的加载频次。由车辆种类交换系数表可以得到加载系数为10(表2),车辆载荷等级有汽车-10级、汽车-15级、汽车-20级、汽车-超20级四个等级。车辆标准载荷量在双轴20～50KN之间换算成单轴则为10～20KN，直线加速加载装置的轴载为单轴50～112.5KN，可计算得到重载倍率

范围约为3～6。故可以计算得到一个加速加载实验完整周期内的的总试验加载频次C_road：

其中：C_road为实验周期内的总试验加载频次，

为重载倍率，C_s为单车道车辆一年的总加载频次。

代入计算可以得到最高重载及最低重载状态下测量评估测试的加载频次约为80～250万次，对应的加载为50～112.5KN。本实施例中选取加载频次为100万次，60KN加载。

表3 车辆种类换算系数表

车辆种类	换算系数
		载货汽车、大客车、重型载货汽车、拖拉机	10
带挂车的载货汽车、大平板车	1.5
		小汽车	0.5
兽力车	2
		自行车	0.1

步骤二、道路区域气温数据Data收集(表5)，拟合绘制该区域温度谱得到拟合曲线f(x)(图2)，计算各阶段时间占比。

将日最高/低气温求和取平均，得到T_max和T_min，将小于T_min的区域部分视为低温阶段即冬天，将大于T_max的阶段视为高温阶段即夏天。其余在T_min至T_max的过程看做为升温阶段即春天，T_max至T_min的过程看过降温阶段即秋天。分别计算时间占比，可由曲线图计算出占比分别为：春季占比：0.175；夏季占比：0.4；秋季占比：0.175；冬季占比：0.25(图3)。

将加载周期简化为高温及低温加载两个阶段，略去春季及秋季的升温降温影响，此时重新计算高温及低温阶段占比为：

计算加载频次C_a与C_b：

C_a＝a％*C_road＝0.6*1000000＝60万次

C_b＝b％*C_road＝0.4*1000000＝40万次

即，再高温阶段中的加载总频次C_a为60万次，低温中加载的频次为40万次。

表5-1 昌平地区2015年日气温数据

表5-2 昌平地区2015年日气温数据

步骤三、地区道路结构温度梯度状态收集

本实施例道路结构温度梯度数据如图5所示。将道路内部温度曲线绘制成图表；可作后期道路梯度温度状态对比。

步骤四、确定加速加载试验控温层H_deep及加热时间Ta

在直线加速加载实验装置中，参考温度层H_deep的确定以及初始温度加热升温时间t_a的确定：在本实施例中，H_deep选取可以表征道路路面结构是否合乎高温或是低温环境需求，可以更加简单的控制实验温度环境，大大减少试验过程中环境温度的变化多样性，因此选取适应的参考层深度H_deep有着非常重要的意义。此外，根据不同深度的H_deep初始温度加热升温时间t_a长度不一样，H_deep越深，则t_a越大，路面变化状态显示时间越缓慢，可能路面早已达到需求温度，传递到深处却需要很长时间。若H_deep太接近路面表层，则t_a越小，路面变化越快，但是却看不出道路内部的变化状态，因此需要确定选取一个H_deep可以表征路面表面及内部的温度状态情况，以此来作为实验环境达到需求的一个参考点，在此基础上，也尽可能的选取该时间H_deep对应升温时间最短的t_a。因此对道路模型进行建模，选取了四个参考点作为参考，分别为0.18m,0.38m，0.6m，以及0.8m处，对道路模型进行加热分析，对比分析选取0.38m处为最终道路控温层参考深度。此时对应的初始温度加热升温时间t_a为70h。如图6所示。

步骤五、计算温度场温度的加速倍率，根据所述温度场加速倍率ε求出高温加载时长

及低温加载时长

根据时温等效原理有：

其中：a_T为位移因子，f_r为自由体积分数，a_f为自由体积热膨胀系数，C₁及C₂为经验参数，T与Ts为温度，τ和Ts是分别在温度T与Ts时松弛的时间；B为常数，对所有材料B的值均取1；C1*C2≈900。

在自然状态中固体状态的物质受温度的影响密度变化非常小，ρ_sT_s/(ρT)＝1求解a_T；

根据求解的位移因子(表4)可以标定得到相应温度状态的WLF方程：

即以20℃为参考时的WLF方程为：

根据室温等效原理计算加速倍率：

由表4查得各温度相对于20℃时的位移因子计算可以得到：

表4 AC-13材料试验温度相对参考温度(20°)的移位因子

温度℃	-10	-5	20	35	50
						lnα	4.097	1.699	0	-1.699	-3.398

当路面温度由20℃上升到35℃时，就相当于车辆对路面的作用时间增大了50倍，即ε₁＝50；当温度由20℃上升到50℃时，就相当于车辆对路面的作用时间增大了250倍，即ε₂＝250。

以控温层H_deep深度为参考，当0.38m处温度为30℃时，路面温度将达到40～50度左右，在此范围内波动，此时加速倍率约为150倍。则可以得到加速试验的高温试验长度T_{test_H}为：

其中：T_{test_H}为高温试验长度，Δ为道路设计年限，a％为高温时长占比。

低温试验长度T_{test_L}计算：

升温时间已确定为t_a＝70h，由热能守恒降温时间t_b也在80h左右计算总预备时间T_r：

T_r＝t_a+t_b＝70+80＝150h≈7天

从而确定了加载周期T_test(图4)：

T_test＝T_r+T_{test_H}+T_{test_L}＝7+22+15＝44天

若以加载周期来确定则可以从确定加载温度。

步骤六、以步骤四确定的加速加载试验控温层H_deep及加热时间Ta，将道路温度场梯度初始化；并根据步骤二与步骤五求得的高温、低温加载时间长度及两个阶段分别加载的频次进行加载试验：

将加速加载装置中试验道路的初始状态化为春季气温时的状态，由最大速率加热升温至初始状态完成预备阶段，此环节试验道内部温度传感器可反馈协助完成。确定H_deep加热时长达到t_a后开始进行高温加载试验：本实施例中，高温加载温度为30℃(基于夏天昌平地区H_deep处的温度)，加载频次C_a为60万次，加载时间长度T_{test_H}为22天。随后开始降温时间，预计在3.5～4天内完成，后进行低温加载实验，低温加载温度为-5摄氏度(基于冬天昌平地区H_deep处的温度)，加载频次C_b为40万次，加载时间长度T_{test_L}为15天。加载完成后结束实验。

步骤七、加载试验结束，路面状态检查，对比实际长期路面情况，评价道路寿命服役性能。

本发明的方法适用于道路加速服役性能评价试验中，符合道路加载机理，完成温度场与载荷耦合作用，快速准确的进行道路加速试验。

本文虽然已经给出了本发明的几个实施例，但是本领域的技术人员应当理解，在不脱离本发明精神的情况下，可以对本文的实施例进行改变。上述实施例只是示例性的，不应以本文的实施例作为本发明权利范围的限定。