CN109918849A - 一种沥青路面沥青层现场模量主曲线的建立方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种沥青路面沥青层现场模量主曲线的建立方法，所述建立方法为：在沥青路面沥青层底部埋设横向应变传感器与纵向应变传感器，检测沥青路面沥青层底部在不同加载工况下的横向应变与纵向应变，根据测得的横向应变和纵向应变计算得到不同加载速度对应的路面的等效加载频率，利用abaqus有限元软件反算得到各沥青层不同加载工况下的现场模量，根据反算结果建立现场模量主曲线，并利用验证数据对现场模量主曲线进行验证，偏差小于20％，证明建立的现场模量主曲线为有效数据。本发明解决现有沥青路面沥青层受力关系不清晰导致沥青路面设计没有指导数据的问题。

Description

一种沥青路面沥青层现场模量主曲线的建立方法

技术领域

本发明实施例涉及道路工程领域，具体涉及一种沥青路面沥青层现场模量主曲线的建立方法。

背景技术

现阶段，我国高等级公路路面材料主要为沥青混合料，部分混凝土桥梁与钢桥的铺面材料也为沥青混合料。沥青混合料是一种典型的粘弹性材料，其力学特性受加载温度、加载速度的影响，因此，需要充分考虑不同加载状况对沥青路面的受力状态的影响。在道路工程领域，通常利用模量主曲线的方式来表征沥青混合料的粘弹性力学性质。但现阶段研究仅仅利用室内小尺寸试验来建立沥青混合料的室内模量主曲线，而尚未有确定沥青路面沥青层现场模量主曲线的研究与方法。室内小尺寸试验中沥青混合料的受力状态与现场沥青混合料相比有明显不同，这种受力状态的不同会导致室内模量主曲线不能准确的反映现场沥青路面沥青层的实际状态。因此，迫切需要一种方法来建立沥青层现场模量主曲线，以便准确的反映现场沥青路面沥青层的实际受力状态，为沥青路面的设计提供指导。

发明内容

为此，本发明实施例提供一种沥青路面沥青层现场模量主曲线的建立方法，以解决现有沥青路面沥青层受力关系不清晰导致沥青路面铺设没有指导数据的问题。

为了实现上述目的，本发明实施例提供如下技术方案：

根据本发明实施例公开了一种沥青路面沥青层现场模量主曲线的建立方法，所述建立方法为：在沥青路面沥青层底部埋设横向应变传感器与纵向应变传感器，检测沥青路面沥青层底部在不同加载工况下的横向应变与纵向应变，根据测得的横向应变和纵向应变波形计算得到不同加载速度对应的路面的等效加载频率，利用abaqus有限元软件反算得到各沥青路面沥青层不同加载工况下的现场模量，根据反算结果建立现场模量主曲线，并利用验证数据对现场模量主曲线进行验证，偏差小于20％，证明建立的现场模量主曲线为有效数据。

进一步地，在沥青路面沥青层底部埋设横向应变传感器与纵向应变传感器，一层沥青层，在该沥青层底部及沥青层中间埋设横向应变传感器与纵向应变传感器；两层沥青层，则在两层沥青层底部埋设横向应变传感器与纵向应变传感器；三层及以上沥青层，则在第一层沥青层底部及最后一层沥青层底部埋设横向应变传感器与纵向应变传感器，共检测得到两个沥青层深度处横向与纵向共四种应变。对于以上埋设位置，每层应至少包括两个平行的横向位移传感器与两个平行的纵向位移传感器。

进一步地，在不同的沥青层温度下，利用标准弯沉加载车在不同的行车速度下对路面沥青层进行加载，并利用应变采集仪实时采集应变数据，得到不同加载工况下的沥青层底应变，至少需要包括三种不同的沥青层温度与三种不同的加载车速度，且加载过程中保证加载车的后轮行驶过传感器正上方，应变采集仪的采样频率不小于100Hz。

进一步地，根据不同加载工况下的应变实测结果计算不同加载速度对应的路面等效加载频率。首先根据不同加载工况下应变波形计算其对应的响应总时间，使用±5微应变的阈值线确定应变响应时间的起点，并取应变曲线的前半段时间的二倍作为响应总时间，将响应总时间取其倒数作为对应的沥青层等效加载频率。按照该方法计算得到不同温度、不同加载车速度下横向与纵向应变对应的等效加载频率，利用公式(1)拟合等效加载频率数据，得到加载车速度与等效加载频率之前的关系。拟合得到公式(1)，可将不同加载车行驶速度数据转化为等效加载频率数据。

f＝a*v (1)

式中，f为等效加载频率，v为加载车行驶速度。

进一步地，利用abaqus有限元软件反算不同加载工况下沥青层的现场模量，对于一层沥青层结构，沥青层取同一模量值；对于两层及以上沥青层结构，沥青层统一按照两层模量值处理，且按照上述横向应变传感器与纵向应变传感器埋设位置进行分层划分，依照现场实际路面结构的信息，利用abaqus软件建立路面模型。

进一步地，模型中车辆荷载的接地面积及移动速度按照现场应变检测中的实际加载车进行设置。随后不断调整各沥青层模量，计算得到与现场传感器相同深度处沥青层的横向与纵向应变，对比计算应变数据与现场每一种加载工况下的实测应变数据的差异度，直至差异度最小，则该数据库数据所对应的结构层模量即为此加载工况下路面沥青层的现场模量。差异度的计算公式如式(2)所示。沥青层模量范围为100MPa～20000MPa，反算模量精确到100MPa，反算得到不同加载工况下沥青层的现场模量。

式中，δ为差异度，ε_cij为计算应变，ε_mij为实测应变，i为不同深度，j为不同应变类型。

进一步地，利用不同加载工况下沥青层的现场模量反算结果，建立沥青层现场模量主曲线，该步骤分为两个阶段。第一阶段，在反算得到的不同加载工况下的沥青层现场模量数据中，随机抽取出一种加载工况下的沥青层现场模量数据作为验证数据，将剩余加载工况下的沥青层现场模量数据利用公式(3)和公式(4)拟合得到待验证现场模量主曲线。

式中，E为反算得到的沥青层模量(Pa)，τ为参考温度下的等效加载频率(Hz)，δ、α、β及γ为拟合参数，a_T为其他温度下的转化因子，t为其他温度下的等效加载频率(Hz)。其中参考温度选定为几个路面温度的中间温度值。

第二阶段，使用验证数据对建立的现场模量主曲线进行验证，利用拟合得到的公式(3)和公式(4)计算得到用于验证的加载工况下的每层模量值，将每层计算模量值与该工况下的反算模量值进行比较，若偏差均小于20％，则证明建立的现场模量主曲线是有效的。偏差计算公式如公式(5)所示。

式中，E_c为主曲线计算得到的模量(Pa)，E_b为反算得到的模量(Pa)。

本发明实施例具有如下优点：

本发明实施例公开了一种沥青路面沥青层现场模量主曲线的建立方法，在沥青路面沥青层底部埋设横向与纵向应变传感器，在不同的路面温度下，利用加载车辆在不同的行车速度下对路面沥青层进行加载，并利用应变采集仪实时采集应变数据，得到不同加载工况下的沥青层底应变，根据测得的应变计算得到不同加载速度对应的路面等效加载频率，利用abaqus有限元软件建立路面模型，反算得到各沥青层的在不同加载工况下的现场模量，在不同加载工况下的反算模量数据中随机抽取出一种加载工况下的模量数据作为验证数据，利用其余加载工况下的模量数据建立现场模量主曲线，并利用验证数据对主曲线进行验证。本发明实施例可以准确的用于评估现场沥青层的实际模量特征，较好的保证所建立的主曲线的准确性，对沥青路面的铺设具有指导作用。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是示例性的，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图引伸获得其它的实施附图。

本说明书所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。

图1为本发明实施例提供的应变传感器埋设侧视图；

图2为本发明实施例提供的应变传感器埋设俯视图；

图3为本发明实施例提供的从应变响应波形中确定响应总时间的示意图；

图4为本发明实施例提供的拟合得到加载车行驶速度与等效加载频率关系的示意图；

图5为本发明实施例提供的钢桥面沥青路面abaqus模型的示意图；

图6为本发明实施例提供的两层沥青层现场模量主线的拟合结果示意图。

图中：1-横向应变传感器、2-纵向应变传感器。

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例

本实施例公开了一种沥青路面沥青层现场模量主曲线的建立方法，参考图2，在某处钢桥面沥青路面沥青层中埋设横向应变传感器1与纵向应变传感器2，由于该路面包含两层沥青层，将横向应变传感器1与纵向应变传感器2埋设在每层沥青层层底。

利用标准加载车进行现场加载试验，并采集沥青层中相应的应变数据。现场加载试验包括三种不同的沥青层温度，分别为31℃,22℃与4℃。每种温度下的加载试验包括四种不同的加载车加载速度，分别为2km/h、10km/h、20km/h以及40km/h。则现场加载试验共包括十二种不同的加载工况，测试过程中利用数据采集仪采集频率为100Hz。

根据十二种加载工况下的应变实测结果计算不同加载速度对应的路面等效加载频率。参考图3，计算十二种不同加载工况下两层沥青层层底横向应变波形及纵向应变波形对应的响应总时间，利用公式(1)对计算结果进行拟合，得到加载车行驶速度与路面等效加载频率之间的关系，拟合结果如图4所示。

十二种加载工况下两层沥青层层底的应变数值如表1所示，根据表中应变数据，利用abaqus有限元软件反算出不同加载工况下沥青层的现场模量。依照现场实际沥青层结构，利用abaqus软件建立模型。模型中车辆荷载的接地面积及移动速度按照现场应变检测中的实际加载车进行设置。

所建立的模型如图5所示，不断调整两层沥青层的模量，利用公式(2)计算有限元模型计算应变与现场每一种加载工况下的实测应变数据的差异度，直至差异度最小，则该数据库数据所对应的结构层模量即为此加载工况下路面沥青层的反算现场模量。十二种加载工况下的沥青层模量反算结果如表2所示。表2中，加载速度已经利用公式(1)转换为加载频率。

表1不同加载工况下沥青层层底应变值

表2不同加载工况下现场路面沥青层模量反算结果

利用十二种不同加载工况下沥青层的现场模量反算结果，建立沥青层现场模量主曲线。随机抽取出一种加载工况下的沥青层现场模量数据作为验证数据，本实施例中，选择温度为31℃、加载频率为5.08Hz的加载工况下的数据作为验证数据，使用剩余十一种加载工况下的沥青层现场模量数据利用公式(3)和公式(4)进行拟合，得到待验证现场模量主曲线，两层沥青层现场模量拟合结果如图4所示。

对得到的现场模量主曲线进行验证，参考图4，利用公式(3)和公式(4)的拟合参数，可以计算得到温度为31℃、加载频率为5.08Hz时两层沥青层的计算模量，第一层沥青层的计算模量为4056MPa，第二层沥青层的计算模量为3484MPa。验证数据中第一层沥青层的反算模量为4500MPa，第二层沥青层的反算模量为3300MPa。根据公式(5)计算得到两层沥青层计算模量与反算模量之间的偏差分别为9.9％与5.6％，均小于20％，则证明所建立的现场模量主曲线是有效的。本例中建立的沥青层现场模量主曲线能够反映沥青层的实际模量特征，根据这些主曲线能够较为准确的预测得到其他加载工况下的沥青层模量，从而可为沥青层结构的精细化设计提供参考。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (7)

1.一种沥青路面沥青层现场模量主曲线的建立方法，其特征在于，所述建立方法为：在沥青路面沥青层底部埋设横向应变传感器(1)与纵向应变传感器(2)，检测沥青路面沥青层底部在不同加载工况下的横向应变与纵向应变，根据测得的横向应变和纵向应变波形计算得到不同加载速度对应的路面的等效加载频率，利用abaqus有限元软件反算得到各沥青层不同加载工况下的现场模量，根据反算结果建立现场模量主曲线，并利用验证数据对现场模量主曲线进行验证，偏差小于20％，证明建立的现场模量主曲线为有效数据。

2.如权利要求1所述的一种沥青路面沥青层现场模量主曲线的建立方法，其特征在于，所述检测不同加载工况下沥青路面沥青层底部的横向应变与纵向应变，不同加载工况指不同的加载车行驶速度与不同的路面温度，应至少包括三种不同的加载车行驶速度，至少包括三种不同的路面温度。

3.如权利要求1所述的一种沥青路面沥青层现场模量主曲线的建立方法，其特征在于，所述计算不同加载速度对应的路面等效加载频率依据应变波形进行计算，根据不同加载工况下的应变波计算得到应变响应总时间，取响应总时间的倒数作为路面在该工况下的等效加载频率，将不同加载工况下的等效加载频率进行线性拟合，得到不同加载速度对应的等效加载频率。

4.如权利要求3所述的一种沥青路面沥青层现场模量主曲线的建立方法，其特征在于，所述响应总时间使用±5微应变的阈值线确定应变响应时间的起点，并取应变曲线的前半段时间的二倍作为响应总时间。

5.如权利要求1所述的一种沥青路面沥青层现场模量主曲线的建立方法，其特征在于，所述利用abaqus有限元软件反算得到各沥青层不同加载工况下的现场模量，利用abaqus有限元软件依照现场路面结构建立模型，不断调整各沥青层模量，计算得到与现场传感器相同深度处沥青层的横向应变与纵向应变，对比计算应变数据与现场每一种加载工况下的实测应变数据的差异度，直至差异度最小，则该数据库数据所对应的结构层模量即为此加载工况下路面沥青层的现场模量，反算得到不同加载工况下沥青层的现场模量。

6.如权利要求1所述的一种沥青路面沥青层现场模量主曲线的建立方法，其特征在于，所述建立现场模量主曲线包括两个阶段，第一阶段，在反算得到不同加载工况下沥青层现场模量数据中，随机抽取出一种加载工况下的沥青层现场模量数据作为验证数据，利用其他加载工况下的沥青层现场模量数据建立待验证现场模量主曲线；第二阶段，使用验证数据对建立的现场模量主曲线进行验证，如果验证通过，则建立了有效的现场模量主曲线。

7.如权利要求6所述的一种沥青路面沥青层现场模量主曲线的建立方法，其特征在于，所述验证数据阶段将每层计算模量值与该工况下的反算模量值进行比较，当偏差均小于20％，则证明建立的现场模量主曲线为有效曲线。