CN111882189A - 一种沥青路面的非显性结构完整性评估方法 - Google Patents

一种沥青路面的非显性结构完整性评估方法 Download PDF

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Abstract

一种沥青路面的非显性结构完整性评估方法，建立沥青路面非显性结构完整性评定直接参数Zi，对Zi失效进行评定，建立沥青路面非显性结构完整性评定间接参数Jj积分，对Jj失效进行评定，联合直接参数Zi和间接参数Jj积分建立基于双判据准则的沥青路面非显性结构完整性评定模型。本发明方法适用于多种工况下的沥青路面，可在早期对沥青路面的非显性结构完整性做出快速评定。本发明沥青路面非显性结构完整性评估方法与现有基于表面结构完整性评估方法相比，具有可预见性，可以提前预测路面的病害状况。在路面还未出现裂缝，车辙、坑槽等病害时，即可在沥青路面服役性能演变的早期关键节点进行预防与合理养护，延长路面使用寿命。

Description

一种沥青路面的非显性结构完整性评估方法
技术领域
本发明涉及公路路面服役性能评估方法，尤其涉及一种沥青路面的非显性结构完整性评估方法。
背景技术
沥青路面因其噪音低、行驶舒适性高及优异的服役性能等优点，我国近80％公路及城市路面采用沥青材料进行铺设。然而，在交通荷载和环境因素的共同作用下，沥青路面经常在早期出现大量不同程度的开裂现象。对沥青路面而言，其服役性能演变与累积损伤的过程可视为结构完整性发生变化的过程。在服役期间，沥青路面(以沥青混合料层为例)难免会存在或者出现一些微细观缺陷(如界面性能衰减、亚临界裂纹等)，由于环境和荷载作用而引发早期非显性结构完整性变化乃至失效，通常具有隐蔽性，肉眼或者宏观表征难以准确界定。非显性结构完整性失效意味着服役性能临界状态的突破，此时衰变开始加速，对沥青路面服役可靠性影响凸显。
因此，如何界定、合理评估沥青路面的早期非显性结构完整性，通过科学、快速合理的检测手段对现有的设计体系下的路面结构和发生的病害进行早期检测，探索其在“结构”与“材料”多尺度耦合下的早期损害机理，预测其动态演变趋势；为管理者提供一个及时有效的养护措施，帮助实现沥青路面服役性能演变的早期关键节点预防与合理养护，对增加沥青路面服役可靠性意义重大，可延长沥青路面的使用期限，为沥青路面服役性能评估与合理养护策略提供理论参考。
发明内容
为解决上述问题，本发明提出沥青路面的非显性结构完整性评估方法，具体技术方案为：
一种沥青路面的非显性结构完整性评估方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)建立沥青路面非显性结构完整性评定直接参数Zi；
(2)对沥青路面非显性结构完整性直接参数Zi失效进行评定；
(3)建立沥青路面非显性结构完整性评定间接参数Jj积分；
(4)对沥青路面非显性结构完整性间接参数Jj失效进行评定；
(5)联合直接参数Zi和间接参数Jj积分建立基于双判据准则的沥青路面非显性结构完整性评定模型。
进一步地，在所述步骤(1)中，拟合所述直接参数
Figure BDA0002588251620000021
及直接参数变化量
Figure BDA0002588251620000022
并以纳米压痕测试联合电镜扫描技术进行相关试验；其中，关联参数为沥青混合料中沥青与集料界面间的界面厚度D、界面弹性模量E和界面强度F。
进一步地，在所述步骤(2)中，建立微细观界面应力参数σ(Zi)，当σ(Zi)＞＞F时，判定沥青路面存在界面脆性开裂，产生微裂纹，发生第一类失效，其判定准则为第一类失效准则。
进一步地，当ΔZi≥[Zi]时，判定发生第一类失效；当ΔZi＜[Zi]时，判定沥青混合料微细观界面性能基本稳定，对沥青路面的非显性结构完整性影响不大；其中，[Zi]为直接参数门限值。
进一步地，在所述步骤(3)中，结合有限元软件ABAQUS模拟沥青混料开裂，以能量的观点分析沥青混合料的亚临界裂纹扩展过程中相关参数的改变，求解多组数据Jj，并与试验所得的沥青混料的断裂韧度参数进行对比验证。
进一步地，在所述步骤(4)中，通过试验可确定断裂韧度Jc，当围绕裂纹尖端的Jj＞[Jc]时，判定沥青路面产生的亚临界裂纹开始失稳，并快速扩展，发生第二类失效，其判定准则为第二类失效准则；其中，[Jc]为间接参数门限值。
进一步地，在所述步骤(5)中，按直接参数变化量ΔZi和间接参数Jj积分对总结构超限度的影响权重比，建立广义结构超限度K(t)，根据沥青路面缺陷区域的几何参数、强度水平和材料性能，以ΔZi、Jj积分的超限度和K(t)小于规定值作为双判据，判定沥青路面非显性结构的完整性。
有益效果：
(1)本发明方法适用于多种工况下的沥青路面，可在早期对沥青路面的非显性结构完整性做出快速评定。
(2)本发明提供的沥青路面非显性结构完整性评估方法与现有基于表面结构完整性评估方法相比，具有可预见性，可以提前预测路面的病害状况。在路面还未出现裂缝，车辙、坑槽等病害时，即可在沥青路面服役性能演变的早期关键节点进行预防与合理养护，延长路面使用寿命。
(3)本发明提供的双判据评定模式公式可以作为《公路技术状况评定标准》的完善和补充。
附图说明
图1为本发明评估方法流程图。
图2为本发明沥青混合料界面区示意图。
图3为本发明沥青路面非显性结构完整性的双判据评定模式。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步描述：
如图1-3所示，一种沥青路面的非显性结构完整性评估方法，从沥青混合料微细观界面参数性能与亚临界裂纹的混沌演化角度探讨其非显性结构完整性，包括以下步骤：
(1)建立沥青路面非显性结构完整性评定直接参数Zi；
(2)对沥青路面非显性结构完整性直接参数Zi失效进行评定；
(3)建立沥青路面非显性结构完整性评定间接参数Jj积分；
(4)对沥青路面非显性结构完整性间接参数Jj失效进行评定；
(5)联合直接参数Zi和间接参数Jj积分建立基于双判据准则的沥青路面非显性结构完整性评定模型。
在所述步骤(1)中，建立沥青路面非显性结构完整性评定直接参数Zi。
具体地，以纳米压痕测试联合电镜扫描技术进行相关试验，测试微细观层次的沥青、集料和界面相的压痕模量与纤维硬度，建立拟合所述直接参数
Figure BDA0002588251620000041
式中：D—界面厚度；
E—界面弹性模量；
F—界面强度。
当直接参数发生改变时，直接参数变化量为
Figure BDA0002588251620000042
式中：ΔD—界面厚度变化量；
ΔE—界面弹性模量变化量；
ΔF—界面强度变化量。
本实施例中，根据相关研究文献，假定沥青与集料界面厚度D为0.05mm，界面弹性模量E为10000MPa，界面强度F为0.83Mpa，计算拟合ΔZi。沥青路面在服役过程中性能衰减或有潜在微观损伤，则D、E、F参数值会发生改变，该变化值亦可通过试验及模拟得到；联合上述纳米压痕联合试验数据，模拟生成10组数据ΔZi(i＝1,2,3,4,5,6,7,8,9,10)，具体数据见表1。
在所述步骤(2)中，对沥青路面非显性结构完整性直接参数Zi失效进行评定。
具体地，建立微细观界面应力参数σ(Zi)，当σ(Zi)＞＞F时，判定沥青路面存在界面脆性开裂，微裂纹开始萌生，发生第一类失效，将其判定准则为第一类失效准则。
基于以上失效假设，以概率模型的形式建立沥青路面界面直接参数损伤失效判据准则。当ΔZi≥[Zi]时，判定发生第一类失效；当ΔZi＜[Zi]时，判定沥青混合料微细观界面性能基本稳定，对沥青路面的非显性结构完整性影响不大；其中，[Zi]为直接参数门限值，可根据试验与计算求得。
本实施例中，根据研究文献及工程经验，假定直接参数变化量门限值[ΔZi]为0.8，若直接参数变化量ΔZi超出门限值[ΔZi]的20％时，界面将失效。即：
Figure BDA0002588251620000051
式中，[ΔZi]′为数值处理后的直接参数变化量的超限度。关于沥青路面非显性结构完整性直接参数失效情况如下表1所示。
表1沥青路面非显性结构完整性直接参数失效情况
Figure BDA0002588251620000052
在所述步骤(3)中，建立沥青路面非显性结构完整性评定间接参数Jj积分。
沥青混合料具有独特的弹塑性特性，其开裂通常具有多条裂纹，其混沌演化复杂多变，几何参数难以精确表征其弹塑性失稳区间。基于弹塑性断裂力学的J积分思路，以能量的观点分析沥青混合料的亚临界裂纹扩展过程。
通过步骤(1)中纳米压痕联合电镜扫描技术试验，结合有限元软件ABAQUS模拟沥青混料开裂，改变相关参数，求解10组数据Jj(j＝1,2,3,4,5,6,7,8,9,10)，具体，数据见表2。
在所述步骤(4)中，对沥青路面非显性结构完整性间接参数Jj失效进行评定。
由压痕试验的载荷深度曲线可以确定沥青—集料的断裂应变、屈服强度、弹性模量和泊松比，由压痕试验所测的回弹能力来确定开裂弹塑性区尺寸，由断裂延伸率理论，运用均匀应变来表示断裂应变。由试验计算确定断裂韧度Jc：
Figure BDA0002588251620000061
式中：rc—弹塑性区尺寸；
σR—流动应变；
ef—断裂应变；
E—界面弹性模型；
v—泊松比，取0.3。
其中：rc＝f(UR)，ef＝f(εu)，则：
Figure BDA0002588251620000062
式中：UR—回弹能力；
εu—均匀应变。
当围绕裂纹尖端的Jj＞[Jc]时，认为沥青路面产生亚临界裂纹开始失稳，然后快速扩展，发生第二类失效，其判定准则为第二类失效准则；其中，[Jc]为直接参数门限值。基于以上失效假设，以概率模型的形式建立沥青路面界面损伤间接参数失效判据准则。
本实施例中，根据研究文献及工程经验，假定间接参数门限值[Jc]取值3.5kJ/m2，若间接参数Jj超出门限值[Jc]的20％时，界面将失效。
Figure BDA0002588251620000063
上述[Jj]′为数值处理后的间接参数的超限度。关于沥青路面非显性结构完间接直接参数失效情况如下表2所示。
表2沥青路面非显性结构完间接直接参数失效情况
Figure BDA0002588251620000064
Figure BDA0002588251620000071
在所述步骤(4)中，联合直接参数Zi和间接参数Jj积分建立基于双判据准则的沥青路面非显性结构完整性评定模型。
按直接参数变化量ΔZi和间接参数Jj积分对总结构超限度的影响权重比，建立广义结构超限度K(t)，综合考虑沥青路面缺陷区域的几何参数、强度水平和材料性能，以ΔZi、Jj积分的超限度和K(t)小于规定值作为双判据，判定沥青路面非显性结构的完整性。随着加载时间历程变化，预测缺陷区域非显性结构完整性的发展变化，为沥青路面服役性能演变提供参考依据。如图3所示，直接参数Zi和间接参数Jj积分的范围取值均不能超限，否则即判定为发生非显性结构完整性破坏，即沥青路面存在非安全区。
本实施例中，根据研究文献及工程经验，假定直接参数变化量ΔZi和间接参数Jj积分对总结构超限度具有的影响权重比为7:3，即将广义结构超限度K(t)表示如下：
Figure BDA0002588251620000072
若广义结构超限度>20％，则认为界面将损伤失效。其广义结构超限度处理如下表3：
表3沥青路面非显性结构完联合失效情况
Figure BDA0002588251620000081
只有同时满足直接参数变化量的超限度[ΔZi]′和间接参数的超限度[Jj]′均小于20％，且广义结构超限度K(t)小于20％时，界面才没有损伤失效。随机抽样总数为N，而[ΔZi]′、[Jj]′小于20％且广义结构超限度K(t)小于20％的次数为n，综合上述判定，本实施例中的界面损伤失效概率为30％。

Claims (7)

1.一种沥青路面的非显性结构完整性评估方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)建立沥青路面非显性结构完整性评定直接参数Zi；
(2)对沥青路面非显性结构完整性直接参数Zi失效进行评定；
(3)建立沥青路面非显性结构完整性评定间接参数Jj积分；
(4)对沥青路面非显性结构完整性间接参数Jj失效进行评定；
(5)联合直接参数Zi和间接参数Jj积分建立基于双判据准则的沥青路面非显性结构完整性评定模型。
2.根据权利要求1所述的一种沥青路面的非显性结构完整性评估方法，其特征在于，在所述步骤(1)中，拟合所述直接参数
Figure FDA0002588251610000011
及直接参数变化量
Figure FDA0002588251610000012
并以纳米压痕测试联合电镜扫描技术进行相关试验；其中，关联参数为沥青混合料中沥青与集料界面间的界面厚度D、界面弹性模量E和界面强度F。
3.根据权利要求2所述的一种沥青路面的非显性结构完整性评估方法，其特征在于，在所述步骤(2)中，建立微细观界面应力参数σ(Zi)，当σ(Zi)＞＞F时，判定沥青路面存在界面脆性开裂，产生微裂纹，发生第一类失效，其判定准则为第一类失效准则。
4.根据权利要求3所述的一种沥青路面的非显性结构完整性评估方法，其特征在于，当ΔZi≥[Zi]时，判定发生第一类失效；当ΔZi＜[Zi]时，判定沥青混合料微细观界面性能基本稳定，对沥青路面的非显性结构完整性影响不大；其中，[Zi]为直接参数门限值。
5.根据权利要求1所述的一种沥青路面的非显性结构完整性评估方法，其特征在于，在所述步骤(3)中，结合有限元软件ABAQUS模拟沥青混料开裂，以能量的观点分析沥青混合料的亚临界裂纹扩展过程中相关参数的改变，求解多组数据Jj，并与试验所得的沥青混料的断裂韧度参数进行对比验证。
6.根据权利要求5所述的一种沥青路面的非显性结构完整性评估方法，其特征在于，在所述步骤(4)中，通过试验可确定断裂韧度Jc，当围绕裂纹尖端的Jj＞[Jc]时，判定沥青路面产生的亚临界裂纹开始失稳，并快速扩展，发生第二类失效，其判定准则为第二类失效准则；其中，[Jc]为间接参数门限值。
7.根据权利要求3或6所述的一种沥青路面的非显性结构完整性评估方法，其特征在于，在所述步骤(5)中，按直接参数变化量ΔZi和间接参数Jj积分对总结构超限度的影响权重比，建立广义结构超限度K(t)，根据沥青路面缺陷区域的几何参数、强度水平和材料性能，以ΔZi、Jj积分的超限度和K(t)小于规定值作为双判据，判定沥青路面非显性结构的完整性。
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