CN112084566A - 一种双层排水沥青路面孔隙结构衰减规律分析方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种双层排水沥青路面孔隙结构衰减规律的分析方法，属于排水沥青路面技术领域，解决目前双层排水沥青路面孔隙衰变研究中未考虑在灰尘颗粒沉积后，行驶车轮荷载对双层排水沥青路面二次压实以及双层排水沥青路面上、下排水沥青结构层孔隙衰减规律问题。本发明使用离散元软件生成颗粒床层作为双层排水沥青路面组合模型，然后在集料颗粒间生成Bond键，形成粘结强度，作为双层排水沥青路面组合模型，然后对车轮模型添加运动学设置，最后通过DEM‑MBD耦合的方式计算来探究双层排水沥青路面孔隙结构衰减规律。该方法可有效分析行驶车轮荷载作用在不同量灰尘沉积后双层排水沥青路面上、下层孔隙结构衰变规律及二次压实的影响，具有重要的现实意义。
Description
技术领域
本发明是一种双层排水沥青路面孔隙结构衰减规律分析方法，属于排水沥青路面技术领域。
背景技术
自1988年沪嘉高速公路建成通车，结束了我国大陆不通高速公路的历史，也掀开了我国公路建设史上最为绚丽壮阔的一页。此后近30年的时间里，我国公路建设一直处于迅猛发展的高潮期即全社会公路建设投资规模持续加大，连续多年都保持在上千亿元以上。近年来，沥青路面因其表面平整度高、表面无接缝、行车舒适性好、施工周期短、养护方便且可再生利用等优点，被广泛的应用于我国各等级公路。沥青路面长期服务过程中，由于受到环境、荷载、交通量等因素的影响，会出现不同程度的损坏。一方面，由于路面灰尘或车轮碾压形成的颗粒等在地表水流动下会对路面孔隙进行填充，另一方面，因交通量、车辆荷载及时间等因素影响下，路面存在二次压实现象，沥青路面孔隙发生衰变。
排水沥青路面典型的大孔隙特征是其排水性能的基本保障，但是在车辆荷载、交通量、行车速度等因素的影响之下，孔隙内部结构也会有不同程度的衰减规律响应，将直接影响路面的排水、降噪性能。此外，沥青混合料属于多孔介质，其内部的孔隙结构分布极为复杂，具有不均匀性、随机性。目前对多孔沥青混合料细微观特征分析主要通过计算机扫描技术和图像处理技术从路面不同位置、厚度及是否为轮迹带处等角度来对路面孔隙结构特征进行提取。国内也有学者将沥青路面孔隙率、水流水平径流速度、渗流速度、级配等因素对堵塞发展过程产生不同程度的影响做了分析，但主要侧重于孔隙堵塞方面的研究。
双层排水沥青路面孔隙率一般达到20％左右，且双层排水沥青路面是由两层排水沥青结构层组成，该路面结构形式的孔隙结构空间具有分布不规则和几何形状多样性的特点，当孔隙结构发生衰变后，会影响双层排水沥青路面排水、降噪、抗滑等方面的性能。行驶车轮荷载会对双层排水沥青路面产生二次压实，使双层排水沥青路面上、下层孔隙衰变。此外，行驶车轮荷载作用下，双层排水沥青路面孔隙中灰尘颗粒运动状况较为复杂，双层排水沥青路面上、下层孔隙衰减规律也有所不同。
因此，为了揭示双层排水沥青路面孔隙衰减规律，本发明提供一种考虑车辆荷载与灰尘颗粒沉积条件下的双层排水沥青路面孔隙衰变规律分析方法，使用离散元软件建立双层排水沥青路面模型，然后使用离散元-多体动力学耦合方法(DEM-MBD)来探究其孔隙衰减规律，从而提供一种双层排水沥青路面孔隙衰变规律分析方法。
发明内容
(1)技术问题
本发明目的是提供一种双层排水沥青路面孔隙结构衰减规律分析方法，解决目前双层排水沥青路面孔隙结构衰减规律研究中未考虑灰尘颗粒沉积后行驶车轮荷载对双层排水沥青路面二次压实导致上、下结构层孔隙衰减规律的问题，更好分析双层排水沥青路面孔隙结构衰减规律，提高双层排水沥青路面排水性能。
(2)技术方案
为了解决目前双层排水沥青路面孔隙结构衰减研究中未考虑在灰尘颗粒沉积条件下，行驶车轮荷载对双层排水沥青路面的二次压实以及双层排水沥青路面上、下层孔隙衰减规律问题。本发明使用离散元软件与多体动力学软件分别构建双层排水沥青路面模型与轮胎动力学模型，进行DEM-MBD耦合，以此分析双层排水沥青路面孔隙结构衰减规律，本发明技术方案如下：首先使用CAD软件建立双层排水沥青路面整体框架，如图1所示，将该框架导入离散元软件后，分别在上、下层框架生成不同厚度和空隙率的集料颗粒，在设定时间范围内使不同粒径的集料颗粒生成Bond键，形成粘结强度，建立双层排水沥青路面模型。其次，使用三维建模软件绘制轮胎模型，并导入至多体动力学软件添加动力学运动方程。最后通过DEM-MBD耦合分析来探究双层排水沥青路面孔隙结构衰减规律。
(3)有益效果
近年来我国交通运输行业的发展迅速，车辆持有量高，沥青路面因灰尘沉积颗粒和车辆荷载导致的孔隙结构衰减对沥青路面排水性能、降噪性能降低有着最直接的关联。首先，车辆在路面行驶时，轮胎表面发生振动而产生噪音，噪音传递到路面中经过路面孔隙反射、投射及二次反射后，声波能量降低，从而具有降噪效果，当路面孔隙发生衰减时，其降噪能力也随着孔隙衰减程度而降低。其次，沥青路面发生孔隙结构衰减后，尤其在梅雨季节，因频繁降雨极易使路面积水，当水膜达到一定厚度时，高速转动的汽车轮胎会溅起水雾，干扰后车视线，不利于安全行驶。其次，汽车行驶时，轮胎将路表水膜高速压入路面孔隙之中，产生的动水压力易时路面产生水损害现象，当轮胎离开压入点时，路面孔隙中的水在大气压的作用下产生负向孔隙水压力，在负向孔隙水压力的作用下，车轮将受到升力，极易出现打滑甚至方向失控等现象。因此，针对沥青路面孔隙结构衰减而导致的排水性能、降噪性能下降的分析具有十分重要的现实意义。
附图说明
图1双层排水沥青路面结构的整体框架示意图
1-横坡，2-双层排水沥青路面上层框架，3-双层排水沥青路面下层框架
具体实施方式
本发明提供了一种双层排水沥青路面孔隙结构衰减规律分析方法，具体实施步骤如下：
(1)双层排水沥青路面上、下层沥青混合料的级配分别采用多孔沥青混合料(PA)-20和PA-13，基于离散元方法建立两种级配的集料组成模型，PA-20只考虑粒径为20mm、16mm、13.2mm、9.5mm及4.75mm的集料颗粒，PA-13级配只考虑粒径为13.2mm、9.5mm及4.75mm的集料颗粒，设置PA-20、PA-13两种级配集料的杨氏模量、恢复系数、黏结半径，利用离散元软件自动计算颗粒质量与密度；
(2)使用计算机辅助设计(CAD)软件建立长、宽、高分别为600mm、400mm、100mm且顶面中心至两侧具有2％横向坡度的几何体作为双层排水沥青路面整体框架，其中，双层排水沥青路面上层框架的长、宽、高分别为600mm、400mm、60mm，下层框架的长、宽、高分别为600mm、400mm、40mm，将该模型整体框架导入离散元软件，在离散元软件中，将双层排水沥青路面下层框架内填满PA-20级配的集料颗粒，上层框架内填满PA-13级配的集料颗粒；
(3)添加Hertz-Mindlin with bonding接触模型，并通过试验对Bond键中单位面积法向刚度、单位面积剪切刚度、临界法向应力、临界剪切应力及黏结板半径进行标定，表征沥青在沥青混合料中的胶结作用，在数值计算结束前，在不同粒径的集料颗粒之间生成Bond键，形成粘结强度，建立双层排水沥青路面模型；
(4)使用CAD软件绘制三维车轮模型，保存为.stl格式文件，将该文件分别导入至多体动力学软件和离散元软件；
(5)使用多体动力学软件设置车轮三维模型动力学控制方程，同时设定车轮三维模型的重力方向、质量、材料属性、速度以及杨氏模量；
(6)在车轮模型导入离散元软件后，对该模型设置杨氏模量、材料密度以及泊松比，然后在双层排水沥青路面模型上生成虚拟平面，在该平面上建立颗粒工厂，生成少量的灰尘颗粒，在重力作用下自然沉积至双层排水沥青路面模型的孔隙结构中，再通过修改耦合接口代码使多体动力学软件中的车轮模型与离散元软件中的车轮、灰尘颗粒沉积后的双层排水沥青路面模型耦合；
(7)运行耦合程序，分别进行车辆荷载作用下无灰尘颗粒沉积和有一定量灰尘颗粒沉积的双层排水沥青路面孔隙衰减的耦合分析，获得不同工况下双层排水沥青路面上、下层孔隙率变化曲线、灰尘颗粒运动轨迹图及Bond键数量统计图，对灰尘颗粒运动轨迹及双层排水沥青路面上、下层孔隙率变化规律进行分析，揭示双层排水沥青路面孔隙结构衰减规律。
Claims (1)
1.一种双层排水沥青路面孔隙结构衰减规律的分析方法，其特征在于该方法的具体步骤如下：
(1)双层排水沥青路面上、下层沥青混合料的级配分别采用多孔沥青混合料(PA)-20和PA-13，基于离散元方法建立两种级配的集料组成模型，PA-20只考虑粒径为20mm、16mm、13.2mm、9.5mm及4.75mm的集料颗粒，PA-13级配只考虑粒径为13.2mm、9.5mm及4.75mm的集料颗粒，设置PA-20、PA-13两种级配集料的杨氏模量、恢复系数、黏结半径，利用离散元软件自动计算颗粒质量与密度；
(2)使用计算机辅助设计(CAD)软件建立长、宽、高分别为600mm、400mm、100mm且顶面中心至两侧具有2％横向坡度的几何体作为双层排水沥青路面整体框架，其中，双层排水沥青路面上层框架的长、宽、高分别为600mm、400mm、60mm，下层框架的长、宽、高分别为600mm、400mm、40mm，将该模型整体框架导入离散元软件，在离散元软件中，将双层排水沥青路面下层框架内填满PA-20级配的集料颗粒，上层框架内填满PA-13级配的集料颗粒；
(3)添加Hertz-Mindlin with bonding接触模型，并通过试验对Bond键中单位面积法向刚度、单位面积剪切刚度、临界法向应力、临界剪切应力及黏结板半径进行标定，表征沥青在沥青混合料中的胶结作用，在数值计算结束前，在不同粒径的集料颗粒之间生成Bond键，形成粘结强度，建立双层排水沥青路面模型；
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