CN113720997B - 一种基于试验的发热电缆融雪路面层间稳定性评价方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于试验的发热电缆融雪路面层间稳定性评价方法，涉及含有发热电缆融雪路面的层间稳定性研究领域，包括以下步骤：对试件进行剪切疲劳试验，根据试验结果，建立具有非线性剪切疲劳损伤特性的剪切疲劳损伤模型，换算出标准轴载累积作用次数，并求出累积应变，将其作为一个评价指标，确定剪切破坏时累积应变的安全范围；将实际剪切疲劳寿命作为另一个评价指标，确定路面设计剪切疲劳寿命的范围；结合这两个指标，实现从非线性累积剪切损伤和层间剪切疲劳寿命这两个方面，对发热电缆融雪路面的层间稳定性进行评价，判断出融雪路面是否会产生层间剪切破坏，以便在设计时对路面进行调整，保证路面在设计年限内的正常使用。

Description

一种基于试验的发热电缆融雪路面层间稳定性评价方法

技术领域：

本发明涉及含有发热电缆融雪路面的层间稳定性研究领域，具体涉及一种基于试验的发热电缆融雪路面层间稳定性评价方法。

技术背景：

冬季路面上的冰雪是造成交通安全和延误的主要原因，不仅阻碍了交通运输，而且威胁着人们的生命财产安全。目前，已经采用了许多方法来缓解路面积冰雪的问题，如机械、化学方法、流体加热方法、地热采暖方法和电加热方法。其中，电加热路面因其高效、可控性好而具有较高的实用性和普及性。通常，将电加热装置埋设在路面中，以实现融化冰雪的功能。

与普通路面相比，采用电加热系统的路面会因其特殊结构，导致路面上下两层粘接不稳定，进而出现打滑、开裂、变形等问题。目前，人们对采用电加热系统的路面的分析，仅考虑到了加热效率，忽略了发热电缆对路面层间稳定性的影响，无法确定热电缆结构与融雪路面层间稳定性关系。

发明内容：

针对现有研究的不足，本发明公开了一种基于试验的发热电缆融雪路面层间稳定性评价方法，考虑到荷载的变化引起的非线性累计损伤，通过层间剪切疲劳试验，建立剪切疲劳寿命方程，基于剪切疲劳寿命方程，建立考虑累积应变和剪切疲劳加载次数的非线性剪切损伤模型。将疲劳作用后的累积应变作为一个评价指标，得出其安全范围。同时，考虑剪切疲劳寿命方程，通过轴向载荷换算，提出实际剪切疲劳寿命作为另一个评价指标。通过这两个指标，可以直观的评价所埋设的发热电缆对沥青路面层间稳定性的影响，完善了对电加热系统路面的分析评价，能够填补发热电缆结构与融雪路面层间稳定性关系的研究空缺。

为实现上述目的，本发明通过以下技术方案予以实现：

一种基于试验的发热电缆融雪路面层间稳定性评价方法，包括以下步骤：

(1)制备若干个含有发热电缆的圆柱体试件；

(2)对各个圆柱体试件，施加不同轴载对应的应力水平，进行层间剪切疲劳试验，得到不同应力水平下的剪切疲劳寿命N_f、剪切破坏时的累积应变ε_μlt和疲劳加载N次后的累计应变ε_N；其中应力水平

式中：F—试件破坏时的荷载；F′—试件承受的荷载；

(3)层间剪切疲劳试验数据处理：

①绘制对数应力水平与对数剪切疲劳寿命的关系图像，拟合出剪切疲劳寿命方程：lgN_f＝lga-blgS；

式中：lgN_f—对数剪切疲劳寿命；lga—曲线截距；b—曲线斜率；S—应力水平；

②拟合得到不同的应力水平下，疲劳加载次数与剪切疲劳寿命的比值

和疲劳加载N次后的损伤变量/>

的函数关系；

③结合(1)的关系图像中的曲线斜率与曲线截距，得到疲劳加载N次后的累计应变：

式中：ε_N—疲劳加载N次的累计应变；ε_μlt—剪切破坏时的累积应变；N_f—剪切疲劳寿命；N—疲劳试验加载次数；a—由曲线截距lga得；

(4)依据步骤S3(2)中

与损伤变量D的函数关系，结合非线性疲劳损伤方程：

式中：D—疲劳加载N次后的损伤变量；

得到剪切疲劳试验中所施加应力水平对应的转换参数；

(5)拟合出应力水平与转换参数之间的函数关系：α_i＝f(S)；将标准轴载与交通组成中的非标准轴载对应的应力水平带入，得到标准轴载转换参数和非标准轴载转换参数；

(6)计算各轴载对应的等效单轴荷载换算系数ΔN_s，并结合试验对应的道路设计资料，得到出换算后的标准轴载作用次数N_e1；

(7)结合步骤(3)中的③，得到标准轴载作用N_e1后的累计应变ε_N；由步骤(1)得到标准轴载作用下，圆柱体试件破坏时的累计应变ε_μlt，对比ε_N与ε_μlt，判断是否满足ε_N≤αε_μlt；

(8)根据层间剪切疲劳试验结果和试验对应的道路设计资料，计算标准轴载作用下的疲劳寿命N_e2和实际剪切疲劳寿命N_Af；比较实际剪切疲劳寿命N_Af与剪切疲劳寿命N_e2的大小，判断是否满足N_Af≥N_e2；

(9)若步骤(7)、(8)同时满足，则评价结束，试验对应的发热电缆融雪路面，在设计年限内不会发生层间剪切破坏；若步骤(7)中不满足，则增加步骤(1)中制备的圆柱体试件的碾压次数或粘性涂层材料的用量，重新进行上述步骤；若步骤(8)中不满足，则调整步骤(1)中发热电缆铺设时的弯曲直径，重新进行上述步骤，直至步骤(7)、(8)同时满足。

优选的，所述圆柱体试件的制备步骤如下：

①选用尺寸为300mm×300mm×100mm的模具，灌入适量的AC-13沥青混合料，沿行车方向碾压2n次，碾压后厚度为50mm；

②以V₁的用量在压实后的车辙板上喷洒粘结剂，并将发热电缆按S形铺设在上表面；

③以V₂的用量在粘接有发热电缆的车辙板上表面喷洒粘结剂；

④在模具中继续灌入适量的AC-20沥青混合料，先后沿着电缆铺设方向和行车方向共碾压2n次，碾压后模具被沥青混合料填满，形成双层车辙板结构，静置冷却24h后从模具中取出；

⑤利用钻芯取样机，在每个双层车辙板结构上均匀的钻取4个直径为10cm的圆柱体试件。

优选的，所述的制备含发热电缆的圆柱体试件时，根据实际工程状况，选择合适种类与直径的发热电缆，根据发热电缆的种类与直径，选择合适的弯曲直径。

优选的，所述步骤(6)中的等效单轴荷载换算系数

式中：ΔN_s—等效单轴荷载换算系数；α_s—标准轴载转换参数；α_ns—非标准轴载转换参数；τ_ns—非标准轴载作用下的剪切力；τ_s—标准轴载作用下的剪切力；ε_N′—标准轴载加载1次后的累积应变；ε_μlt′—标准轴载作用下发生剪切破坏时的累积应变；

换算后的标准轴载作用次数

式中：N_e1—标准轴载作用次数；λ—交通量年平均增长率；t—设计使用年限；

—还原系数，式中取0.1；AADTT—2轴6轮及以上的年平均日交通量；DDF—方向系数；LDF—车道系数；VCDF_m—m类车辆类型分布系数；(ΔN_s)_m—m类车辆类型的等效单轴荷载换算系数。

优选的，所述步骤(8)中准轴载作用下的疲劳寿命

式中：N_e2—标准轴载对应的剪切疲劳寿命；EALF_m—m类车辆类型的等效单轴荷载换算系数，取为γ/β；γ—剪切疲劳方程的因子，取为1.059；β—取

实际剪切疲劳寿命

有益效果：

本发明公开了一种基于剪切疲劳试验的发热带沥青路面层间稳定性评价方法，具有以下优点：

(1)以往对发热电缆融雪路面的研究，主要考虑到电缆的发热对路面稳定性的影响，而本发明对含有发热电缆的试件进行层间剪切疲劳试验，用于研究发热电缆的存在对于融雪路面结构层间稳定性的影响，完善了对发热电缆融雪路面的稳定性研究，并通过轴载换算方法，将作用于路面的垂直行车荷载，换算成试验时所施加的剪切应力水平，能够还原路面承受的实际荷载，提高试验的可靠性；

(2)本发明利用层间剪切疲劳试验的结论与实际的交通设计资料，通过非线性累积的方法，换算得到设计年限内路面所承受的标准轴载作用次数，并得到对应的累积应变，将其作为第一个评价指标；根据试验的结论和实际交通设计资料，可以得到标准轴载作用下的疲劳寿命和实际剪切疲劳寿命，两者对比作为第二个评价指标；综合这两个评价指标，对发热电缆融雪路面进行层间稳定性评价，能够全面的判断出融雪路面何时发生稳定的变形，以及何时会产生层间剪切破坏，便于对发热电缆的铺设方式和与路面的粘接方式进行设计与调整，实现路面不被破坏的目的；

(3)本发明确定有路面碾压次数、粘接剂的用量以及发热电缆铺设的弯曲直径范围，可以为调整发热电缆融雪路面构造，提供一个合理的范围，确保发热电缆融雪路面不会发生层间剪切破坏的同时，能够满足正常的发热，不会对路面融雪效率造成较大的影响；

(4)本发明实用性强，不限发热电缆半径和类型、路面碾压次数等路面构造条件，根据评价流程，可以对不同构造的路面进行层间稳定性评价，适用于大部分发热电缆融雪路面的稳定性研究，同时操作简单，便于实际应用。

附图说明：

1、图1是本发明实施例的发热电缆铺设示意图；

2、图2是本发明实施例的评价方法流程图。

图中：1—沥青路面；2—发热电缆。

具体实施方式：

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合本发明实施例对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，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作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：

一种基于试验的发热电缆融雪路面层间稳定性评价方法，包括以下步骤：

(1)制备若干个含有发热电缆的圆柱体试件，具体制备步骤如下：

①选用尺寸为300mm×300mm×100mm的模具，灌入适量的AC-13沥青混合料，沿行车方向碾压2n次，碾压后厚度为50mm，n≥12；

②以0.3L/m²的用量在压实后的车辙板上喷洒粘结剂，并将发热电缆按S形铺设在上表面；

③以0.4L/m²的用量在粘接有发热电缆的车辙板上表面喷洒粘结剂；

④在模具中继续灌入适量的AC-20沥青混合料，先后沿着电缆铺设方向和行车方向共碾压2n次，碾压后模具被沥青混合料填满，形成双层车辙板结构，静置冷却24h后从模具中取出；

⑤利用钻芯取样机，在每个双层车辙板结构上均匀的钻取4个直径为10cm的圆柱体试件。

其中，所采用的弯曲直径在7.5cm-18cm；所采用的碾压次数在24次-48次；所采用的粘结剂为PC-3乳化沥青或PA-3乳化沥青，用量在0.15L/m²-0.40L/m²。

(2)对各个圆柱体试件，施加不同轴载对应的应力水平，进行层间剪切疲劳试验，得到不同应力水平下的剪切疲劳寿命N_f、剪切破坏时的累积应变ε_μlt和疲劳加载N次后的累计应变ε_N；其中应力水平

式中：F—试件破坏时的荷载；F′—试件承受的荷载；

(3)层间剪切疲劳试验数据处理：

①绘制对数应力水平与对数剪切疲劳寿命的关系图像，拟合出剪切疲劳寿命方程：lgN_f＝lga-blgS；

式中：lgN_f—对数剪切疲劳寿命；lga—曲线截距；b—曲线斜率；S—应力水平；

②拟合得到不同的应力水平下，疲劳加载次数与剪切疲劳寿命的比值

和疲劳加载N次后的损伤变量/>

的函数关系；

③结合(1)的关系图像中的曲线斜率与曲线截距，得到疲劳加载N次后的累计应变：

式中：ε_N—疲劳加载N次的累计应变；ε_μlt—剪切破坏时的累积应变；N_f—剪切疲劳寿命；N—疲劳试验加载次数；a—由曲线截距lga得；

(4)依据步骤(3)中②2中

与损伤变量D的函数关系，结合非线性疲劳损伤方程：

式中：D—疲劳加载N次后的损伤变量；

得到剪切疲劳试验中所施加应力水平对应的转换参数；

(5)拟合出应力水平与转换参数之间的函数关系：α_i＝f(S)；将标准轴载与交通组成中的非标准轴载对应的应力水平带入，得到标准轴载转换参数和非标准轴载转换参数；

(6)计算各轴载对应的等效单轴荷载换算系数

式中：ΔN_s—等效单轴荷载换算系数；α_s—标准轴载转换参数；α_ns—非标准轴载转换参数；τ_ns—非标准轴载作用下的剪切力；τ_s—标准轴载作用下的剪切力；ε_N′—标准轴载加载1次后的累积应变；ε_μlt′—标准轴载作用下发生剪切破坏时的累积应变；

结合试验对应的道路设计资料，得到出换算后的标准轴载作用次数

式中：N_e1—标准轴载作用次数；λ—交通量年平均增长率；t—设计使用年限；

—还原系数，式中取0.1；AADTT—2轴6轮及以上的年平均日交通量；DDF—方向系数；LDF—车道系数；VCDF_m—m类车辆类型分布系数；(ΔN_s)_m—m类车辆类型的等效单轴荷载换算系数；

α的范围是0.3-0.5，当α在这个范围内时，发热电缆融雪路面层间发生稳定变形，不会产生破坏，当α＞0.5时，发热电缆融雪路面层间会发生破坏。

(7)结合步骤(3)中的③，得到标准轴载作用N_e1后的累计应变ε_N；由步骤(1)得到标准轴载作用下，圆柱体试件破坏时的累计应变ε_μlt，对比ε_N与ε_μlt，判断是否满足ε_N≤αε_μlt；

(8)根据层间剪切疲劳试验结果和试验对应的道路设计资料，计算标准轴载作用下的疲劳寿命：

式中：N_e2—标准轴载对应的剪切疲劳寿命；EALF_m—m类车辆类型的等效单轴荷载换算系数，取为γ/β；γ—剪切疲劳方程的因子，取为1.059；β—取

实际剪切疲劳寿命：

比较实际剪切疲劳寿命N_Af与剪切疲劳寿命N_e2的大小，判断是否满足N_Af≥N_e2；

(9)若步骤(7)、(8)同时满足，则评价结束，试验对应的发热电缆融雪路面，在设计年限内不会发生层间剪切破坏；若步骤(7)中不满足，则增加步骤(1)中制备的圆柱体试件的碾压次数或粘性涂层材料的用量，重新进行上述步骤；若步骤(8)中不满足，则调整步骤(1)中发热电缆铺设时的弯曲直径，重新进行上述步骤，直至步骤(7)、(8)同时满足。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所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；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种基于试验的发热电缆融雪路面层间稳定性评价方法，其特征在于，所述基于试验的发热电缆融雪路面层间稳定性评价方法包括以下步骤：

(1)制备含有发热电缆的圆柱体试件；

(2)对各个圆柱体试件，施加不同轴载对应的应力水平，进行层间剪切疲劳试验，得到不同应力水平下的剪切疲劳寿命N_f、剪切破坏时的累积应变ε_μlt和疲劳加载N次后的累计应变ε_N；其中应力水平

式中：F—试件破坏时的荷载；F′—试件承受的荷载；

(3)层间剪切疲劳试验数据处理：

①绘制对数应力水平与对数剪切疲劳寿命的关系图像，拟合出剪切疲劳寿命方程；

②拟合得到不同的应力水平下，疲劳加载次数与剪切疲劳寿命的比值

和疲劳加载N次后的损伤变量/>

的函数关系；

③结合关系图像中的曲线斜率与曲线截距，得到疲劳加载N次后的累计应变ε_N的计算关系：

(4)依据上述步骤中

与损伤变量D的函数关系，结合非线性疲劳损伤方程，得到剪切疲劳试验中所施加应力水平对应的转换参数；

(5)拟合出应力水平与转换参数之间的函数关系：α_i＝f(S)；将标准轴载与交通组成中的非标准轴载对应的应力水平带入，得到标准轴载转换参数和非标准轴载转换参数；

(6)计算各轴载对应的等效单轴荷载换算系数ΔN_s，并结合拟铺的设含发热电缆沥青路面的设计资料，得到出换算后的标准轴载作用次数N_e1；

(7)结合步骤(3)中的③，得到标准轴载作用N_e1后的累计应变ε_N；由步骤(2)得到标准轴载作用下，圆柱体试件破坏时的累计应变ε_μlt，对比ε_N与ε_μlt，判断是否满足ε_N≤αε_μlt；

(8)根据层间剪切疲劳试验结果和拟铺设的含发热电缆沥青路面的设计资料，计算标准轴载作用下的疲劳寿命N_e2和实际剪切疲劳寿命N_Af；比较实际剪切疲劳寿命N_Af与剪切疲劳寿命N_e2的大小，判断是否满足N_Af≥N_e2；

(9)若步骤(7)、(8)同时满足，则评价结束，拟铺设的含发热电缆的沥青路面，在设计年限内不会发生层间剪切破坏；若步骤(7)中不满足，则增加步骤(1)中制备的圆柱体试件的碾压次数或粘性涂层材料的用量，重新进行上述步骤；若步骤(8)中不满足，则调整步骤(1)中发热电缆铺设时的弯曲直径，重新进行上述步骤，直至步骤(7)、(8)同时满足。

2.根据权利要求1所述的一种基于试验的发热电缆融雪路面层间稳定性评价方法，其特征在于，所述圆柱体试件的制备步骤如下：

①选用尺寸为300mm×300mm×100mm的模具，灌入适量的AC-13沥青混合料，沿行车方向碾压2n次，碾压后厚度为50mm；

②以V₁的用量在压实后的车辙板上喷洒粘结剂，并将发热电缆按S形铺设在上表面；

③以V₂的用量在粘接有发热电缆的车辙板上表面喷洒粘结剂；

④在模具中继续灌入适量的AC-20沥青混合料，先后沿着电缆铺设方向和行车方向共碾压2n次，碾压后模具被沥青混合料填满，形成双层车辙板结构，静置冷却24h后从模具中取出；

⑤利用钻芯取样机，在每个双层车辙板结构上均匀的钻取4个直径为10cm的圆柱体试件。

3.根据权利要求2所述的一种基于试验的发热电缆融雪路面层间稳定性评价方法，其特征在于，制备含发热电缆的圆柱体试件时，根据实际工程状况，选择合适种类与直径的发热电缆，根据发热电缆的种类与直径，选择合适的弯曲直径。

4.根据权利要求1所述的一种基于试验的发热电缆融雪路面层间稳定性评价方法，其特征在于，所述步骤(3)中①所得到的剪切疲劳寿命方程为：

lgN_f＝lga-blgS；

式中：lgN_f—对数剪切疲劳寿命；lga—曲线截距；b—曲线斜率；S—应力水平。

5.根据权利要求1所述的一种基于试验的发热电缆融雪路面层间稳定性评价方法，其特征在于，所述步骤(3)中③中ε_N的计算关系为：

式中：ε_N—疲劳加载N次的累计应变；ε_μlt—剪切破坏时的累积应变；N_f—剪切疲劳寿命；N—疲劳试验加载次数；a—由曲线截距lga得。

6.根据权利要求1所述的一种基于试验的发热电缆融雪路面层间稳定性评价方法，其特征在于，所述步骤(4)中的非线性疲劳损伤方程为：

式中：D—疲劳加载N次后的损伤变量。

7.根据权利要求1所述的一种基于试验的发热电缆融雪路面层间稳定性评价方法，其特征在于，所述步骤(6)中的等效单轴荷载换算系数

式中：ΔN_s—等效单轴荷载换算系数；α_s—标准轴载转换参数；α_ns—非标准轴载转换参数；τ_ns—非标准轴载作用下的剪切力；τ_s—标准轴载作用下的剪切力；ε_N′—标准轴载加载1次后的累积应变；ε_μlt′—标准轴载作用下发生剪切破坏时的累积应变；

换算后的标准轴载作用次数

式中：N_e1—标准轴载作用次数；λ—交通量年平均增长率；t—设计使用年限；

—还原系数，式中取0.1；AADTT—2轴6轮及以上的年平均日交通量；DDF—方向系数；LDF—车道系数；VCDF_m—m类车辆类型分布系数；(ΔN_s)_m—m类车辆类型的等效单轴荷载换算系数。

8.根据权利要求1所述的一种基于试验的发热电缆融雪路面层间稳定性评价方法，其特征在于，所述步骤(8)中的标准轴载作用下的疲劳寿命

式中：N_e2—标准轴载对应的剪切疲劳寿命；EALF_m—m类车辆类型的等效单轴荷载换算系数，取为γ/β；γ—剪切疲劳方程的因子，取为1.059；β—取

实际剪切疲劳寿命

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