CN113722944B - 一种沥青混合料路面的车辙性能预估方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于道路工程技术领域，公开了一种沥青混合料路面的车辙性能预估方法，包括：建立考虑温度、重复荷载作用次数、围压、偏应力及其脉冲时长的力学经验模型；基于所述力学经验模型，预估目标沥青混合料路面的车辙性能。本发明的力学经验模型形式简洁，数值实现方法直观高效，预估车辙深度准确。

Description

一种沥青混合料路面的车辙性能预估方法

技术领域

本发明涉及道路工程技术领域，尤其涉及一种沥青混合料路面的车辙性能预估方法。

背景技术

车辙是沥青路面主要破坏形式之一，在我国沥青路面结构中，车辙主要来源于面层沥青混合料的塑性形变累积。车辙预估模型是沥青路面设计及后续养护和改建阶段决策的重要依据。目前常用于描述车辙演变的预估模型有两类：一是基于塑性理论的力学模型，二是整合结构分析与统计回归的力学经验模型。前者基于严谨的理论和科学假说推导，可揭示沥青混合料硬化和塑性应变的演化机理，模型标定所需实验数据相对较少，且具备更好的外推性；但模型复杂，其数值化实现相当繁琐、耗时，使其实际工程应用极为有限。后者揉合了经验性的相关关系，需依赖于大量观测数据，但其模型易于理解、便于计算，在沥青路面设计等领域已有广泛应用。沥青混合料塑性应变累积的关键性外部影响因素有温度、重复荷载作用次数、围压、偏应力大小及其脉冲作用时长等。既有力学模型和力学经验模型仅考虑了少数几个因素，难以准确描述沥青混合料在实际复杂荷载条件下的车辙演变。

发明内容

本发明意在提供一种沥青混合料路面的车辙性能预估方法，以解决现有的力学模型和力学经验模型仅考虑了少数几个因素，难以准确描述沥青混合料在实际复杂荷载条件下的车辙演变的问题。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种沥青混合料路面的车辙性能预估方法，包括：

建立考虑温度、重复荷载作用次数、围压、偏应力及其脉冲时长的力学经验模型；

基于所述力学经验模型，预估目标沥青混合料路面的车辙性能；

所述力学经验模型的表达式为：

ξ_p＝t_p/a_T (3)

上式中，ε_p表示塑性应变，β、C、α为基准加载条件下的拟合参数；N_e为等效重复加载次数，在基准条件下，N_e与实际加载次数N相等；t_p表示每个加载循环中的实际应力脉冲时长；a_T为时温等效移位因子，由动态模量实验确定；ξ_p是由实际应力脉冲时长换算为基准条件下的等效时长；a_FT为考虑实际与基准加载条件差异总体影响的等效因子；a₀、f、g、γ、h、m、n、q是回归系数。

优选的，基于所述力学经验模型，预估目标沥青混合料路面的车辙性能，具体包括：

S1、在三轴应力扫描实验中选定基准加载条件，所得实验数据用于标定拟合参数β、C、α；

S2、在三轴应力扫描实验中另选不同加载条件的若干实验组，所得实验数据用于标定等效因子a_FT；

S3、按厚度划分沥青层，应用有限元计算每层中部应力响应；

S4、利用力学经验模型，计算每层层厚中点处的塑性应变，根据层厚求得每层竖向塑性形变，求和即得车辙深度。

优选的，所述步骤S2中，在三轴应力扫描实验中选定不同加载条件的若干实验组，所得实验数据用于标定等效因子a_FT，包括：

S21、根据各实验组对应的塑性应变曲线，确定每组首尾实际加载次数N₁、N₂；

S22、根据基准加载条件对应的塑性应变曲线，确定首尾等效加载次数N_e1、N_e2；

S23、计算每组对应的等效因子a_FT，表达式为：

S24、整合所得等效因子a_FT，通过统计回归方法，标定回归系数a₀、f、g、γ、h、m、n、q。

相比现有技术，本发明的有益技术效果是：

本发明通过引入等效因子的概念，所提出的沥青混合料力学经验性车辙模型综合考虑了温度、重复荷载作用次数、围压、偏应力大小及其脉冲时长等关键性影响因素的作用，模型形式简洁，数值实现方法直观高效，预估车辙深度准确。

附图说明

图1为本发明提供的一种沥青混合料路面的车辙性能预估方法的流程图；

图2为本发明提供的用于等效因子a_FT参数标定的实验组对应偏应力历史示意图；

图3为本发明提供的等效因子a_FT计算示意图；

图4为本发明提供的力学经验模型计算流程图；

图5为本发明实施例1提供的等效因子a_FT参数标定过程中三轴应力扫描实验数据与模型拟合效果对比图；

图6为本发明实施例1提供的其余三轴应力扫描实验数据用于模型验证示意图；

图7为本发明实施例1提供的模型随机加载实验的塑性应变实验数据与模型预测对比图；

图8为本发明实施例1提供的基于力学经验模型的车辙深度预测图。

具体实施方式

下面结合附图和实施方式对本发明作进一步的详细说明：

如图1所示的，一种沥青混合料路面的车辙性能预估方法，包括：

建立考虑温度、重复荷载作用次数、围压、偏应力及其脉冲时长的力学经验模型；

基于所述力学经验模型，预估目标沥青混合料路面的车辙性能；

所述力学经验模型的表达式为：

ξ_p＝t_p/a_T (3)

上式中，ε_p表示塑性应变，β、C、α为基准加载条件下的拟合参数；N_e为等效重复加载次数，在基准条件下，N_e与实际加载次数N相等；t_p表示每个加载循环中的实际应力脉冲时长；a_T为时温等效移位因子，由动态模量实验确定；ξ_p是由实际应力脉冲时长换算为基准条件下的等效时长；a_FT为考虑实际与基准加载条件差异总体影响的等效因子，与围压σ₃、轴向应力σ₁(即围压与偏应力之和)和等效脉冲时长ξ_p相关；a₀、f、g、γ、h、m、n、q是回归系数。

本发明所提出的力学经验模型用于描述沥青混合料在重复蠕变恢复加载中的塑性应变累积，每个加载循环包括一个压应力脉冲及一段间歇期，用以模拟实际路面上交通轴载的间断性。因此，基于所述力学经验模型，预估目标沥青混合料路面的车辙性能，其实施方法如下：

S1、在三轴应力扫描实验中选定基准加载条件，所得塑性应变曲线用于标定拟合参数β、C、α；

具体的，选定基准加载条件，所得塑性应变曲线用于标定模型式(1)中的参数β、C、α。该基准加载方式同常规重复加载蠕变恢复实验，温度、围压、轴向荷载幅值、每个循环中的应力脉冲时长及间歇时长均保持恒定。在基准条件下，有N_e＝N。

S2、在三轴应力扫描实验中另选不同加载条件的若干实验组，所得实验数据用于标定等效因子a_FT；

步骤S2，包括：

S21、根据各实验组对应的塑性应变曲线，确定每组首尾实际加载次数N₁、N₂；

S22、根据基准加载条件对应的塑性应变曲线，确定首尾等效加载次数N_e1、N_e2；

S23、计算每组对应的等效因子a_FT，表达式为：

S24、整合所得等效因子a_FT，通过统计回归方法，标定回归系数a₀、f、g、γ、h、m、n、q。

具体的，采用三轴应力扫描实验标定等效因子方程式(4)中的参数。三轴应力扫描与常规重复加载蠕变恢复实验不同之处仅在于轴向应力施加方式为分组加载，轴向应力幅值在各组内保持不变，但随着组数逐步增加，参数标定需要3～4组，相应偏应力历史如图2所示。对比三轴应力扫描实验结果和基准条件下所得塑性应变曲线，确定每组对应的等效因子aFT，具体计算方法如下：如图3所示，在三轴应力扫描实验所得塑性应变曲线中，确定每组首尾实际加载次数N₁、N₂，及对应基准曲线的等效加载次数N_e1、N_e2，计算该组等效因子：

然后，整合不同加载条件下所得a_FT数据，通过统计回归方法，标定式(4)中的拟合参数。

S3、按厚度划分沥青层，应用有限元计算每层中部应力响应；

S4、利用力学经验模型，计算每层层厚中点处的塑性应变，根据层厚求得每层竖向塑性形变，求和即得车辙深度。

具体的，应用于车辙预测的结构计算时，可先对沥青层按厚度划分，应用有限元计算每层中部应力响应σ_xx(横向)、σ_yy(纵向)、σ_zz(竖向)，为便于应用，采用σ₁＝σ_zz，σ₃＝(σ_xx+σ_yy)/2，计算每层层厚中点处的塑性应变，根据层厚求得每层竖向塑性形变，求和即得车辙深度。

本发明的力学经验模型在数值实现时，仅需每个加载循环计算一次等效因子及塑性应变，计算简洁、效率高，具体流程如图4所示。

实施例一

采用传统密集配沥青混合料，公称最大粒径为9.5mm，沥青性能分级为PG52-34，制备旋转压实试件，用于动态模量实验和三轴应力扫描实验。试件尺寸为直径100mm，高150mm，孔隙率为6.0±0.5％，实验中轴向应变由固定在试件表面的四组LVDT测量。

参照规范JTG E20/T 0738-2011，执行沥青混合料单轴压缩动态模量实验，获取时温等效移位因子aT与温度的关系式，用于计算任意三轴扫描实验温度下的等效偏应力脉冲时长。

三轴应力扫描实验温度为28℃、38℃、48℃，所采用的围压有69kPa、138kPa、207kPa，偏应力加载历史包含四组，各组偏应力幅值分别为483kPa、689kPa、896kPa、1034kPa，每组含200次循环，每个循环中实际应力脉冲时长为0.4s，间歇时长为10s，采集每个间歇期末应变作为塑性应变。

选定三轴应力扫描实验中温度为48℃、围压为69kPa、第1组偏应力(483kPa)条件为基准加载条件，所得塑性应变曲线作为基准曲线，用于标定式(1)中的模型参数。

根据三轴应力扫描实验中温度为28℃和38℃、围压为69kPa和207kPa、偏应力加载历史中前三组所得实验数据，标定式(4)中的模型参数，其余数据用于模型验证。表1所示为模型参数值，图5所示为参数标定过程中三轴应力扫描实验数据与模型拟合效果对比，图6所示为其余三轴应力扫描实验数据用于模型验证的情况，由此可知，本发明的力学经验模型预测效果良好。

表1.模型参数标定

为进一步验证模型有效性，应用两组随机加载实验，第一组实验温度为43℃，围压设为103kPa；第二组实验温度为33℃，围压设为172kPa。两组实验采用相同偏应力历史，包含1500个加载循环，每个循环中的偏应力幅值在483～896kPa范围内，应力脉冲时长在0.1～1.6s内，两者均由生成的随机数确定，然后随机搭配组成每个循环，间歇时长定为10s。图7所示为塑性应变实验数据与模型预测对比，由此进一步证明了该力学经验模型预测效果很好。

将该力学经验模型应用于结构有限元计算以预测车辙，路面结构和加载条件基本信息如下：沥青混合料层厚150mm，下卧级配碎石基层560mm，回弹模量为82MPa，路基回弹模量为77MPa。采用单轮荷载来回加载，速度为5m/s，轮重44kN，接触压强689kPa，接触面积为长方形。模拟温度设为64°和45℃，计算相应车辙深度随轮载作用次数的发展，如图8所示。

以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体技术方案和/或特性等常识在此未作过多描述。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明技术方案的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。

Claims (1)

1.一种沥青混合料路面的车辙性能预估方法，其特征在于，包括：

建立考虑温度、重复荷载作用次数、围压、偏应力及其脉冲时长的力学经验模型；

基于所述力学经验模型，预估目标沥青混合料路面的车辙性能；

所述力学经验模型的表达式为：

ξ_p＝t_p/a_T (3)

上式中，ε_p表示塑性应变，β、C、α为基准加载条件下的拟合参数；N_e为等效重复加载次数，在基准条件下，N_e与实际加载次数N相等；t_p表示每个加载循环中的实际应力脉冲时长；a_T为时温等效移位因子，由动态模量实验确定；ξ_p是由实际应力脉冲时长换算为基准条件下的等效时长；a_FT为考虑实际与基准加载条件差异总体影响的等效因子；a₀、f、g、γ、h、m、n、q是回归系数；

基于所述力学经验模型，预估目标沥青混合料路面的车辙性能，具体包括：

S1、在三轴应力扫描实验中选定基准加载条件，所得实验数据用于标定拟合参数β、C、α；

S2、在三轴应力扫描实验中另选不同加载条件的若干实验组，所得实验数据用于标定等效因子a_FT；

S3、按厚度划分沥青层，应用有限元计算每层中部应力响应；

S4、利用力学经验模型，计算每层层厚中点处的塑性应变，根据层厚求得每层竖向塑性形变，求和即得车辙深度；

所述步骤S2中，在三轴应力扫描实验中选定不同加载条件的若干实验组，所得实验数据用于标定等效因子a_FT，包括：

S21、根据各实验组对应的塑性应变曲线，确定每组首尾实际加载次数N₁、N₂；

S22、根据基准加载条件对应的塑性应变曲线，确定首尾等效加载次数N_e1、N_e2；

S23、计算每组对应的等效因子a_FT，表达式为：

S24、整合所得等效因子a_FT，通过统计回归方法，标定回归系数a₀、f、g、γ、h、m、n、q。