CN114002093A - 一种实时确定路面粒料层材料回弹模量的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种实时确定路面粒料层材料回弹模量的方法，涉及道路工程技术领域。本发明通过制备沥青混合料试样进行单轴压缩动态模量实验，建立沥青混合料动态模量计算模型，制备粒料层材料试样进行三轴压缩试验，建立粒料层材料回弹模量计算模型，通过在路面上设置粒料层材料回弹模量智能监测系统，实时测量沥青路面的内部温度和行车车速，利用沥青路面数据处理装置内的沥青混合料动态模量计算模型计算沥青路面的沥青混合料动态模量，再利用粒料层材料回弹模量计算模型迭代计算，确定粒料层材料的回弹模量。本发明实现了粒料层材料回弹模量的实时监测，为沥青路面结构服役性能的精确评估提供了依据，有利于指导沥青路面的结构设计和养护维修。

Description

一种实时确定路面粒料层材料回弹模量的方法
技术领域
本发明涉及道路工程技术领域，具体涉及一种实时确定路面粒料层材料回弹模量的方法。
背景技术
沥青路面结构中各结构层的材料模量作为表征路面材料性质的重要参数，常用于沥青路面结构力学分析计算中。道路粒料层材料主要是指沥青路面结构中基层或底基层的粒料类材料。粒料类材料作为一种松散类材料，其材料模量具有明显的应力依赖特性，即当粒料层材料承受不同应力作用时其材料模量不同。实际路面服役过程中，由于路面经常承受不同的交通荷载，且每次交通荷载经过路面时沥青层的材料模量也会发生变化，这些均会导致道路粒料层所承受的应力不同。
但是，现阶段针对沥青路面结构设计分析过程中，通常将道路粒料层的材料模量设置为固定值，并未考虑粒料层材料模量随应力变化的特征，导致无法实现对沥青路面结构设计及路面状况的准确分析及评估，从而无法为沥青路面的结构设计养护维修提供有力依据。
发明内容
本发明旨在解决上述问题，提供了一种实时确定路面粒料层材料回弹模量的方法，实现了对路面粒料层材料回弹模量的实时监测，为路面服役性能的准确评估提供了依据。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种实时确定路面粒料层材料回弹模量的方法，具体包括以下步骤：
步骤1，选取待监测的沥青路面，获取待监测沥青路面的路面结构参数，并根据路面结构参数制备沥青层混合料试样和粒料层材料试样；
步骤2，利用材料试验机对沥青混合料试样进行单轴压缩动态模量试验，测量不同试验温度和加载频率条件下沥青混合料试样中各结构层的动态模量，基于时温等效原理建立沥青混合料动态模量主曲线，根据沥青混合料动态模量主曲线，确定沥青混合料动态模量计算模型，如式（1）所示：
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE001
（1）
其中，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE002
（2）
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE003
（3）
式中，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE004
为沥青混合料的动态模量，单位为MPa；
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE005
为加载频率，单位为Hz；
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE006
为沥青 混合料的温度，单位为℃；
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE007
为沥青混合料的最大限制模量，单位为MPa；
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE008
、
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE009
、
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE010
、
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE011
均为 模型系数；
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE012
为沥青混合料的矿料间隙率；
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE013
为沥青混合料的沥青饱和度；
步骤3，利用三轴压缩试验机对粒料层材料试样进行三轴压缩试验，改变施加围压的大小，测量不同围压下粒料层材料试样的回弹模量，根据粒料层材料试样回弹模量与围压之间的关系，建立粒料层材料回弹模量计算模型，如式（4）所示：
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE014
（4）
其中，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE015
（5）
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE016
（6）
式中，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE017
为粒料层材料试样的回弹模量，单位为MPa；
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE018
为粒料层材料试样的体应 力，单位为MPa；
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE019
为粒料层材料试样的八面体剪应力，单位为MPa；
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE020
为参考气压，单位为 MPa；
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE021
、
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE022
、
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE023
均为回归系数，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE024
、
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE025
、
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE026
；
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE027
为粒料层材料试样在X轴方向受到的应力，单 位为MPa；
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE028
为粒料层材料试样在Y轴方向受到的应力，单位为MPa；
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE029
为粒料层材料试样在Z 轴方向受到的应力，单位为MPa；
步骤4，在待监测沥青路面中安装粒料层材料回弹模量智能监测系统，粒料层材料回弹模量智能监测系统包括交通轴载测量装置、路面结构温度测量装置和沥青路面数据处理装置，沥青路面数据处理装置分别与交通轴载测量装置、路面结构温度测量装置相连接；
利用路面结构温度测量装置测量沥青路面的内部温度，再利用交通轴载测量装置测量沥青路面上车辆的车速，并将沥青路面上车辆的车速和沥青路面的内部温度传输至沥青路面数据处理装置；
步骤5，利用沥青路面数据处理装置计算沥青路面中粒料层材料的回弹模量，具体包括以下步骤：
步骤5.1，将沥青路面的路面结构参数、沥青路面上车辆的车速、沥青路面的内部温度、沥青混合料动态模量计算模型和粒料层材料回弹模量计算模型输入沥青路面数据处理装置中；
步骤5.2，根据沥青路面上车辆的车速确定车辆荷载对路面的加载频率，如式（7）所示：
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE030
（7）
式中，
Figure 806819DEST_PATH_IMAGE005
为加载频率，单位为Hz；
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE031
为沥青路面中沥青层的厚度，单位为m；
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE032
为沥青 路面上车辆的车速，单位为
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE033
；
结合沥青路面的内部温度，基于沥青混合料动态模量计算模型，计算得到沥青路面中沥青层的沥青混合料动态模量；
步骤5.3，设置迭代总次数
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE034
和粒料层材料回弹模量的初值
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE035
；
步骤5.4，当迭代次数
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE036
时，根据沥青路面的路面结构参数和沥青路面中各结构层 的沥青混合料动态模量，利用力学计算软件BISAR 3.0计算得到粒料层材料沿X轴方向的压 应力
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE037
、沿Y轴方向的压应力
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE038
和沿Z轴方向的压应力
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE039
，并基于粒料层材料回弹模量计算 模型，计算得到粒料层材料回弹模量
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE040
；
步骤5.5，当迭代次数
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE041
时，将粒料层材料回弹模量的初值更新为
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE042
，如式（8）所 示：
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE043
（8）
式中，
Figure 380887DEST_PATH_IMAGE042
为更新后粒料层材料回弹模量的初值，单位为MPa；
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE044
为第
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE045
次迭代 计算得到的粒料层材料回弹模量，单位为MPa；
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE046
为第
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE047
次迭代计算得到的粒料层材料 回弹模量，单位为MPa；
根据沥青路面的路面结构参数、沥青路面中各结构层的沥青混合料动态模量和更 新后粒料层材料回弹模量的初值
Figure 128394DEST_PATH_IMAGE042
，利用力学计算软件BISAR 3.0计算得到粒料层材料沿 X轴方向的压应力
Figure 652916DEST_PATH_IMAGE037
、沿Y轴方向的压应力
Figure 203983DEST_PATH_IMAGE038
和沿Z轴方向的压应力
Figure 222886DEST_PATH_IMAGE039
，并基于粒料层材料回 弹模量计算模型，确定本次迭代计算的粒料层材料回弹模量
Figure 480692DEST_PATH_IMAGE040
；
步骤5.6，计算本次迭代计算得到的粒料层材料回弹模量
Figure 441695DEST_PATH_IMAGE040
与上次迭代计算得到 的粒料层材料回弹模量
Figure 480058DEST_PATH_IMAGE044
之间的差值；
若
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE048
或迭代次数
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE049
，则进入步骤5.5；
若
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE050
或迭代次数
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE051
，则进入步骤6；
步骤6，输出粒料层材料回弹模量
Figure 971826DEST_PATH_IMAGE040
，得到待监测沥青路面中粒料层材料的回弹 模量。
优选地，所述沥青路面由上到下依次设置有沥青层、粒料层和路基，其中，沥青层由上到下依次设置为上面层、中面层和下面层。
优选地，所述路面结构参数包括沥青层厚度、粒料层厚度、沥青混合料的组成成分、粒料层的组成成分以及沥青层中上面层、中面层和下面层的厚度和泊松比。
优选地，所述步骤2中，选取试验温度，在各试验温度条件下分别测量加载频率为0.1Hz、0.2Hz、0.5 Hz、1 Hz、2 Hz、5 Hz、10 Hz、20 Hz、25 Hz时沥青混合料试样中各结构层的动态模量。
优选地，所述试验温度分别设置为20℃、35℃和50℃。
优选地，所述步骤3中，三轴压缩试验过程中选取加载序列，三轴压缩试验机在各加载序列下分别对粒料层材料试样施加100次半正矢脉冲荷载，通过测量粒料层材料试样的回弹变形确定粒料层材料试样的回弹模量。
优选地，所述交通轴载测量装置设置于沥青路面的沥青层顶部，用于测量沥青路面上行驶车辆的车速；路面结构温度测量装置设置于沥青层各结构层内部，用于测量沥青路面内部的温度；沥青路面数据处理装置能够实时接收交通轴载测量装置和路面结构温度测量装置的测量数据，用于实时计算沥青路面的沥青混合料动态模量和粒料层材料模量。
优选地，所述路面结构温度测量装置为温度传感器。
本发明所带来的有益技术效果：
本发明方法通过制备粒料层材料试样进行三轴压缩试验，建立粒料层材料回弹模量计算模型，结合粒料层材料回弹模量智能监测系统测量的路面内部温度和行车车速，基于弹性层状理论体系和粒料层材料应力依赖模型，利用粒料层材料回弹模量智能监测系统的沥青路面数据处理装置迭代计算后获得准确的粒料层材料模量，实现了对沥青路面粒料层材料模量的实时监测。
本发明实现了对沥青路面粒料层材料模量的精确获取，为确定沥青路面结构服役过程中的力学响应提供了准确的计算参数，有利于准确评估沥青路面结构的服役性能，指导沥青路面的结构设计和养护维修，延长沥青路面的使用寿命。
附图说明
图1为本发明实施例中沥青路面的路面结构。
图2为本发明实施例中的沥青混合料动态模量主曲线；图中，SMA13曲线为上面层的沥青混合料动态模量主曲线，AC20曲线为中面层的沥青混合料动态模量主曲线，AC25为下面层的沥青混合料动态模量主曲线。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
本发明提出了一种实时确定路面粒料层材料回弹模量的方法，具体包括以下步骤：
步骤1，选取待监测的沥青路面，获取待监测沥青路面的路面结构参数，其中，沥青路面由上到下依次设置有沥青层、粒料层和路基，沥青层由上到下依次设置为上面层、中面层和下面层，路面结构参数包括沥青层厚度、粒料层厚度、沥青混合料的组成成分、粒料层的组成成分以及沥青层中上面层、中面层和下面层的厚度和泊松比。
根据获取的路面结构参数制备与实际沥青路面情况相同的沥青层混合料试样和粒料层材料试样。
步骤2，利用材料试验机对沥青混合料试样进行单轴压缩动态模量试验，测量不同试验温度和加载频率条件下沥青混合料试样的动态模量，基于时温等效原理，建立沥青混合料动态模量主曲线，根据沥青混合料动态模量主曲线，确定沥青混合料动态模量计算模型，如式（1）所示：
Figure 349717DEST_PATH_IMAGE001
（1）
其中，
Figure 216042DEST_PATH_IMAGE002
（2）
Figure 476122DEST_PATH_IMAGE003
（3）
式中，
Figure 102407DEST_PATH_IMAGE004
为沥青混合料的动态模量，单位为MPa；
Figure 131543DEST_PATH_IMAGE005
为加载频率，单位为Hz；
Figure 637610DEST_PATH_IMAGE006
为沥青 混合料的温度，单位为℃；
Figure 916145DEST_PATH_IMAGE007
为沥青混合料的最大限制模量，单位为MPa；
Figure 80541DEST_PATH_IMAGE008
、
Figure 229763DEST_PATH_IMAGE009
、
Figure 969049DEST_PATH_IMAGE010
、
Figure 691804DEST_PATH_IMAGE011
均为 模型系数；
Figure 643579DEST_PATH_IMAGE012
为沥青混合料的矿料间隙率；
Figure 850570DEST_PATH_IMAGE013
为沥青混合料的沥青饱和度。
步骤3，利用三轴压缩试验机对粒料层材料试样进行三轴压缩试验，改变施加围压的大小，测量不同围压下粒料层材料试样的回弹模量，根据粒料层材料试样回弹模量与围压之间的关系，建立粒料层材料回弹模量计算模型，如式（4）所示：
Figure 495178DEST_PATH_IMAGE014
（4）
其中，
Figure 217146DEST_PATH_IMAGE015
（5）
Figure 723345DEST_PATH_IMAGE016
（6）
式中，
Figure 519262DEST_PATH_IMAGE017
为粒料层材料试样的回弹模量，单位为MPa；
Figure 334772DEST_PATH_IMAGE018
为粒料层材料试样的体应 力，单位为MPa；
Figure 544036DEST_PATH_IMAGE019
为粒料层材料试样的八面体剪应力，单位为MPa；
Figure 103194DEST_PATH_IMAGE020
为参考气压，取值为 100KPa；
Figure 19197DEST_PATH_IMAGE021
、
Figure 490761DEST_PATH_IMAGE022
、
Figure 921742DEST_PATH_IMAGE023
均为回归系数，
Figure 19011DEST_PATH_IMAGE024
、
Figure 117417DEST_PATH_IMAGE025
、
Figure 759882DEST_PATH_IMAGE026
；
Figure 881422DEST_PATH_IMAGE027
为粒料层材料试样在X轴方向受到的应 力，单位为MPa；
Figure 782382DEST_PATH_IMAGE028
为粒料层材料试样在Y轴方向受到的应力，单位为MPa；
Figure 469715DEST_PATH_IMAGE029
为粒料层材料试 样在Z轴方向受到的应力，单位为MPa。
步骤4，在待监测沥青路面中安装粒料层材料回弹模量智能监测系统，粒料层材料回弹模量智能监测系统包括交通轴载测量装置、路面结构温度测量装置和沥青路面数据处理装置，沥青路面数据处理装置分别与交通轴载测量装置、路面结构温度测量装置相连接。
交通轴载测量装置设置于沥青路面的沥青层顶部，用于测量沥青路面上行驶车辆的车速；路面结构温度测量装置设置于沥青层各结构层内部，用于测量沥青路面内部的温度；沥青路面数据处理装置能够实时接收交通轴载测量装置和路面结构温度测量装置的测量数据，用于实时计算沥青路面的沥青混合料动态模量和粒料层材料模量。
利用路面结构温度测量装置测量沥青路面的内部温度，再利用交通轴载测量装置测量沥青路面上车辆的车速，并将沥青路面上车辆的车速和沥青路面的内部温度传输至沥青路面数据处理装置。
步骤5，利用沥青路面数据处理装置计算沥青路面中粒料层材料的回弹模量，具体包括以下步骤：
步骤5.1，将沥青路面的路面结构参数、沥青路面上车辆的车速、沥青路面的内部温度、沥青混合料动态模量计算模型和粒料层材料回弹模量计算模型输入沥青路面数据处理装置中。
步骤5.2，根据沥青路面上车辆的车速确定车辆荷载对路面的加载频率，如式（7）所示：
Figure 797928DEST_PATH_IMAGE030
（7）
式中，
Figure 141185DEST_PATH_IMAGE005
为加载频率，单位为Hz；
Figure 593638DEST_PATH_IMAGE031
为沥青路面中沥青层的厚度，单位为m；
Figure 401057DEST_PATH_IMAGE032
为沥青 路面上车辆的车速，单位为
Figure 900172DEST_PATH_IMAGE033
；
将车辆载荷对路面的加载频率与沥青路面的内部温度相结合，基于沥青混合料动态模量计算模型，计算得到沥青路面中沥青层的沥青混合料动态模量。
步骤5.3，设置迭代总次数
Figure 730725DEST_PATH_IMAGE034
和粒料层材料回弹模量的初值
Figure 973487DEST_PATH_IMAGE035
。
步骤5.4，当迭代次数
Figure 120566DEST_PATH_IMAGE036
时，根据沥青路面的路面结构参数，利用力学计算软件 BISAR 3.0计算得到粒料层材料沿X轴方向的压应力
Figure 790582DEST_PATH_IMAGE037
、沿Y轴方向的压应力
Figure 905168DEST_PATH_IMAGE038
和沿Z轴方向 的压应力
Figure 951622DEST_PATH_IMAGE039
，并基于粒料层材料回弹模量计算模型，计算得到粒料层材料回弹模量
Figure 218786DEST_PATH_IMAGE040
。
步骤5.5，当迭代次数
Figure 262965DEST_PATH_IMAGE041
时，将粒料层材料回弹模量的初值更新为
Figure 864848DEST_PATH_IMAGE042
，如式（8）所 示：
Figure 714992DEST_PATH_IMAGE043
（8）
式中，
Figure 85931DEST_PATH_IMAGE042
为更新后粒料层材料回弹模量的初值，单位为MPa；
Figure 848482DEST_PATH_IMAGE044
为第
Figure 875343DEST_PATH_IMAGE045
次迭代 计算得到的粒料层材料回弹模量，单位为MPa；
Figure 263599DEST_PATH_IMAGE046
为第
Figure 754624DEST_PATH_IMAGE047
次迭代计算得到的粒料层材料 回弹模量，单位为MPa。
根据沥青路面的路面结构参数和更新后粒料层材料回弹模量的初值
Figure 937343DEST_PATH_IMAGE042
，利用力 学计算软件BISAR 3.0计算得到粒料层材料沿X轴方向的压应力
Figure 717080DEST_PATH_IMAGE037
、沿Y轴方向的压应力
Figure 385391DEST_PATH_IMAGE038
和沿Z轴方向的压应力
Figure 730922DEST_PATH_IMAGE039
，并基于粒料层材料回弹模量计算模型，确定本次迭代计算的粒料 层材料回弹模量
Figure 350122DEST_PATH_IMAGE040
。
步骤5.6，计算本次迭代计算得到的粒料层材料回弹模量
Figure 351576DEST_PATH_IMAGE040
与上次迭代计算得到 的粒料层材料回弹模量
Figure 81635DEST_PATH_IMAGE044
之间的差值；
若
Figure 766825DEST_PATH_IMAGE048
或迭代次数
Figure 822506DEST_PATH_IMAGE049
，则进入步骤5.5；
若
Figure 107994DEST_PATH_IMAGE050
或迭代次数
Figure 376164DEST_PATH_IMAGE051
，则进入步骤6。
步骤6，输出粒料层材料回弹模量
Figure 633970DEST_PATH_IMAGE040
，得到待监测沥青路面中粒料层材料的回弹 模量。
实施例1
本实施例以山东济南地区高速公路沥青路面为例，在高速公路上选取实验路段，采用本发明提出的一种实时确定路面粒料层材料回弹模量的方法实时监测实验路段的粒料层材料回弹模量，具体包括以下步骤：
步骤1，获取实验路段的路面结构参数，实验路段的路面结构如图1所示，路面结构由上到下依次设置有沥青层、粒料层和路基；沥青层由上到下依次设置为上面层、中面层和下面层，上面层厚度为40mm，采用SMA13铺设而成，沥青混合料的沥青饱和度为65%、矿料间隙率为15.5%，泊松比为0.25；中面层厚度为60mm，采用AC20铺设而成，沥青混合料的沥青饱和度为63%、矿料间隙率为15.3%，泊松比为0.25；下面层厚度为80mm，采用AC25铺设而成，沥青混合料的沥青饱和度为67%、矿料间隙率为15.7%，泊松比为0.25。粒料层厚度为34cm，采用34cm级配碎石铺设而成。
根据实验路段的路面结构参数制备与实际路面情况相同的沥青层混合料试样和粒料层材料试样，利用沥青层混合料试样进行单轴压缩动态模量试验，利用粒料层材料试样进行三轴压缩试验。
步骤2，在实验室内利用材料试验机对沥青混合料试样进行单轴压缩动态模量试验，将试验温度分别设置为20℃、35℃和50℃，在各温度条件下依次将加载频率调整为0.1Hz、0.2Hz、0.5Hz、1Hz、2Hz、5Hz、10Hz、20Hz和25Hz，分别测量加载频率为0.1Hz、0.2Hz、0.5 Hz、1Hz、2Hz、5Hz、10Hz、20Hz、25Hz时沥青混合料试样中上面层、中面层和下面层的动态模量，测量结果如表1所示。
表1 单轴压缩动态模量试验测量结果
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE052
基于时温等效原理，通过对不同温度条件下沥青混合料试样的加载频率和动态模量进行拟合，建立沥青混合料动态模量主曲线，如图2所示。
根据沥青混合料动态模量主曲线，分别得到沥青层中上面层、中面层和下面层的沥青混合料动态模量计算模型，如下所示：
沥青层中上面层的沥青混合料动态模量计算模型为：
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE053
（9）
式中，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE054
为上面层的沥青混合料动态模量，单位为Mpa；
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE055
为加载频率，单位为Hz；
Figure DEST_PATH_IMAGE056
为上面层的温度，单位为℃；
沥青层中中面层的沥青混合料动态模量计算模型为：
Figure DEST_PATH_IMAGE057
（10）
式中，
Figure DEST_PATH_IMAGE058
为中面层的沥青混合料动态模量，单位为Mpa；
Figure 283388DEST_PATH_IMAGE055
为加载频率，单位为Hz；
Figure DEST_PATH_IMAGE059
为中面层的温度，单位为℃；
沥青层中下面层的沥青混合料动态模量计算模型为：
Figure DEST_PATH_IMAGE060
（11）
式中，
Figure DEST_PATH_IMAGE061
为下面层的沥青混合料动态模量，单位为Mpa；
Figure 600713DEST_PATH_IMAGE055
为加载频率，单位为Hz；
Figure DEST_PATH_IMAGE062
为下面层的温度，单位为℃。
由于实际沥青路面的加载频率由沥青路面上的车辆荷载所产生，因此利用沥青路面上行驶车辆的车速可以确定车辆荷载作用于沥青路面上的加载频率，从而仅需确定行驶于沥青路面上车辆的车速和沥青路面各结构层的内部温度，输入沥青路面各结构层的沥青混合料动态模量计算模型中，即可确定沥青路面各结构层的沥青混合料动态模量。
步骤3，利用三轴压缩试验机对粒料层材料试样进行三轴压缩试验，选取三轴压缩试验机的不同加载序列实现对粒料层材料试样施加不同围压，该围压为粒料层材料试样在Y轴方向和Z轴方向所受到的应力，在各加载序列下利用三轴压缩试验机分别对粒料层材料试样施加100次半正矢脉冲荷载，测量粒料层材料试样的回弹变形确定粒料层材料试样的回弹模量，得到不同围压下粒料层材料试样的回弹模量，测量结果如表2所示。
表2 三轴压缩试验测量结果
Figure DEST_PATH_IMAGE063
根据粒料层材料试样回弹模量与围压之间的关系，本实施例中参考气压
Figure DEST_PATH_IMAGE064
，拟合确定本实施例中回归系数
Figure DEST_PATH_IMAGE065
、
Figure DEST_PATH_IMAGE066
、
Figure DEST_PATH_IMAGE067
，建立粒料层材料回弹模量计 算模型，如式（12）所示：
Figure DEST_PATH_IMAGE068
（12）
式中，
Figure 626569DEST_PATH_IMAGE017
为粒料层材料试样的回弹模量，单位为MPa；
Figure 801198DEST_PATH_IMAGE027
为粒料层材料试样在X轴方 向受到的应力，单位为MPa；
Figure 667523DEST_PATH_IMAGE028
为粒料层材料试样在Y轴方向受到的应力，单位为MPa；
Figure 130865DEST_PATH_IMAGE029
为粒 料层材料试样在Z轴方向受到的应力，单位为MPa。
步骤4，在待监测沥青路面中安装粒料层材料回弹模量智能监测系统，粒料层材料回弹模量智能监测系统包括交通轴载测量装置、路面结构温度测量装置和沥青路面数据处理装置，沥青路面数据处理装置分别与交通轴载测量装置、路面结构温度测量装置相连接。
交通轴载测量装置设置于沥青路面的沥青层顶部，用于测量沥青路面上行驶车辆的车速；路面结构温度测量装置设置于沥青层各结构层内部，用于测量沥青路面内部的温度，本实施例中路面结构温度测量装置为温度传感器；沥青路面数据处理装置能够实时接收交通轴载测量装置和路面结构温度测量装置的测量数据，实时计算沥青路面的沥青混合料动态模量和粒料层材料模量。
利用交通轴载测量装置实时测量得到实验路段上车辆的车速为80Km/h，同时利用路面结构温度测量装置测量得到沥青层中上面层温度为51℃、中面层温度为48℃、下面层温度为41℃。
步骤5，利用沥青路面数据处理装置计算沥青路面中粒料层材料的回弹模量，具体包括以下步骤：
步骤5.1，将沥青路面的路面结构参数、沥青路面上车辆的车速、沥青路面的内部温度、沥青混合料动态模量计算模型和粒料层材料回弹模量计算模型输入沥青路面数据处理装置中。
步骤5.2，沥青路面数据处理装置接收交通轴载测量装置和路面结构温度测量装置的测量数据得到沥青路面上的行车车速和沥青路面的内部温度，根据沥青路面上车辆的车速利用公式（7）确定车辆荷载对路面的加载频率，基于沥青混合料动态模量计算模型，实时计算得到沥青层中各结构层的沥青混合料动态模量，其中，上面层的沥青混合料动态模量为5939Mpa、中面层的沥青混合料动态模量为10053Mpa、下面层的沥青混合料动态模量为13287Mpa，从而实时获取实验路段沥青层中各结构层沥青混合料动态模量。
步骤5.3，设置迭代总次数
Figure DEST_PATH_IMAGE069
和粒料层材料回弹模量的初值
Figure DEST_PATH_IMAGE070
。
步骤5.4，当迭代次数
Figure 819467DEST_PATH_IMAGE036
时，根据沥青路面的路面结构参数和沥青路面中各结构层 沥青混合料动态模量，利用力学计算软件BISAR 3.0计算得到粒料层材料沿X轴方向的压应 力
Figure 51865DEST_PATH_IMAGE037
、沿Y轴方向的压应力
Figure 89091DEST_PATH_IMAGE038
和沿Z轴方向的压应力
Figure 836467DEST_PATH_IMAGE039
，并基于粒料层材料回弹模量计算模 型，计算得到粒料层材料回弹模量
Figure 3793DEST_PATH_IMAGE040
；
步骤5.5，当迭代次数
Figure 153015DEST_PATH_IMAGE041
时，利用公式（8）将粒料层材料回弹模量的初值更新为
Figure 626722DEST_PATH_IMAGE042
，并根据沥青路面的路面结构参数、沥青路面中各结构层沥青混合料动态模量和更新后 粒料层材料回弹模量的初值
Figure 799077DEST_PATH_IMAGE042
，利用力学计算软件BISAR 3.0计算得到粒料层材料沿X轴 方向的压应力
Figure 750852DEST_PATH_IMAGE037
、沿Y轴方向的压应力
Figure 505313DEST_PATH_IMAGE038
和沿Z轴方向的压应力
Figure 681079DEST_PATH_IMAGE039
，并基于粒料层材料回弹 模量计算模型，确定本次迭代计算的粒料层材料回弹模量
Figure 340731DEST_PATH_IMAGE040
。
步骤5.6，计算本次迭代计算得到的粒料层材料回弹模量
Figure 96197DEST_PATH_IMAGE040
与上次迭代计算得到 的粒料层材料回弹模量
Figure 705164DEST_PATH_IMAGE044
之间的差值，若
Figure 520673DEST_PATH_IMAGE048
或迭代次数
Figure 464359DEST_PATH_IMAGE049
，则进入步骤 5.5；若
Figure 757937DEST_PATH_IMAGE050
或迭代次数
Figure 549306DEST_PATH_IMAGE051
，则进入步骤6。
步骤6，输出粒料层材料回弹模量
Figure 535717DEST_PATH_IMAGE040
，得到本实施例中待监测沥青路面的粒料层 材料回弹模为402.39MPa，从而实现了对实验路段中粒料层材料回弹模量的实时监测。
当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种实时确定路面粒料层材料回弹模量的方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
步骤1，选取待监测的沥青路面，获取待监测沥青路面的路面结构参数，并根据路面结构参数制备沥青层混合料试样和粒料层材料试样；
步骤2，利用材料试验机对沥青混合料试样进行单轴压缩动态模量试验，测量不同试验温度和加载频率条件下沥青混合料试样中各结构层的动态模量，基于时温等效原理建立沥青混合料动态模量主曲线，根据沥青混合料动态模量主曲线，确定沥青混合料动态模量计算模型，如式（1）所示：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
（1）
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE002
（2）
Figure DEST_PATH_IMAGE003
（3）
式中，
Figure DEST_PATH_IMAGE004
为沥青混合料的动态模量，单位为MPa；
Figure DEST_PATH_IMAGE005
为加载频率，单位为Hz；
Figure DEST_PATH_IMAGE006
为沥青混 合料的温度，单位为℃；
Figure DEST_PATH_IMAGE007
为沥青混合料的最大限制模量，单位为MPa；
Figure DEST_PATH_IMAGE008
、
Figure DEST_PATH_IMAGE009
、
Figure DEST_PATH_IMAGE010
、
Figure DEST_PATH_IMAGE011
均为模型系数；
Figure DEST_PATH_IMAGE012
为沥青混合料的矿料间隙率；
Figure DEST_PATH_IMAGE013
为沥青混合料的沥青饱和度；
步骤3，利用三轴压缩试验机对粒料层材料试样进行三轴压缩试验，改变施加围压的大小，测量不同围压下粒料层材料试样的回弹模量，根据粒料层材料试样回弹模量与围压之间的关系，建立粒料层材料回弹模量计算模型，如式（4）所示：
Figure DEST_PATH_IMAGE014
（4）
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE015
（5）
Figure DEST_PATH_IMAGE016
（6）
式中，
Figure DEST_PATH_IMAGE017
为粒料层材料试样的回弹模量，单位为MPa；
Figure DEST_PATH_IMAGE018
为粒料层材料试样的体应力，单 位为MPa；
Figure DEST_PATH_IMAGE019
为粒料层材料试样的八面体剪应力，单位为MPa；
Figure DEST_PATH_IMAGE020
为参考气压，单位为 MPa；
Figure DEST_PATH_IMAGE021
、
Figure DEST_PATH_IMAGE022
、
Figure DEST_PATH_IMAGE023
均为回归系数，
Figure DEST_PATH_IMAGE024
、
Figure DEST_PATH_IMAGE025
、
Figure DEST_PATH_IMAGE026
；
Figure DEST_PATH_IMAGE027
为粒料层材料试样在X轴方向 受到的应力，单位为MPa；
Figure DEST_PATH_IMAGE028
为粒料层材料试样在Y轴方向受到的应力，单位为MPa；
Figure DEST_PATH_IMAGE029
为粒 料层材料试样在Z轴方向受到的应力，单位为MPa；
步骤4，在待监测沥青路面中安装粒料层材料回弹模量智能监测系统，粒料层材料回弹模量智能监测系统包括交通轴载测量装置、路面结构温度测量装置和沥青路面数据处理装置，沥青路面数据处理装置分别与交通轴载测量装置、路面结构温度测量装置相连接；
利用路面结构温度测量装置测量沥青路面的内部温度，再利用交通轴载测量装置测量沥青路面上车辆的车速，并将沥青路面上车辆的车速和沥青路面的内部温度传输至沥青路面数据处理装置；
步骤5，利用沥青路面数据处理装置计算沥青路面中粒料层材料的回弹模量，具体包括以下步骤：
步骤5.1，将沥青路面的路面结构参数、沥青路面上车辆的车速、沥青路面的内部温度、沥青混合料动态模量计算模型和粒料层材料回弹模量计算模型输入沥青路面数据处理装置中；
步骤5.2，根据沥青路面上车辆的车速确定车辆荷载对路面的加载频率，如式（7）所示：
Figure DEST_PATH_IMAGE030
（7）
式中，
Figure 961437DEST_PATH_IMAGE005
为加载频率，单位为Hz；
Figure DEST_PATH_IMAGE031
为沥青路面中沥青层的厚度，单位为m；
Figure DEST_PATH_IMAGE032
为沥青路面 上车辆的车速，单位为
Figure DEST_PATH_IMAGE033
；
结合沥青路面的内部温度，基于沥青混合料动态模量计算模型，计算得到沥青路面中沥青层的沥青混合料动态模量；
步骤5.3，设置迭代总次数
Figure DEST_PATH_IMAGE034
和粒料层材料回弹模量的初值
Figure DEST_PATH_IMAGE035
；
步骤5.4，当迭代次数
Figure DEST_PATH_IMAGE036
时，根据沥青路面的路面结构参数和沥青路面中各结构层的 沥青混合料动态模量，利用力学计算软件BISAR 3.0计算得到粒料层材料沿X轴方向的压应 力
Figure DEST_PATH_IMAGE037
、沿Y轴方向的压应力
Figure DEST_PATH_IMAGE038
和沿Z轴方向的压应力
Figure DEST_PATH_IMAGE039
，并基于粒料层材料回弹模量计 算模型，计算得到粒料层材料回弹模量
Figure DEST_PATH_IMAGE040
；
步骤5.5，当迭代次数
Figure DEST_PATH_IMAGE041
时，将粒料层材料回弹模量的初值更新为
Figure DEST_PATH_IMAGE042
，如式（8）所示：
Figure DEST_PATH_IMAGE043
（8）
式中，
Figure DEST_PATH_IMAGE044
为更新后粒料层材料回弹模量的初值，单位为MPa；
Figure DEST_PATH_IMAGE045
为第
Figure DEST_PATH_IMAGE046
次迭代计 算得到的粒料层材料回弹模量，单位为MPa；
Figure DEST_PATH_IMAGE047
为第
Figure DEST_PATH_IMAGE048
次迭代计算得到的粒料层材料 回弹模量，单位为MPa；
根据沥青路面的路面结构参数、沥青路面中各结构层的沥青混合料动态模量和更新后 粒料层材料回弹模量的初值
Figure 105674DEST_PATH_IMAGE042
，利用力学计算软件BISAR 3.0计算得到粒料层材料沿X轴 方向的压应力
Figure DEST_PATH_IMAGE049
、沿Y轴方向的压应力
Figure DEST_PATH_IMAGE050
和沿Z轴方向的压应力
Figure DEST_PATH_IMAGE051
，并基于粒料层材料 回弹模量计算模型，确定本次迭代计算的粒料层材料回弹模量
Figure 495199DEST_PATH_IMAGE040
；
步骤5.6，计算本次迭代计算得到的粒料层材料回弹模量
Figure 155987DEST_PATH_IMAGE040
与上次迭代计算得到的 粒料层材料回弹模量
Figure 501518DEST_PATH_IMAGE045
之间的差值；
若
Figure DEST_PATH_IMAGE052
或迭代次数
Figure DEST_PATH_IMAGE053
，则进入步骤5.5；
若
Figure DEST_PATH_IMAGE054
或迭代次数
Figure DEST_PATH_IMAGE055
，则进入步骤6；
步骤6，输出粒料层材料回弹模量
Figure 196417DEST_PATH_IMAGE040
，得到待监测沥青路面中粒料层材料的回弹模 量。
2.根据权利要求1所述的一种实时确定路面粒料层材料回弹模量的方法，其特征在于，所述沥青路面由上到下依次设置有沥青层、粒料层和路基，其中，沥青层由上到下依次设置为上面层、中面层和下面层。
3.根据权利要求1所述的一种实时确定路面粒料层材料回弹模量的方法，其特征在于，所述路面结构参数包括沥青层厚度、粒料层厚度、沥青混合料的组成成分、粒料层的组成成分以及沥青层中上面层、中面层和下面层的厚度和泊松比。
4.根据权利要求1所述的一种实时确定路面粒料层材料回弹模量的方法，其特征在于，所述步骤2中，选取试验温度，在各试验温度条件下分别测量加载频率为0.1Hz、0.2Hz、0.5Hz、1Hz、2Hz、5Hz、10Hz、20Hz、25Hz时沥青混合料试样中各结构层的动态模量。
5.根据权利要求4所述的一种实时确定路面粒料层材料回弹模量的方法，其特征在于，所述试验温度分别设置为20℃、35℃和50℃。
6.根据权利要求1所述的一种实时确定路面粒料层材料回弹模量的方法，其特征在于，所述步骤3中，三轴压缩试验过程中选取加载序列，三轴压缩试验机在各加载序列下分别对粒料层材料试样施加100次半正矢脉冲荷载，通过测量粒料层材料试样的回弹变形确定粒料层材料试样的回弹模量。
7.根据权利要求1所述的一种实时确定路面粒料层材料回弹模量的方法，其特征在于，所述交通轴载测量装置设置于沥青路面的沥青层顶部，用于测量沥青路面上行驶车辆的车速；路面结构温度测量装置设置于沥青层各结构层内部，用于测量沥青路面内部的温度；沥青路面数据处理装置能够实时接收交通轴载测量装置和路面结构温度测量装置的测量数据，用于实时计算沥青路面的沥青混合料动态模量和粒料层材料模量。
8.根据权利要求7所述的一种实时确定路面粒料层材料回弹模量的方法，其特征在于，所述路面结构温度测量装置为温度传感器。
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