CN117932731A - 一种基于双尺度耦合的半柔性路面养护施工数值模拟方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于双尺度耦合的半柔性路面养护施工数值模拟方法，包括：基于三维探地雷达与落锤式弯沉仪测得的原路面结构方案，确定铣刨重铺段尺寸；针对原路面结构建立有限元模型，铣刨重铺后采用离散元对半柔层进行模拟并耦合在有限元模型中，构建得到双尺度耦合模型；对大空隙母体沥青混合料压实成型进行仿真计算；基于施工流程和双尺度耦合模型，进行自流平水泥浆填充仿真推演；建立水泥固化离散元数值模型表征水泥固化行为；基于双尺度耦合模型对半柔性路面进行评价与养护指导。本发明实现了半柔性路面施工期工艺控制与性能评价及服役期养护修复指导，弥补了半柔性路面试验成本高以及面对不同施工条件下理论数据不足的缺陷。

Description

一种基于双尺度耦合的半柔性路面养护施工数值模拟方法

技术领域

本发明属于道路工程技术领域，具体涉及一种基于双尺度耦合的半柔性路面养护施工数值模拟方法。

背景技术

半柔性路面结构以多孔沥青混合料灌注水泥浆，形成一种半柔性的复合材料替代传统沥青路面面层中的一层或多层。这种新型路面结构近年来在道路工程领域受到了高度关注。在干线公路的交叉路口和长大纵坡路段、港口和集装箱码头、市政道路的公交车站附近，以及城市BRT和FRT车道等区域，由于行驶速度较慢的重载汽车频繁制动和加速，路面面层材料不仅要承受较大的压应力，还要承受较高的剪切作用。这种应力和温度的综合作用效应，使得这些路段的沥青面层容易出现车辙病害。半柔性路面材料是由大孔隙沥青混合料灌注特定水泥浆所形成的复合路面材料，其刚度处于沥青混凝土和水泥混凝土之间。室内和工程实践研究表明，半柔性路面材料具有良好的抗剪强度、抗车辙性能和高温稳定性，因此成为上述路段路面设计和改造的首选方案。目前，半柔性路面已经应用于国内部分路段的铺装和旧路改造工程，展现了良好的使用效果和卓越的抗车辙性能。

开展此类新型路面材料的性能研究，对于提高我国高速公路以及一般公路建设水平，特别是提高路面的使用性能和延长路面的使用寿命，减少路面建设投资等诸多方面，都具有十分重要的理论意义和实用价值。

发明内容

解决的技术问题：本发明提出了一种基于双尺度耦合的半柔性路面养护施工数值模拟方法，通过构建有限元与离散元双尺度耦合的半柔性路面仿真模型，研究基于仿真推演与分析的半柔性路面施工过程宏细观状态，实现半柔性路面施工期工艺控制与性能评价及服役期养护修复指导，弥补了半柔性路面试验成本高以及面对不同施工条件下理论数据不足的缺陷。

技术方案：

一种基于双尺度耦合的半柔性路面养护施工数值模拟方法，所述半柔性路面养护施工数值模拟方法包括以下步骤：

S1、基于三维探地雷达与落锤式弯沉仪测得的原路面结构方案，确定铣刨重铺段尺寸；

S2、针对原路面结构建立有限元模型，铣刨重铺后采用离散元对半柔层进行模拟并耦合在有限元模型中，构建得到双尺度耦合模型；

S3、基于步骤s2中构建的双尺度耦合模型，将设计的级配参数设置在路面结构的离散元部分中，在有限元模型中模拟不同碾压工序获取速度数据并耦合入双尺度耦合模型中，建立混合料压实成型仿真模型，对大空隙母体沥青混合料压实成型进行仿真计算；

S4、基于施工流程和双尺度耦合模型，进行自流平水泥浆填充仿真推演，确定在不同灌浆量和施工条件下自流平水泥填充效果；

S5、建立水泥固化离散元数值模型表征水泥固化行为，获取半柔性路面固化成型后路面状态与数据，推演水泥固化时间以确定预计开放交通时间；

S6、获取半柔性路面材料的形貌构成，优化双尺度耦合模型参数，在不同路面承载模式以及不同温度下，推演半柔性路面结构在重复荷载作用下的力学行为及变形行为，获得路面结构的高低温性能及疲劳性能，基于双尺度耦合模型对半柔性路面进行评价与养护指导。

进一步地，步骤S1中，所述基于三维探地雷达与落锤式弯沉仪测得的原路面结构方案，确定铣刨重铺段尺寸的过程包括以下步骤：

采用三维探地雷达探测并经3dr-Examiner分析处理，按照雷达厚度反演公式(1.1)得到原路面结构层厚度：上面层厚度h₁、中面层厚度h₂、下面层厚度h₃、基层厚度h₄、底基层厚度h₅，并依据分析得出的内部损伤检测结果统计脱空体积、沉陷面积及裂缝率：

式中，D为电磁波在路面各层结构中经过的距离，Δt为电磁波经过路面各层结构所用时间，h为两层不同介质界面之间的距离，即结构层的厚度，c为光在介质中的传播速度，θ为电磁波在路面结构下一层中与法线的折射角，ε为介电常数；采用落锤式弯沉仪获得路面在动态冲击荷载下的实时响应即实测弯沉盆，通过下述公式(1.2)建立弯沉与回弹模量之间的关系，基于实测弯沉盆和理论弯沉盆之间的拟合度建立模量反演体系得到基于实测弯沉盆的路面结构层模量结果E：

式中，p为落锤式弯沉仪承载板施加荷载，δ为标准轴载当量圆半径，l为旧路面的计算弯沉，m₁为用标准轴载的汽车在原路面上测得的弯沉值与用承载板在相同压强条件下所测得的回弹变形值之比，即轮板对比值；m₂为旧路面当量回弹模量扩大系数；

通过反演模量值E控制铣刨设计准则，确定铣刨重铺尺寸：分别确定满足直接加铺的最小路面顶面回弹模量E_s1、铣刨上面层前最小路面顶面回弹模量E_s2、铣刨上中面层前最小路面顶面回弹模量E_s3、铣刨某厚度前最小路面顶面回弹模量E_si；当E≥E_s1时，不需铣刨直接加铺；当E_s1＞E≥E_si时，铣刨至h_i厚度底后加铺；当E_s1＞E≥E_s2时，铣刨至上面层底后加铺；当E_s2＞E≥E_s3时，铣刨至中面层底加铺；E＜E_s3时，铣刨全部面层再加铺，确定铣刨厚度为h_铣。

进一步地，步骤S2中，针对原路面结构建立有限元模型，铣刨重铺后采用离散元对半柔层进行模拟并耦合在有限元模型中，构建得到双尺度耦合模型的过程包括以下步骤：

针对原路面结构建立有限元模型，采用全路面结构的单侧车道模型进行构建分析有限元模型的尺寸；道路模型为三维立体结构，道路宽度B设置为X轴，道路结构深度H设置为Y轴，车辆行驶的方向定义为Z轴负向；

铣刨重铺后采用离散元对半柔层进行模拟耦合在有限元模型中，构建得到初始双尺度耦合模型，初始双尺度耦合模型各结构由上往下分别预设为半柔层、沥青层、水稳层、级配碎石层、土基层；其中，设置初始半柔性路面结构中半柔层厚度为h₀，AC层厚度为h₁+h₂+h₃-h_铣，水稳层厚度为h₄，级配碎石层厚度为h₅；各层模量均对应步骤S1中所得模量；

选择SFP半柔性材料的初始瞬态模量E₀，使用修正Burgers本构模型来表征其黏弹行为；AC层设置为摩尔-库伦应变软化本构模型，在面层弹性阶段设置本构关系为线弹性；集料设置为Hertz-Medlin本构模型；基层设置为线弹性本构模型；路基设置为摩尔-库伦本构模型；

借助三维激光扫描设备，将扫描的网格利用软件命令导入，获取集料三维细观轮廓模拟出集料的形态和棱角；颗粒接触类型设置包括：集料之间设置线性接触模型；水泥石之间、水泥石与沥青砂浆之间、沥青砂浆与集料之间设置平行粘结模型；沥青砂浆之间设置Burgers模型；对于线性接触模型，将接触简化为两端位于颗粒球心的弹性梁来得到接触模型的细观参数与材料宏观参数的关系，等效梁长为L、横截面积为A、惯性矩为I；通过式(2.1)和式(2.2)法向刚度与切向刚度的数值，剪切模量G通过式(2.3)获取；对于集料与沥青砂浆间平行粘结模型，通过式(2.4)和式(2.5)的法向刚度与切向刚度的数值；对于Burgers模型，通过单轴蠕变试验与单轴贯入试验获得其模型参数：

其中：kⁿ¹、k^s1分别为线性接触模型的法向刚度、切向刚度，E₀为集料弹性模量；v为泊松比；kⁿ²、k^s2分别为平行粘结模型的法向刚度、切向刚度，为平行粘结模型的弹性模量，/>为平行粘结模型等效接触宽度的1/2。

进一步地，步骤S3中，对大空隙母体沥青混合料压实成型进行仿真计算的过程包括以下步骤：

基于变K法，以间断点把混合料分成主骨料与细料，主骨料和细料分别取不同的k值设计各自内部的各档粒径之间的比例，再根据体积设计方法确定粗细集料比，确定混合料的级配范围，以空隙率与稳定度为研究指标提出级配正交设计方案；采用改进的主骨料填充法设计合理的基体沥青混合料空隙率，得到矿粉与粗细集料用量；

基于步骤s2中构建的双尺度耦合模型，将设计级配参数设置在路面结构的离散元部分中，在有限元模型中模拟不同碾压工序获取速度数据并耦合入双尺度耦合模型中，建立混合料压实成型仿真模型，通过路面结构仿真软件获得母体沥青骨料压实过程的状态与压实结束后的尺寸及力学数据，评价不同工艺压实效果；

模拟现行规范沥青混合料马歇尔稳定度试验及劈裂强度试验方法进行母体沥青混合料稳定度与劈裂强度的测试，确定最佳沥青用量，并以空隙率与稳定度为基础指标评价各级配下母体沥青混合料物理、力学性能。

进一步地，步骤S4中，基于施工流程和双尺度耦合模型，进行自流平水泥浆填充仿真推演的过程包括以下步骤：

基于各因素性能影响程度正交试验，考虑灌浆料的干缩性、流动性、抗折强度、抗压强度及泌水性，确定水泥灌浆材料的最佳配比，并根据宏观力学试验获取平行粘结模型的相关参数：颗粒有效模量、平行粘结有效模量；

通过母体沥青碎石空隙率VV及车辙板尺寸V计算出自流平水泥浆理论灌浆量与振动条件下实际灌入水泥浆量比较差异，为仿真与施工所需的水泥浆用量提供数据；

采用同轴圆筒式旋转混凝土流变仪获得水泥浆的宾汉姆模型参数，用于离散单元法中模拟自流平水泥浆的流变学行为；

生成水泥石颗粒，基于施工流程进行双尺度模型水泥自流平填充模拟，确定在不同灌浆量和施工条件下自流平水泥填充效果。

进一步地，步骤S5中，建立水泥固化离散元数值模型表征水泥固化行为，获取半柔性路面固化成型后路面状态与数据，推演水泥固化时间以确定预计开放交通时间的过程包括以下步骤：

采用SEM研究不同养生龄期的自流平水泥灌浆材料的微观结构变化规律，建立模拟水泥固化流动状态的CFD模型，将水泥和沥青的流变参数作为材料属性参数输入到水泥固化多相流模型中进行模拟，在此基础上研究水泥固化的流动性能随时间的变化关系；

在离散元模型中使用JKR粘聚力模型作为水泥颗粒的接触本构，基于自流平水泥流动性、收缩性与力学强度试验数据，通过BP神经网络机器学习的方法进行有限数据集的训练，建立水泥固化离散元数值模型表征水泥固化行为；

基于fish语言逻辑设置不同工况数据调用文件生成多种状态文件，与半柔性路面现场无损化测试数据进行对应验证，改进仿真模型初始参数，获取半柔性路面固化成型后路面状态与数据，推演水泥固化时间以确定预计开放交通时间。

进一步地，步骤S6中，基于双尺度耦合模型对半柔性路面进行评价与养护指导的过程包括以下步骤：

通过X-ray CT扫描和图像处理技术获取半柔性路面材料的形貌构成，优化双尺度耦合模型参数；

在不同路面承载模式以及不同温度下，推演半柔性路面结构在重复荷载作用下的力学行为及变形行为，获得路面结构的高低温性能及疲劳性能；

采用粘聚力模型定义沥青、水泥相以及沥青-集料界面和水泥-沥青的损伤，批量插入CZM内聚力模型单元表征损伤并模拟准静态破坏过程，对半柔性路面施工进行评价并提出服役期养护修复指导。

有益效果：

本发明的基于双尺度耦合的半柔性路面养护施工数值模拟方法，以有限元与离散元双尺度耦合仿真模型为基础，对现有半柔性路面全尺度试验段数量少以及支撑不同工况的理论数据不足等问题，通过构建有限元与离散元双尺度耦合的半柔性路面仿真模型，研究基于仿真推演与分析的半柔性路面施工过程宏细观状态，实现半柔性路面施工期工艺控制与性能评价及服役期养护修复指导，弥补了半柔性路面试验成本高以及面对不同施工条件下理论数据不足的缺陷。

附图说明

图1为本发明实施例的基于双尺度耦合的半柔性路面施工养护数值模拟方法的技术流程图；

图2为基于实测弯沉盆和理论弯沉盆之间拟合度的模量反演体系示意图；

图3为本发明实施例的半柔性路面养护施工双尺度耦合模型建立流程示意图。

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，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例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的一部分实施例，而不是全部的实施例。

除非另作定义，此处使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。

实施例1

本发明公开了一种基于双尺度耦合的半柔性路面养护施工数值模拟方法，所述半柔性路面养护施工数值模拟方法包括以下步骤：

S1、基于三维探地雷达与落锤式弯沉仪测得的原路面结构方案，确定铣刨重铺段尺寸；

S2、针对原路面结构建立有限元模型，铣刨重铺后采用离散元对半柔层进行模拟并耦合在有限元模型中，构建得到双尺度耦合模型；

S3、基于步骤s2中构建的双尺度耦合模型，将设计的级配参数设置在路面结构的离散元部分中，在有限元模型中模拟不同碾压工序获取速度数据并耦合入双尺度耦合模型中，建立混合料压实成型仿真模型，对大空隙母体沥青混合料压实成型进行仿真计算；

S4、基于施工流程和双尺度耦合模型，进行自流平水泥浆填充仿真推演，确定在不同灌浆量和施工条件下自流平水泥填充效果；

S5、建立水泥固化离散元数值模型表征水泥固化行为，获取半柔性路面固化成型后路面状态与数据，推演水泥固化时间以确定预计开放交通时间；

S6、获取半柔性路面材料的形貌构成，优化双尺度耦合模型参数，在不同路面承载模式以及不同温度下，推演半柔性路面结构在重复荷载作用下的力学行为及变形行为，获得路面结构的高低温性能及疲劳性能，基于双尺度耦合模型对半柔性路面进行评价与养护指导。

作为本发明的一种优选技术方案：所述步骤S1中，基于三维探地雷达与FWD的原路面结构方案以及铣刨重铺段尺寸确定方法具体如下：首先，采用三维探地雷达探测并经3dr-Examiner分析处理，按照雷达厚度反演公式(1.1)得到原路面结构层厚度：上面层厚度h₁、中面层厚度h₂、下面层厚度h₃、基层厚度h₄、底基层厚度h₅，并依据分析得出的内部损伤检测结果统计脱空体积、沉陷面积及裂缝率等；

式中，D为电磁波在路面各层结构中经过的距离，Δt为电磁波经过路面各层结构所用时间，h为两层不同介质界面之间的距离，即结构层的厚度，c为光在介质中的传播速度，θ为电磁波在路面结构下一层中与法线的折射角，ε为介电常数；

其次，采用落锤式弯沉仪获得路面在动态冲击荷载下的实时响应即实测弯沉盆，通过下述公式(1.2)建立弯沉与回弹模量之间的关系，基于实测弯沉盆和理论弯沉盆之间的拟合度建立模量反演体系得到基于实测弯沉盆的路面结构层模量结果E：

式中，p为落锤式弯沉仪承载板施加荷载，δ为标准轴载当量圆半径，l为旧路面的计算弯沉，m₁为用标准轴载的汽车在原路面上测得的弯沉值与用承载板在相同压强条件下所测得的回弹变形值之比，即轮板对比值；m₂为旧路面当量回弹模量扩大系数；

最后，通过反演模量值E控制铣刨设计准则，进而确定铣刨重铺尺寸：分别确定可满足直接加铺的最小路面顶面回弹模量E_s1、铣刨上面层前最小路面顶面回弹模量E_s2、铣刨上中面层前最小路面顶面回弹模量E_s3、铣刨某厚度前最小路面顶面回弹模量E_si。当E≥E_s1时，不需铣刨直接加铺；当E_s1＞E≥E_si时，铣刨至h_i厚度底后加铺；当E_s1＞E≥E_s2时，铣刨至上面层底后加铺。当E_s2＞E≥E_s3时，铣刨至中面层底加铺；E＜E_s3时，铣刨全部面层再加铺。最终确定铣刨厚度为h_铣。

作为本发明的一种优选技术方案：所述步骤S2中，所述基于有限元与离散单元法的双尺度耦合模型构建方法具体如下：首先针对原路面结构建立有限元模型，有限元模型的尺寸采用步骤S1中所得全路面结构的单侧车道模型进行构建分析。道路模型为三维立体结构，道路宽度设置为B(X轴)，道路结构深度设置为H(Y轴)，车辆行驶的方向定义为Z轴负向。铣刨重铺后采用离散元对半柔层进行模拟耦合在有限元模型中。初始双尺度耦合模型各结构由上往下分别预设为半柔层(SFP)、沥青层(AC)、水稳层(CSM)、级配碎石层(GM)、土基层(SG)；其中，设置初始半柔性路面结构中半柔层厚度为h₀，AC层厚度为h₁+h₂+h₃-h_铣，水稳层厚度为h₄，级配碎石层厚度为h₅；各层模量均对应S1中所得模量。选择SFP半柔性材料的初始瞬态模量E₀，使用修正Burgers本构模型来表征其黏弹行为；AC层设置为摩尔-库伦应变软化本构模型，在面层弹性阶段设置本构关系为线弹性；集料设置为Hertz-Medlin本构模型；基层设置为线弹性本构模型；路基设置为摩尔-库伦本构模型。借助三维激光扫描设备，将扫描的网格利用软件命令导入，从而获取集料三维细观轮廓模拟出集料的形态和棱角。颗粒接触类型设置：集料之间设置线性接触模型；水泥石之间、水泥石与沥青砂浆之间、沥青砂浆与集料之间设置平行粘结模型；沥青砂浆之间设置Burgers模型。对于线性接触模型，将接触简化为两端位于颗粒球心的弹性梁来得到接触模型的细观参数与材料宏观参数的关系，通过式(2.1)和式(2.2)法向刚度与切向刚度的数值，剪切模量G通过式(2.3)获取；对于集料与沥青砂浆间平行粘结模型，通过式(2.4)和式(2.5)法向刚度与切向刚度的数值；对于Burgers模型，通过单轴蠕变试验与单轴贯入试验获得其模型参数。

作为本发明的一种优选技术方案：所述步骤S3中，所述大空隙母体沥青混合料压实成型数值计算方法具体如下：首先，基于变“K”法，以间断点把混合料分成主骨料与细料，主骨料和细料分别取不同的k值设计各自内部的各档粒径之间的比例，再根据体积设计方法确定粗细集料比，确定混合料的级配范围，以空隙率与稳定度为研究指标提出级配正交设计方案。采用改进的主骨料填充法设计合理的基体沥青混合料空隙率，得到矿粉与粗细集料用量。其次，基于s2中构建的双尺度模型，将上述设计级配参数设置在路面结构的离散元部分中。在有限元模型中模拟不同碾压工序获取速度数据并耦合入双尺度模型中，建立混合料压实成型仿真模型，通过路面结构仿真软件获得母体沥青骨料压实过程的状态与压实结束后的尺寸及力学数据，评价不同工艺压实效果。最后，模拟现行规范沥青混合料马歇尔稳定度试验及劈裂强度试验方法进行母体沥青混合料稳定度与劈裂强度的测试，从而确定最佳沥青用量，并以空隙率与稳定度为基础指标评价各级配下母体沥青混合料物理、力学性能。

作为本发明的一种优选技术方案：所述步骤S4中，所述自流平水泥浆填充仿真推演方法具体如下：基于各因素性能影响程度正交试验，考虑灌浆料的干缩性、流动性、抗折强度、抗压强度及泌水性，确定水泥灌浆材料的最佳配比，并根据上述宏观力学试验获取平行粘结模型的相关参数如颗粒有效模量、平行粘结有效模量等。通过母体沥青碎石空隙率VV及车辙板尺寸V计算出自流平水泥浆理论灌浆量与振动条件下实际灌入水泥浆量比较差异，为仿真与施工所需的水泥浆用量提供数据。采用同轴圆筒式旋转混凝土流变仪获得水泥浆的宾汉姆模型参数，用于离散单元法中模拟自流平水泥浆的流变学行为。生成水泥石颗粒，基于施工“压入”、“路耙拖拉”、“振动”等流程进行双尺度模型水泥自流平填充模拟，确定在不同灌浆量和施工条件下自流平水泥填充效果，为后续水泥固化提供基础模型。

作为本发明的一种优选技术方案：所述步骤S5中，所述水泥固化行为表征方法具体如下：采用SEM研究不同养生龄期的自流平水泥灌浆材料的微观结构变化规律，建立模拟水泥固化流动状态的CFD模型，将水泥和沥青的流变参数作为材料属性参数输入到水泥固化多相流模型中进行模拟，在此基础上研究水泥固化的流动性能随时间的变化关系。在离散元模型中使用JKR粘聚力模型作为水泥颗粒的接触本构，基于自流平水泥流动性、收缩性与力学强度试验数据，通过BP神经网络机器学习的方法进行有限数据集的训练，建立水泥固化离散元数值模型表征水泥固化行为。基于fish语言逻辑设置不同工况数据调用文件生成多种状态文件，与半柔性路面现场无损化测试数据进行对应验证，改进仿真模型初始参数，获取半柔性路面固化成型后路面状态与数据，推演水泥固化时间以确定预计开放交通时间。

作为本发明的一种优选技术方案：所述步骤S6中，所述基于双尺度耦合模型的半柔性路面性能评价方法具体如下：通过X-ray CT扫描和图像处理技术获取半柔性路面材料的形貌构成，优化双尺度耦合模型参数。模型建立后在不同路面承载模式以及不同温度下，推演半柔性路面结构在重复荷载作用下的力学行为及变形行为，从而获得路面结构的高低温性能及疲劳性能。采用粘聚力模型定义沥青、水泥相以及沥青-集料界面和水泥-沥青的损伤，批量插入CZM内聚力模型单元表征损伤并模拟准静态破坏过程。实现半柔性路面施工评价以及服役期养护修复指导。

实施例2

如图1-3所示，本发明提出一种基于双尺度耦合的半柔性路面养护施工数值模拟方法，该方法以双尺度耦合模型为核心，通过半柔性路面三维结构重建、细观参数赋予与提取，可分析不同材料条件及工艺下的路面成型情况，并建立评价体系以指导施工与修养。具体包括以下步骤：

S1、基于三维探地雷达与FWD的原路面结构方案以及铣刨重铺段尺寸确定；

如图所示，首先，采用三维探地雷达探测并经3dr-Examiner分析处理，按照雷达厚度反演公式(1.1)得到原路面结构层厚度：上、中、下面层分别为4、6、8cm，水稳基层厚度25cm，级配碎石层厚度为15cm。并依据分析得出的内部损伤检测结果统计脱空体积、沉陷面积及裂缝率等；

其次，采用落锤式弯沉仪(FWD)获得路面在动态冲击荷载下的实时响应即实测弯沉盆，通过公式(1.2)建立弯沉与回弹模量之间的关系。

基于实测弯沉盆和理论弯沉盆之间的拟合度建立模量反演体系得到基于实测弯沉盆的路面结构层模量结果：①根据三维探地雷达路面内部探测结果对模量反演体系中的各结构层厚度、模量反演范围、泊松比等参数，获得不同参数下的路面结构组合，结合层状弹性体系力学模型进行理论弯沉盆的计算；②确定弯沉盆特征参数；③采用EXP指数函数模型对理论弯沉盆进行修正，计算理论弯沉盆的特征参数值并得到其与路面结构参数的关系；④再采用EXP指数函数模型对实测弯沉盆进行修正，计算实测弯沉盆的特征参数值，根据②、③步中的路面结构参数与弯沉盆特征参数之间的关系模型获得实测弯沉盆的路面结构参数；⑤将获得的路面结构参数代入层状体系模型中得到计算弯沉盆，将计算弯沉盆与实测弯沉盆进行比较，得到两者之间的误差；⑥按步骤③～⑤迭代，直到二者相对误差满足要求结束，此时获得的路面结构参数便是模量反演结果。

最后，通过反演模量值E控制铣刨设计准则，进而确定铣刨重铺尺寸：分别确定可满足直接加铺的最小路面顶面回弹模量E_s1、铣刨上面层前最小路面顶面回弹模量E_s2、铣刨上中面层前最小路面顶面回弹模量E_s3、铣刨某厚度前最小路面顶面回弹模量E_si。当E≥E_s1时，不需铣刨直接加铺；当E_s1＞E≥E_si时，铣刨至h_i厚度底后加铺；当E_s1＞E≥E_s2时，铣刨至上面层底后加铺。当E_s2＞E≥E_s3时，铣刨至中面层底加铺；E＜E_s3时，铣刨全部面层再加铺。最终确定铣刨厚度为h_铣。

S2、基于有限元与离散单元法的双尺度耦合模型构建；

首先针对原路面结构建立有限元模型，模型的尺寸采用S1中所得全路面结构的单侧车道模型进行构建分析。道路模型为三维立体结构，道路宽度设置为3m(X轴)，道路结构深度设置为3.8m(Y轴)，车辆行驶的方向定义为Z轴负向。铣刨重铺后采用离散元对半柔层进行模拟耦合在有限元模型中。初始双尺度耦合模型各结构由上往下分别预设为半柔层(SFP)、沥青层(AC)、水稳层(CSM)、级配碎石层(GM)、土基层(SG)；其中，设置初始半柔性路面结构中半柔层厚度为6cm，AC层厚度为12cm，水稳层厚度为36cm，级配碎石层厚度为15cm；各层模量均对应S1中所得模量。选择SFP半柔性材料的初始瞬态模量3500MPa，使用修正Burgers本构模型来表征其黏弹行为；AC层设置为摩尔-库伦应变软化本构模型，在面层弹性阶段设置本构关系为线弹性；集料设置为Hertz-Medlin本构模型；基层设置为线弹性本构模型；路基设置为摩尔-库伦本构模型。借助三维激光扫描设备，将扫描的网格利用软件命令导入，从而获取集料三维细观轮廓模拟出集料的形态和棱角。颗粒接触类型设置：集料之间设置线性接触模型；水泥石之间、水泥石与沥青砂浆之间、沥青砂浆与集料之间设置平行粘结模型；沥青砂浆之间设置Burgers模型。对于线性接触模型，将接触简化为两端位于颗粒球心的弹性梁来得到接触模型的细观参数与材料宏观参数的关系，通过式(2.1-2.2)法向刚度与切向刚度的数值，剪切模量G通过式(2.3)获取；对于集料与沥青砂浆间平行粘结模型，通过式(2.4-2.5)法向刚度与切向刚度的数值；对于Burgers模型，通过单轴蠕变试验与单轴贯入试验获得其模型参数。基于上述方法结合现有研究，本实例各模型所取参数如表1-4所示

表1线性接触模型参数

表2集料与沥青砂浆间平行粘结模型参数

表3沥青砂浆间Burgers模型动态参数

表4沥青砂浆间Burgers模型静态参数

S3、大空隙母体沥青混合料压实成型数值计算；

首先，基于变“K”法，以间断点把混合料分成主骨料与细料，主骨料和细料分别取不同的k值设计各自内部的各档粒径之间的比例，再根据体积设计方法确定粗细集料比，确定混合料的级配范围，其中一组代表性级配如表4所示，以空隙率与稳定度为研究指标提出级配正交设计方案。

表4大空隙基体沥青混合料级配

采用改进的主骨料填充法设计基体沥青混合料空隙率，得到矿粉与粗细集料用量，具体步骤如下：①选取性能良好的材料，测定矿料的表观密度和毛体积密度；②选定粗集料和细集料级配；③采用上述方法2测量主骨料空隙率，确定沥青用量和粉胶比，使用改进CAVF法计算矿粉、粗集料和细集料的用量；④使用肯塔堡飞散试验和谢伦堡沥青析漏试验确定沥青用量；⑤使用马歇尔试验对沥青混合料进行性能检测，满足要求则配合比设计结束；否则变换粗、细集料级配，重复步骤③及以后步骤。基于s2中构建的双尺度模型，将上述设计级配参数设置在路面结构的离散元部分中。混合料压实成型的碾压工艺分为三道工序：使用12吨钢轮压路机强振碾压1遍，使用12吨钢轮压路机静压1～2次，使用7吨钢制压路机静压收光。在有限元模型中模拟此碾压工序获取速度数据并耦合入双尺度模型中，建立混合料压实成型仿真模型，通过路面结构仿真软件获得母体沥青骨料压实过程的状态与压实结束后的尺寸及力学数据，评价工艺压实效果。最后，模拟现行规范沥青混合料马歇尔稳定度试验及劈裂强度试验方法进行母体沥青混合料稳定度与劈裂强度的测试，从而确定最佳沥青用量，并以空隙率与稳定度为基础指标评价各级配下母体沥青混合料物理、力学性能。

S4、自流平水泥浆填充仿真推演；

基于各因素性能影响程度正交试验，考虑灌浆料的干缩性、流动性、抗折强度、抗压强度及泌水性，确定水泥灌浆材料的最佳配比，并根据上述宏观力学试验获取平行粘结模型的相关参数如颗粒有效模量、平行粘结有效模量等如表5-6所示。通过母体沥青碎石空隙率VV及车辙板尺寸V计算出自流平水泥浆理论灌浆量与振动条件下实际灌入水泥浆量比较差异，为仿真与施工所需的水泥浆用量提供数据。采用同轴圆筒式旋转混凝土流变仪获得水泥浆的宾汉姆模型参数，用于离散单元法中模拟自流平水泥浆的流变学行为。生成1mm水泥石颗粒，基于施工“压入”、“路耙拖拉”、“振动”等流程进行双尺度模型水泥自流平填充模拟，确定在不同灌浆量和施工条件下自流平水泥填充效果，为后续水泥固化提供基础模型。

表5水泥石颗粒间平行粘结模型参数

表6水泥石与沥青砂浆间平行粘结模型参数

S5、水泥固化行为表征；

采用SEM研究不同养生龄期的自流平水泥灌浆材料的微观结构变化规律，建立模拟水泥固化流动状态的CFD模型，将水泥和沥青的流变参数作为材料属性参数输入到水泥固化多相流模型中进行模拟，在此基础上研究水泥固化的流动性能随时间的变化关系。在离散元模型中使用JKR粘聚力模型作为水泥颗粒的接触本构，基于自流平水泥流动性、收缩性与力学强度试验数据，通过BP神经网络机器学习的方法进行有限数据集的训练，建立水泥固化离散元数值模型表征水泥固化行为。基于fish语言逻辑设置不同工况数据调用文件生成多种状态文件，与半柔性路面现场无损化测试数据进行对应验证，改进仿真模型初始参数，获取半柔性路面固化成型后路面状态与数据，推演水泥固化时间以确定预计开放交通时间。

S6、基于双尺度耦合模型的半柔性路面性能评价；

通过X-ray CT扫描和图像处理技术获取半柔性路面材料的形貌构成，优化双尺度耦合模型参数。模型建立后在不同路面承载模式以及不同温度下，推演半柔性路面结构在重复荷载作用下的力学行为及变形行为，从而获得路面结构的高低温性能及疲劳性能。采用粘聚力模型定义沥青、水泥相以及沥青-集料界面和水泥-沥青的损伤，批量插入CZM内聚力模型单元表征损伤并模拟准静态破坏过程。实现半柔性路面施工评价以及服役期养护修复指导。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于双尺度耦合的半柔性路面养护施工数值模拟方法，其特征在于，所述半柔性路面养护施工数值模拟方法包括以下步骤：

S1、基于三维探地雷达与落锤式弯沉仪测得的原路面结构方案，确定铣刨重铺段尺寸；

S2、针对原路面结构建立有限元模型，铣刨重铺后采用离散元对半柔层进行模拟并耦合在有限元模型中，构建得到双尺度耦合模型；

S3、基于步骤s2中构建的双尺度耦合模型，将设计的级配参数设置在路面结构的离散元部分中，在有限元模型中模拟不同碾压工序获取速度数据并耦合入双尺度耦合模型中，建立混合料压实成型仿真模型，对大空隙母体沥青混合料压实成型进行仿真计算；

S4、基于施工流程和双尺度耦合模型，进行自流平水泥浆填充仿真推演，确定在不同灌浆量和施工条件下自流平水泥填充效果；

S5、建立水泥固化离散元数值模型表征水泥固化行为，获取半柔性路面固化成型后路面状态与数据，推演水泥固化时间以确定预计开放交通时间；

S6、获取半柔性路面材料的形貌构成，优化双尺度耦合模型参数，在不同路面承载模式以及不同温度下，推演半柔性路面结构在重复荷载作用下的力学行为及变形行为，获得路面结构的高低温性能及疲劳性能，基于双尺度耦合模型对半柔性路面进行评价与养护指导。

2.根据权利要求1所述的基于双尺度耦合的半柔性路面养护施工数值模拟方法，其特征在于，步骤S1中，所述基于三维探地雷达与落锤式弯沉仪测得的原路面结构方案，确定铣刨重铺段尺寸的过程包括以下步骤：

采用三维探地雷达探测并经3dr-Examiner分析处理，按照雷达厚度反演公式(1.1)得到原路面结构层厚度：上面层厚度h₁、中面层厚度h₂、下面层厚度h₃、基层厚度h₄、底基层厚度h₅，并依据分析得出的内部损伤检测结果统计脱空体积、沉陷面积及裂缝率：

式中，D为电磁波在路面各层结构中经过的距离，Δt为电磁波经过路面各层结构所用时间，h为两层不同介质界面之间的距离，即结构层的厚度，c为光在介质中的传播速度，θ为电磁波在路面结构下一层中与法线的折射角，ε为介电常数；采用落锤式弯沉仪获得路面在动态冲击荷载下的实时响应即实测弯沉盆，通过下述公式(1.2)建立弯沉与回弹模量之间的关系，基于实测弯沉盆和理论弯沉盆之间的拟合度建立模量反演体系得到基于实测弯沉盆的路面结构层模量结果E：

式中，p为落锤式弯沉仪承载板施加荷载，δ为标准轴载当量圆半径，l为旧路面的计算弯沉，m₁为用标准轴载的汽车在原路面上测得的弯沉值与用承载板在相同压强条件下所测得的回弹变形值之比，即轮板对比值；m₂为旧路面当量回弹模量扩大系数；

通过反演模量值E控制铣刨设计准则，确定铣刨重铺尺寸：分别确定满足直接加铺的最小路面顶面回弹模量E_s1、铣刨上面层前最小路面顶面回弹模量E_s2、铣刨上中面层前最小路面顶面回弹模量E_s3、铣刨某厚度前最小路面顶面回弹模量E_si；当E≥E_s1时，不需铣刨直接加铺；当E_s1＞E≥E_si时，铣刨至h_i厚度底后加铺；当E_s1＞E≥E_s2时，铣刨至上面层底后加铺；当E_s2＞E≥E_s3时，铣刨至中面层底加铺；E＜E_s3时，铣刨全部面层再加铺，确定铣刨厚度为h_铣。

3.根据权利要求1所述的基于双尺度耦合的半柔性路面养护施工数值模拟方法，其特征在于，步骤S2中，针对原路面结构建立有限元模型，铣刨重铺后采用离散元对半柔层进行模拟并耦合在有限元模型中，构建得到双尺度耦合模型的过程包括以下步骤：

针对原路面结构建立有限元模型，采用全路面结构的单侧车道模型进行构建分析有限元模型的尺寸；道路模型为三维立体结构，道路宽度B设置为X轴，道路结构深度H设置为Y轴，车辆行驶的方向定义为Z轴负向；

铣刨重铺后采用离散元对半柔层进行模拟耦合在有限元模型中，构建得到初始双尺度耦合模型，初始双尺度耦合模型各结构由上往下分别预设为半柔层、沥青层、水稳层、级配碎石层、土基层；其中，设置初始半柔性路面结构中半柔层厚度为h₀，AC层厚度为h₁+h₂+h₃-h_铣，水稳层厚度为h₄，级配碎石层厚度为h₅；各层模量均对应步骤S1中所得模量；

选择SFP半柔性材料的初始瞬态模量E₀，使用修正Burgers本构模型来表征其黏弹行为；AC层设置为摩尔-库伦应变软化本构模型，在面层弹性阶段设置本构关系为线弹性；集料设置为Hertz-Medlin本构模型；基层设置为线弹性本构模型；路基设置为摩尔-库伦本构模型；

借助三维激光扫描设备，将扫描的网格利用软件命令导入，获取集料三维细观轮廓模拟出集料的形态和棱角；颗粒接触类型设置包括：集料之间设置线性接触模型；水泥石之间、水泥石与沥青砂浆之间、沥青砂浆与集料之间设置平行粘结模型；沥青砂浆之间设置Burgers模型；对于线性接触模型，将接触简化为两端位于颗粒球心的弹性梁来得到接触模型的细观参数与材料宏观参数的关系，等效梁长为L、横截面积为A、惯性矩为I；通过式(2.1)和式(2.2)法向刚度与切向刚度的数值，剪切模量G通过式(2.3)获取；对于集料与沥青砂浆间平行粘结模型，通过式(2.4)和式(2.5)的法向刚度与切向刚度的数值；对于Burgers模型，通过单轴蠕变试验与单轴贯入试验获得其模型参数：

其中：kⁿ¹、k^s1分别为线性接触模型的法向刚度、切向刚度，E₀为集料弹性模量；v为泊松比；kⁿ²、k^s2分别为平行粘结模型的法向刚度、切向刚度，为平行粘结模型的弹性模量，/>为平行粘结模型等效接触宽度的1/2。

4.根据权利要求1所述的基于双尺度耦合的半柔性路面养护施工数值模拟方法，其特征在于，步骤S3中，对大空隙母体沥青混合料压实成型进行仿真计算的过程包括以下步骤：

基于变K法，以间断点把混合料分成主骨料与细料，主骨料和细料分别取不同的k值设计各自内部的各档粒径之间的比例，再根据体积设计方法确定粗细集料比，确定混合料的级配范围，以空隙率与稳定度为研究指标提出级配正交设计方案；采用改进的主骨料填充法设计合理的基体沥青混合料空隙率，得到矿粉与粗细集料用量；

基于步骤s2中构建的双尺度耦合模型，将设计级配参数设置在路面结构的离散元部分中，在有限元模型中模拟不同碾压工序获取速度数据并耦合入双尺度耦合模型中，建立混合料压实成型仿真模型，通过路面结构仿真软件获得母体沥青骨料压实过程的状态与压实结束后的尺寸及力学数据，评价不同工艺压实效果；

模拟现行规范沥青混合料马歇尔稳定度试验及劈裂强度试验方法进行母体沥青混合料稳定度与劈裂强度的测试，确定最佳沥青用量，并以空隙率与稳定度为基础指标评价各级配下母体沥青混合料物理、力学性能。

5.根据权利要求1所述的基于双尺度耦合的半柔性路面养护施工数值模拟方法，其特征在于，步骤S4中，基于施工流程和双尺度耦合模型，进行自流平水泥浆填充仿真推演的过程包括以下步骤：

基于各因素性能影响程度正交试验，考虑灌浆料的干缩性、流动性、抗折强度、抗压强度及泌水性，确定水泥灌浆材料的最佳配比，并根据宏观力学试验获取平行粘结模型的相关参数：颗粒有效模量、平行粘结有效模量；

通过母体沥青碎石空隙率VV及车辙板尺寸V计算出自流平水泥浆理论灌浆量与振动条件下实际灌入水泥浆量比较差异，为仿真与施工所需的水泥浆用量提供数据；

采用同轴圆筒式旋转混凝土流变仪获得水泥浆的宾汉姆模型参数，用于离散单元法中模拟自流平水泥浆的流变学行为；

生成水泥石颗粒，基于施工流程进行双尺度模型水泥自流平填充模拟，确定在不同灌浆量和施工条件下自流平水泥填充效果。

6.根据权利要求1所述的基于双尺度耦合的半柔性路面养护施工数值模拟方法，其特征在于，步骤S5中，建立水泥固化离散元数值模型表征水泥固化行为，获取半柔性路面固化成型后路面状态与数据，推演水泥固化时间以确定预计开放交通时间的过程包括以下步骤：

采用SEM研究不同养生龄期的自流平水泥灌浆材料的微观结构变化规律，建立模拟水泥固化流动状态的CFD模型，将水泥和沥青的流变参数作为材料属性参数输入到水泥固化多相流模型中进行模拟，在此基础上研究水泥固化的流动性能随时间的变化关系；

在离散元模型中使用JKR粘聚力模型作为水泥颗粒的接触本构，基于自流平水泥流动性、收缩性与力学强度试验数据，通过BP神经网络机器学习的方法进行有限数据集的训练，建立水泥固化离散元数值模型表征水泥固化行为；

基于fish语言逻辑设置不同工况数据调用文件生成多种状态文件，与半柔性路面现场无损化测试数据进行对应验证，改进仿真模型初始参数，获取半柔性路面固化成型后路面状态与数据，推演水泥固化时间以确定预计开放交通时间。

7.根据权利要求1所述的基于双尺度耦合的半柔性路面养护施工数值模拟方法，其特征在于，步骤S6中，基于双尺度耦合模型对半柔性路面进行评价与养护指导的过程包括以下步骤：

通过X-ray CT扫描和图像处理技术获取半柔性路面材料的形貌构成，优化双尺度耦合模型参数；

在不同路面承载模式以及不同温度下，推演半柔性路面结构在重复荷载作用下的力学行为及变形行为，获得路面结构的高低温性能及疲劳性能；

采用粘聚力模型定义沥青、水泥相以及沥青-集料界面和水泥-沥青的损伤，批量插入CZM内聚力模型单元表征损伤并模拟准静态破坏过程，对半柔性路面施工进行评价并提出服役期养护修复指导。