沥青混合料路面永久变形预测方法技术

为了更好地模拟路面结构实际受力状态，更加准确地预估沥青混合料路面的永久变形，本发明专利技术提出一种沥青混合料路面永久变形预测方法。本发明专利技术沥青混合料路面永久变形预测方法，将沥青路面温度划分为m个区间，将沥青混合料路面结构划分为n个亚层，分别计算不同温度区间和荷载条件下各亚层的平均偏应力和蠕变柔量，采用公式计算沥青混合料路面的永久变形。本发明专利技术沥青混合料路面永久变形预测方法的有益技术效果是能对路面温度、交通轴载和路面材料特性的耦合作用进行全面分析，分析结果更加贴合实际，准确性较高，适用面广。

【技术实现步骤摘要】
专利
本专利技术涉及到道路工程建设
，特别涉及到一种沥青混合料路面永久变形预测方法。
技术介绍
路面结构在重复荷载作用下产生过量的永久变形，会使道路表面出现影响舒适性和行车安全性的不平整，甚至导致路面出现开裂。因此，限制路面结构的永久变形量是路面结构设计中必须考虑的一项基本要求。根据建立模型时依据的不同，国内外用来预估沥青混合料路面永久变形的基本方法可分为经验法、经验-理论法和理论分析法三大类。(1)经验法通常的经验法根据统计学理论，以试验路段的大量观测资料为基础，结合室内试验建立沥青混合料层的永久应变与荷载、材料特性关系的预估经验公式来确定沥青混合料路面在荷载长期反复作用下产生的变形，又称统计法。具有代表性的模型为20世纪80年代A.Wijerathe等人所建立的经验公式：lgεp＝c0+c1lgN  式(1)其中，εp为沥青混合料的永久竖向应变；N为轴载反复作用次数；c0，c1为材料性能和受力状态的参数。经验法是从试验路测定数据通过回归分析而得，比较符合该路的实际情况，具有针对性强，特定条件下预估精度高的特点；但没有考虑路面结构的整体效应，且预估变形的公式外延性差，通用性较差，仅适用于特定区域、特定条件下对沥青混合料路面永久变形的预估。故用于推广评价沥青混合料路面的永久变形受到一定的限制。(2)半经验-半理论法与经验法相比，半经验-半理论法在一定程度上减小了使用范围上的局限性，在通用性方面有了改善。一般先采用弹性层状体系理论或粘弹性层状体系理论求解路面的应力与位移，再结合室内外的有关试验，统计出沥青层的永久变形与路表弯沉、材料性能参数及荷载之间的经验关系式。这种方法具有代表性的模型为Jacob Uzan提出的预估模型：RD=a1ω(1+a2)N1+a2δ]]>  式(2)其中，RD为沥青层永久变形，mm；ω为路面弯沉系数(无量纲)；δ为在双轮动态荷载下的路面弯沉；N为重复加载次数；a1、a2为路面结构和尺寸参数。在半经验-半理论法中还有一些值得关注的方面。首先，沥青混合料本构模型的发展对研究模型的塑性变形非常重要。这一方面的研究在亚利桑那州立大学，Purdue大学，UC Berkeley等处都有进行。其次，材料在环境变化时的反应也会被考虑。第三，通过弹性或粘弹性模型将塑性应变与其他类型的应变或应力结合考虑。(3)理论分析法理论分析法是以层状弹性体系理论或粘弹性体系理论为基础，计算路面体系内的应力，并利用路面沥青混合料永久应变和应力关系来计算路面永久应变。①层应变法层应变法是由Barksdale和Romain首次提出的。这种方法的原理是把路面的每层划分成更小的亚层，计算各亚层是以弹性层状体系理论为基础的，然后通过与室内试验的联系，估计路面各层的永久变形。根据弹性层状体系预估沥青层永久变形，在国际上最具影响力的是Shell法。该法是在大量蠕变试验、轮迹试验和一系列假设的基础上建立起来的。模型假设蠕变试验中得到的沥青混合料劲度与沥青劲度的关系等同于混合料粘滞部分劲度与沥青粘滞部分劲度的关系，继而利用混合料的劲度来代替反映沥青永久变形的沥青混合料粘滞部分劲度。该模型存在如下缺陷：无法说明使用改性沥青对减少新建路面车辙的效果；无法解释轴载不同、构型不同而接触压力相同情况下，路面产生车辙不同的现象；仅对弹性响应精确，将劲度参数作为弹性参数，未考虑混合料的粘性和塑性响应；动态影像修正因子的引入使预测永久变形增大30％～100％。层应变法的优点是：理论简化，基本能满足工程精度的要求。其缺点是：1)只考虑了轮胎中心下区域的应力应变，没考虑轮迹边缘的剪切变形；2)永久变形仅依赖于路面的弹性应力；3)使用线性或非线性的弹性理论和引起永久变形的一些实际行为不相符合(例如轮迹边缘的剪切流动)。②粘弹性理论法美国联邦公路局和麻省理工学院提出的路面结构设计粘弹性系统VESYS中，建立了以粘弹性理论为基础的永久变形预估模型。在该模型中认为路面材料的永久变形时应力、加载时间、温度、含水量的函数。假定：1)在荷载反复作用次数m与m+1之间，路面材料的粘弹性变形有足够的恢复时间；2)每次荷载作用下各层的弯沉不变。③有限元法有限元法能很好地模拟具有非线性特性的路面变形。目前，很多研究者采用有限元程序包括ABAQUS、ANSYS等来建立永久变形的预估模型。例如美国普渡大学的Huang，H.M等人采用蠕变模型进行车辙的有限元分析；JianFeng Hua利用粘弹性有限元法进行车辙预估并于APT(Accelerated Pavement Testing)和PURWhell试验结果进行对比，证明了有限元法预估车辙的有效性；Zhong Wu利用有限元法模拟沥青混合料路面铺装材料的特性，尤其是模拟Superpave的车辙变形，证明粘弹性有限元法在路面结构分析和设计中广泛应用的可行性。随着计算机计算容量和计算时间的大大提高，使用这种方法更合理，更经济，且使用有限元法可模拟荷载作用下路面整个变形区域，是沥青混合料路面永久变形预估的一个发展方向。
技术实现思路
为了更好地模拟路面结构实际受力状态，更加准确地预估沥青混合料路面的永久变形，本专利技术提出一种沥青混合料路面永久变形预测方法。本专利技术沥青混合料路面永久变形预测方法，将沥青路面温度划分为m个区间，将沥青混合料路面结构划分为n个亚层，分别计算不同温度区间和荷载条件下各亚层的平均偏应力和蠕变柔量，采用下式(1)计算沥青混合料路面的永久变形。Δh=Σj=1m[Σi=1n(σ0)i(Jvp)ihi]---(1)]]>式中：Δh为沥青混合料路面永久变形，单位为mm；m为路面温度区间数；n为沥青混合料路面结构亚层数；hi为沥青混合料路面第i亚层厚度，单位为mm；(σ0)i为沥青混合料路面第i亚层平均偏应力，单位为MPa，(σ0)i＝(σ1-σ3)i，其值可通过动荷载作用下沥青混合料路面结构有限元分析计算得到的各单元大、小主应力相减而得；(Jvp)i为沥青混合料路面第i亚层的蠕变柔量，Jvp＝f(T,N,σ0)，其值通过重复加载修正的Burgers模型，并结合室内三轴重复荷载蠕变试验数据插值与拟合而求得；m、n均为大于1的自然数。进一步的，本专利技术沥青混合料路面永久变形预测方法，沥青混合料路面第i亚层的蠕变柔量(Jvp)i的关系式Jvp＝f(T,N,σ0)，采用以下步骤求得：S71、取η(t)＝AeBt对Burgers模本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种沥青混合料路面永久变形预测方法，其特征在于，将沥青路面温度划分为m个区间，将沥青混合料路面结构划分为n个亚层，分别计算不同温度区间和荷载条件下各亚层的平均偏应力和蠕变柔量，采用下式(1)计算沥青混合料路面的永久变形。式中：Δh为沥青混合料路面永久变形，单位为mm；m为路面温度区间数；n为沥青混合料路面结构亚层数；hi为沥青混合料路面第i亚层厚度，单位为mm；(σ0)i为沥青混合料路面第i亚层平均偏应力，单位为MPa，(σ0)i＝(σ1‑σ3)i，其值可通过动荷载作用下沥青混合料路面结构有限元分析计算得到的各单元大、小主应力相减而得；(Jvp)i为沥青混合料路面第i亚层的蠕变柔量，Jvp＝f(T,N,σ0)，其值通过重复加载修正的Burgers模型，并结合室内三轴重复荷载蠕变试验数据插值与拟合而求得；m、n均为大于1的自然数。

【技术特征摘要】
1.一种沥青混合料路面永久变形预测方法，其特征在于，将沥青路面温度划分为m个区间，将沥青混合料路面结构划分为n个亚层，分别计算不同温度区间和荷载条件下各亚层的平均偏应力和蠕变柔量，采用下式(1)计算沥青混合料路面的永久变形。
式中：Δh为沥青混合料路面永久变形，单位为mm；m为路面温度区间数；n为沥青混合料路面结构亚层数；hi为沥青混合料路面第i亚层厚度，单位为mm；(σ0)i为沥青混合料路面第i亚层平均偏应力，单位为MPa，(σ0)i＝(σ1-σ3)i，其值可通过动荷载作用下沥青混合料路面结构有限元分析计算得到的各单元大、小主应力相减而得；(Jvp)i为沥青混合料路面第i亚层的蠕变柔量，Jvp＝f(T,N,σ0)，其值通过重复加载修正的Burgers模型，并结合室内三轴重复荷载蠕变试验数据插值与拟合而求得；m、n均为大于1的自然数。
2.根据权利要求1所述沥青混合料路面永久变形预测方法，其特征在于，沥青混合料路面第i亚层的蠕变柔量(Jvp)i的关系式Jvp＝f(T,N,σ0)，采用以下步骤求得：
S71、取η(t)＝AeBt对Burgers模型的本构方程中的第一粘性元件η进行非线性修正；
所述Burgers模型的本构方程为下式(2)：
修正后的Burgers模型方程为下式(3)：
如在t＝t0时刻卸载，则，
S72、采用半正弦波间歇荷载模拟车轮对沥青混合料路面的加载卸载过程，半正弦波间歇荷载可以表达为分段函数，即
N次荷载作用后的粘性流动变形应变为：
S73、对Burgers模型中粘弹性单元的蠕变柔量进行修正，即将Burgers模型中粘弹性单元的蠕变柔量采用下式(7)表述：
根据Boltzmann线性叠加原理，第i个半正弦波间歇荷载产生的粘弹性变形到第N个半正弦波间隙荷载作用时刻结束，残余的粘弹性变形为：
N次荷载作用后，残余的粘弹性变形为：
令则在第N个半正弦波间歇作用结束时刻，永久变形为：
在第N个半正弦波间歇作用结束时刻，蠕变柔量为：
S74、对沥青混合料路面材料结合不同温度区间、不同轴载，采用半正矢波荷载模拟加载卸载过程进行三轴重复荷载蠕变试验，即将半正矢波荷载应力等效转换为等效静载偏应力，即乘2/π倍，将三个偏应力300kpa、500kpa、700kpa，分别等效为191.1kpa、318.5kpa、445.8kpa；加载时间t0＝0.2s，间歇时间为td＝0.8s，总周期T＝1s，σ0对应试验中轴向偏应力，则可得描述三轴重复荷载蠕变试验的永久变形的粘弹性力学模型：
其中：
P2＝B；S75、采用1stopt软件编写迭代过程相关程序，对试验数据与式(12)进行拟合，得到沥青混合料力学模型各亚层的插值拟合参数；
S76、将步骤S75拟合求得的插值拟合参数带入式(11)即可得到第i亚层蠕变柔量(Jvp)i的关系式Jvp＝f(T,N,σ0)；
上述各式中，σ0为轴向偏应力，单位为MPa；t为荷载作用时间，0<t≤t0，单位为s；E、E1为模量，单位为MPa；η、η1为粘弹性参数，单位为MPa.s；A、B为粘壶参数；T为荷载作用总周期，T＝t0+td；σt为t时刻的轴向偏应力，σ为轴向偏应力波峰最大应力值，t0...

【专利技术属性】
技术研发人员：曹源文，梁乃兴，秦旻，黎晓，赵毅，曾晟，贾晓东，
申请(专利权)人：重庆交通大学，
类型：发明
国别省市：重庆;85