CN110472337A - 不同层间结合状态下沥青路面结构受力分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种不同层间结合状态下沥青路面结构受力分析的方法，属于沥青路面技术领域。解决目前对于不同层间结合状态的路面结构建模不准确、结果有误差的问题。本发明采用离散元软件生成各层具有确定级配的沥青路面结构初始模型；然后，设置相应的边界条件、路面结构层内材料的物理参数、单元颗粒间的接触模型，建立离散元力学分析模型；最后，利用伺服机制模拟车辆荷载对不同结合状态下的沥青路面加载，监测路面各结构层间荷载位置处的拉应力、剪应力、拉应变、路表弯沉值数据，绘制受力数据对比图，分析不同层间结合状态下沥青路面结构受力情况。本发明提供的方法直观简便，计算数据精准，适用于对不同层间状态下的各种沥青路面模拟。

Description

不同层间结合状态下沥青路面结构受力分析方法

技术领域

本发明是不同层间结合状态下沥青路面结构受力分析方法，属于沥青路面技术领域。

背景技术

近年来，我国的公路运输建设飞速发展，由于沥青公路具有平整度高、施工期短、维护方便等特点成为主要的路面建造类型。我国沥青路面设计采用的是弹性层状设计理论，沥青路面一般由面层、基层、底基层和路基组成，不同层间根据功能不同采用的材料组成有所不同。基于沥青材料具有远高于水泥混凝土路面的性能，面层材料主要由沥青混合料按照不同配合比拌制而成，一般分为上、中、下三层。又由于半刚性水泥混凝土基层具有承载力高、造价便宜、抗变形能力强的特点，基层与底基层主要采用的是水泥混凝土材料。不同层间相结合采用的黏结剂是不同的，在沥青面层间一般使用粘层油，在沥青面层和半刚性基层间一般采用透层油。在设计中假定认为不同层间的黏结程度是理想的，整个路面结构被视为连续的层状结构。但是大量的工程实践表明，面层与基层之间的层间结合并不是设计中理想的状态，即使面层内部之间的层间黏结也不是绝对的契合。由于层间黏结不良问题导致的沥青路面出现开裂、层间推移、车辙等病害问题屡见不鲜。数据表明，在层间结合不良的路面会使得沥青路面的寿命降低80％左右，层间结合已经成为沥青路面安全运营的一大隐患。

当前的研究表明，即使不考虑施工问题造成的层间结合状况不良，就材料本身而言，目前的层间黏结材料也不能保证不同层间良好结合。一是面层和基层材料分别是有机材料和无机材料，两者的黏结先天存在困难，二是环境因素作用下可能出现的材料破损，如长时间的疲劳破坏、水分侵入结构层等。所以，除了在材料方面进行新的探索，研究人员还致力于对不同层间结合状态下的层间力学进行分析，以便从理论上寻找方法解决问题或者是减缓这一问题对路面结构的影响。

对于沥青路面的层间结合状态，当前的研究主要将沥青路面分为完全连续、半连续、完全光滑三种状态。对于三种状态的表述，通过定义各层间的摩擦系数或者黏结系数或者滑移系数这类的层间接触系数来表征。对于分析不同层间结合状态下的沥青路面力学响应，通过层间剪应力、荷载中心处层底最大拉应力、路表弯沉、层底拉应变等数据来分析。

国内外对路面层间结合状况对路面受力的影响已有很多研究，当前对于不同层间结合状态下沥青路面结构受力分析的研究主要使用以下两种方法：

第一种是利用力学模型描述多层的沥青路面结构结合状态，进而计算和分析不同结合状态下的路面受力情况。采用此种理论方法不能考虑到沥青路面是一种非连续的复杂结构，对当前多种多样的路面结构也缺少对应特点的分析，所以理论方法研究是很困难的，难以做到精确分析。

第二种是有限元数值模拟分析法，这也是当前使用最为广泛的一种方法。通过有限元软件建立连续的沥青路面结构层状模型，赋予层间不同的黏结系数或者不同的摩擦系数来模拟层间结合状态，并据此研究路面结构的受力特征的变化。这种将复杂问题简化为有限匀质单元解析的方法是一种很快捷的方法，但是同样缺少对路面结构正确的表述，路面结构层间的结合变化也不是单纯的一个系数可以表示的，结构层间存在局部损坏的可能。所以有限元模拟的结果也是不够准确的，局限性很大。

离散元颗粒流方法是一种擅于模拟颗粒类材料特征的数值模拟方法，区别于有限元方法简化材料为连续匀质的做法，可以用颗粒单元模拟各种形状的颗粒材料，并且通过接触模型来定义各材料间的接触特性，可以实现最大程度上对路面复杂结构的模拟。离散元方法除了可以满足接触上的模拟，还可以监测荷载作用下模型中任意界面的微观力学变化，方便我们精确地对路面结构进行受力分析。

沥青路面是一种复杂的层状结构，面层与面层、面层与基层间的结合状态对路面的服役寿命有很大影响，层间结合不良带来的诸多病害问题使得路面受力异常，层间结构损害，行车安全也受到威胁。已有的对于不同层间结合状态下的沥青路面受力分析主要采用的是有限元分析法，采用有限元软件模拟也存在其固有缺陷，由于有限元分析是基于连续介质力学原理建立沥青路面结构模型的，无法表征出沥青路面多孔介质的材料特性，也不能改变集料接触的几何特性，其建模单元单一，且忽视接触热阻的存在，这些问题使得采用有限元方法得到的计算结果缺乏说服力。因此分析的结果也是不准确的。

针对目前的现状，本发明申请采用离散元方法，通过建立沥青路面结构层的离散元模型，设定颗粒特性和接触模型，通过改变层间结合的接触系数，来模拟不同的层间结合状态，再施加外部荷载，监测在荷载作用下沥青路面结构层力学响应，记录荷载作用位置处各层底的力学数据，分析不同层间结合状态下的沥青路面结构受力情况。由于离散元软件对各种颗粒材料模拟良好的适应性，可以对各种类型沥青路面进行模拟计算，有很大的推广价值。

发明内容

(1)技术问题

本发明目的是提出一种不同层间结合状态下沥青路面结构受力分析方法，该方法通过建立离散元模型，模拟不同的层间结合状态的沥青路面模型，分析在同一荷载作用下，不同层间结合状态下的沥青路面的受力影响，解决目前有限元建模无法表征沥青路面多孔非连续结构特征、不能改变集料接触几何特性、忽视接触热阻等问题。

(2)技术方案

为了解决目前有限元建模无法表征沥青路面多孔非连续结构特征、不能改变集料接触几何特性、忽视接触热阻等问题，本发明提供一种不同层间结合状态下沥青路面结构受力分析方法。首先，如图1，采用离散元数值模拟软件构建沥青路面的二维离散元初始模型，按照既定的级配设定路面各层沥青、集料的配合比；其次，查询材料资料，设定各组成材料物理参数，设置沥青胶浆和集料间的接触模型；最后，利用伺服机制在模型的上表面施加车辆荷载，通过改变不同结构层间的摩阻系数，来表征不同的层间结合状态，分别作用同一荷载，监测加载过程中沥青路面结构层内的受力数据，记录各层底拉应力、剪应力、弯沉值、拉应变等数据，分析不同层间结合状态下沥青路面的受力影响状况。

(3)有益效果

目前沥青路面在我国已经得到广泛的使用，沥青路面出现的病害问题，除了与施工水平、设计因素有关外，沥青路面层间结合状态的变化也会给路面安全使用带来隐患。有数据表明，路面层间结合不良会使得沥青路面的使用寿命缩短80％。在这种情况下，对不同层间结合状态下沥青路面层间的受力情况研究势在必行，从而对路面损害的作用机理有更深刻的认识。

同以往的研究方法相对比，本发明采用的离散元方法具有更准确的模拟效果，能够更好地监测微观层面上沥青路面层间的受力数据。并且，对于其他类型的路面结构，本发明都可以较好的模拟，可以深入解决不同组成结构的沥青路面在不同层间状态下的力学响应，因而有很大的推广价值。

附图说明

图1沥青路面结构示意图

1-集料 2-沥青胶浆 3-车辆荷载4-上面层 5-中面层 6-下面层

具体实施方式

本发明提出一种不同层间结合状态下沥青路面结构受力分析方法，具体实施步骤如下：

(1)采用二维离散元软件构建各层具有确定级配的沥青路面结构模型，用块体命令将颗粒单元组成不规则形状表示集料，剩余的圆形颗粒单元视为沥青胶浆，定义颗粒集合而成的块体不会破裂，设置重力约束各组成材料的圆形颗粒紧密排列；

(2)在离散元力学分析模块中设置路面结构各层材料的物理参数，选定粘弹性接触模型和平行黏结模型表征沥青砂浆内部以及沥青砂浆和集料之间的接触，并按组分别设定沥青路面各层间的摩阻系数，建立沥青路面结构的离散元力学分析模型；

(3)利用离散元软件的伺服机制模拟车辆荷载对路面结构的力学作用，在模型表面施加作用时间和频率相同的车辆荷载，改变层间摩阻系数，对不同层间结合状态下的沥青路面分别进行数值模拟计算；

(4)监测记录不同层间摩阻系数下车辆荷载作用下的层间剪应力、拉应力、拉应变和路表弯沉值，绘制数据对比图，分析不同层间结合状态下对沥青路面结构受力的影响。

Claims (1)

1.一种不同层间结合状态下沥青路面结构受力分析方法，其特征在于该方法的具体步骤如下：

(1)采用二维离散元软件构建各层具有确定级配的沥青路面结构初始模型，用块体命令将颗粒单元组成不规则形状表示集料，剩余的圆形颗粒单元视为沥青胶浆，定义颗粒集合而成的块体不会破裂，设置重力约束各组成材料的圆形颗粒紧密排列；

(2)在离散元力学分析模块中设置路面结构各层材料的物理参数，选定粘弹性接触模型和平行黏结模型表征沥青砂浆内部以及沥青砂浆和集料之间的接触，并按组分别设定沥青路面各层间的摩阻系数，建立沥青路面结构的离散元力学分析模型；

(3)利用离散元软件的伺服机制模拟车辆荷载对路面结构的力学作用，在模型表面施加作用时间和频率相同的车辆荷载，改变层间摩阻系数，对不同层间结合状态下的沥青路面分别进行数值模拟计算；

(4)监测记录不同层间摩阻系数下车辆荷载作用下的层间剪应力、拉应力、拉应变和路表弯沉值，绘制数据对比图，分析不同层间结合状态下对沥青路面结构受力的影响。