一种基于能量原理的沥青路面横向裂缝系数的仿真预测方法

摘要

本发明提供一种基于能量原理的沥青路面横向裂缝系数的仿真预测方法，属于路面断裂预测技术领域，包括如下步骤：S1、将沥青路面进行降温；S2、收集S1中降温的沥青路面材料参数；S3、建立沥青路面模型；S4、预测开裂间距。本发明根据不同地区的沥青路面结构设计，以低温开裂指数CI为依据，建立相应的有限元模型，简单直观地确定路面开裂间距，实现横向裂缝的仿真预测，简化路面开裂间距计算，为预测路面低温开裂提供一种新思路。

说明书

技术领域

本发明涉及路面断裂预测技术领域，具体涉及一种基于能量原理的沥青路面横向裂缝系数的仿真预测方法。

背景技术

沥青路面在施工的过程中，为了防止沥青路面的开裂，则在施工的过程中，会对沥青路面仿真预测分析，以解决沥青路面的开裂问题，现有的沥青路面仿真预测方法存在以下问题：(1)经验预估模型的适用性差；目前，沥青路面的开裂间距预估模型大多采用Haas机场道面预估模型和Fromm和Phang预估模型以及修正后的预估模型，考虑试验设备的更替和试验方法的改进，试样的选取缺少对道路服役情况的考虑，经验预估模型所需参数准确性较差，缺少对于改性材料适用性考虑，预测路面的开裂间距与实际不符。(2)开裂间距的计算复杂化；目前，沥青路面的开裂间距计算大都基于经验公式进行推导，通过获取不同的路面材料参数进行计算，不同地区路面材料的参数不同，导致经验公式的修正过程繁琐，计算结果不够直观。

因此，需要提供一种基于能量原理的沥青路面横向裂缝系数的仿真预测方法，以解决上述现有存在的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种基于能量原理的沥青路面横向裂缝系数的仿真预测方法，以解决背景技术中存在的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供一种基于能量原理的沥青路面横向裂缝系数的仿真预测方法，包括如下步骤：

S1、对沥青路面进行降温：将沥青路面结构视为整体结构，采用整体降温的方式利用有限元软件模拟沥青路面的降温；

S2、收集S1中降温的沥青路面材料参数；

S3、建立沥青路面模型：通过S2中的数据建立沥青路面模型；

S4、预测开裂间距：将S3中沥青路面模型预测开裂间距，基于断裂力学理论提出断裂能即沥青混合料发生破坏时所需要的能量，以断裂能为指标综合分析低温下沥青混合料的应力与变形情况。

进一步的，S1中，不同的低温开裂指数CI对应的开裂间距L及开裂间距L的关系式如式1-1：

L＝100(CI+1)

式中，L—开裂间距(m)；

CI—低温开裂指数。

进一步的，S2中，沥青路面材料参数包括低温收缩系数和材料的力学参数，所述低温收缩系数的计算公式如式1-2：

式中，β

ε—ΔT内的应变差；

ΔT—温度变化差；

β

进一步的，所述材料的力学参数中，对沥青路面力学计算采用弹性层状体系理论模型，如式1-3：

E＝5308.1-411.4T(式1-3)；

式中，E—杨氏模量；

T—温度。

进一步的，S3中，沥青路面模型包括层间摩阻系数、沥青面层厚度和沥青路面模型的建立所需的设定条件。

进一步的，S3中的沥青路面模型中，有限元软件模拟沥青路面结构的层间接触状态时，所述层间摩阻系数取值在0.1～1之间。

进一步的，S3中的沥青路面模型中，沥青路面模型的建立所需的设定条件包括：

(1)各结构层是完全弹性的线变形体，应力、应变之间是直线关系，符合胡克定律；

(2)各结构层内部连续，即不考虑物质的分子结构，忽略结构物质的空隙；

(3)材料均质，各向同性；

(4)结构物在受车轮荷载作用以前，初应力为零，不考虑路面自重对应力的影响；

(5)在结构物表面作用有限尺寸的荷载，荷载作用范围以外没有其他荷载作用；

(6)接触条件，假设路面各层之间、路面与路基之间是完全连续的。

进一步的，S4中，低温下沥青混合料的应力与变形情况的积分公式见式1-4，断裂能更加准确评价沥青混合料的性能：

式中，G

ε

本发明的上述技术方案至少包括以下有益效果：

1、提出一种基于能量原理的沥青路面横向裂缝系数的仿真预测方法，扩大沥青路面模型的适用范围，为减少道路低温开裂提供基础；通过有限元软件模拟沥青路面结构降温过程，获取不同路面结构在不同温度下的应力应变，采用能量原理准确分析路面的开裂情况，继而准确判断不同沥青路面在不同温度下的开裂间距；

2、提高沥青路面结构模型的准确性，模拟不同路面结构的低温开裂，简化路面开裂间距的计算；通过仿真的方法预测路面开裂，简化计算过程，以低温开裂指数CI为计算依据，简单直观表述沥青路面的开裂间距；

3、基于能量原理考虑沥青路面的开裂间距，更加准确判断不同温度区间的开裂间距；通过模拟低温状态下的沥青路面，获取沥青路面最不利位置的应力应变关系，通过断裂力学的分析，预测沥青路面的开裂间距。

附图说明

图1为本发明低温下沥青混合料的应力应变关系图；

图2为本发明实施例中沥青路面结构图；

图3为本发明实施例中有限元模型的网格划分结构示意图；

图4为本发明实施例中有限元模型路面结构示意；

图5为本发明判断路面开裂依据示意图；

图6为本发明沥青路面开裂示意图。

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1-6，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。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1-6所示：一种基于能量原理的沥青路面横向裂缝系数的仿真预测方法，包括如下步骤：

S1、将沥青路面进行降温；

将沥青路面结构视为整体结构，采用整体降温的方式利用有限元软件模拟沥青路面的降温，不同的低温开裂指数CI对应的开裂间距L及开裂间距L的关系式如式1-1：

L＝100(CI+1)

式中，L—开裂间距(m)；

CI—低温开裂指数。

S2、收集S1中降温的沥青路面材料参数；

沥青路面材料参数包括低温收缩系数和材料的力学参数，低温收缩系数的计算公式如式1-2：

式中，β

ε—ΔT内的应变差；

ΔT—温度变化差；

β

材料的力学参数中，对沥青路面力学计算采用弹性层状体系理论模型：

E＝5308.1-411.4T(式1-3)；

式中，E—杨氏模量；

T—温度。

S3、建立沥青路面模型：通过S2中的数据建立沥青路面模型；

S3中，沥青路面模型包括层间摩阻系数、沥青面层厚度和沥青路面模型的建立所需的设定条件。有限元软件模拟沥青路面结构的层间接触状态时，层间摩阻系数大多取值在0.1～1之间。沥青路面模型的建立所需的设定条件包括：(1)各结构层是完全弹性的线变形体，应力、应变之间是直线关系，符合胡克定律；(2)各结构层内部连续，即不考虑物质的分子结构，忽略结构物质的空隙；(3)材料均质，各向同性；(4)结构物在受车轮荷载作用以前，初应力为零，不考虑路面自重对应力的影响；(5)在结构物表面作用有限尺寸的荷载，荷载作用范围以外没有其他荷载作用；(6)接触条件，假设路面各层之间、路面与路基之间是完全连续的。

S4、预测开裂间距：将S3中沥青路面模型预测开裂间距，基于断裂力学理论提出断裂能即沥青混合料发生破坏时所需要的能量，以断裂能为指标综合分析低温下沥青混合料的应力与变形情况。

如图1所示，低温下沥青混合料的应力与变形情况的积分公式见式1-4，断裂能更加准确评价沥青混合料的性能：

式中，G

ε

本发明是以不同的低温开裂指数CI作为预测沥青路面开裂间距的依据，根据不同的CI指数确定不同的开裂间距L见式1-1，路面开裂的位置均处于跨中位置，即路面由2L开裂为两段L的路面，L的路面继续开裂为两段1/2L的路面，因此需要得到2L和L的开裂温度，通过有限元软件分析模拟2L和L的低温状态的沥青路面，获取2L和L的开裂温度数据，确定不同的低温开裂指数CI对应的开裂间距L及开裂间距L的温度适用区间，见表1-1。

表1-1预测开裂间距

实际模拟路面模型实施过程如下：

按照上述方法分析沥青路面结构，预测不同低温开裂指数CI所对应的开裂间距以及开裂间距所适用的温度区间，进一步验证该方法的准确性。

沥青路面结构

本次模型采用沥青面层为5cm+6cm+8cm的AC-13，基层为水泥稳定碎石，沥青路面结构见图2。

S1、降温方式

路面结构采用整体降温，温度从10℃到-30℃。

S2、路面材料参数

在不同温度下计算不同层位的低温收缩系数(β

表1-2不同结构层位的低温收缩系数(×10

沥青混合料面层的力学性能参数如表1-3所示。

表1-3基层与土基的力学参数

S3、建立沥青路面模型

遵循道路设计，模型边界条件为：①四周无水平位移；②土基底面完全固定；③层间界面联结为绑定状态。

如图3所示，在创建模型时，X轴路面宽度方向，Y轴为厚度方向且竖直向上为正方向，Z轴为行车方向。在划分网格时，网格控制属性：单元形状采用六面体，技术采用结构；单元类型：单元库采用Standard，几何阶次采用线性，即为C3D8R，八节点线性六面体单元；布种时，尺寸控制中近似全局尺寸的取值为：面层为0.5，基层和土基层为1。

如图4所示，确定好边界条件后，将温度场得到的数据加入到模型中，由于降温速率对路面结构影响较小，采用均值降温的方式，层间摩阻系数为1，根据不同温度施加温度荷载，输入模型的基本参数，建立纵向长度100m的足尺有限元沥青路面结构模型。

S4、判断开裂间距的标准

如图5所示，抗拉强度是热拌沥青混合料路面的最重要指标之一，沥青路面的低温开裂与沥青混合料的抗拉强度密切相关，小梁弯曲试验是测量材料抗拉强度的重要试验之一，本文的沥青混合料强度以及沥青混合料的应变能数据均采用小梁弯曲试验所得到的结果，并以此为判断沥青路面开裂的依据。

预测结果

如图6所示，规范要求，高速及一级公路的CI值应小于3条，二级公路小于5条，三四级公路小于7条，本次模拟按照规范要求低温开裂指数CI选取的数值区间为0～7，以100m的沥青路面模型为基础，按照不同的CI数值进行开裂分析，100m的沥青路面模型在T2L＝-12.787℃产生开裂，此时模型断裂成两段，对应的开裂间距为50m，其开裂温度TL＝-18.709℃；当裂缝数量为2时，66.66m的沥青路面模型在T2L1＝-16.998℃产生开裂，此时模型断裂成两段，对应的开裂间距为33.33m，其开裂温度TL1＝-21.102℃，见图6。以此类推，确定不同温度下的开裂间距，分别建立低温开裂指数0～7对应的断裂前后的沥青路面模型，获取模型的能量数值与沥青混合料的能量数值进行分析，判断开裂间距见表1-4。

表1-4预测路面开裂间距

本次模拟的路面厚度为5cm+6cm+8cm，层间摩阻系数为1的沥青路面模型，其中沥青面层厚度以及层间摩阻系数可作为变量，在满足路面设计规范的情况下可以改变面层厚度以及层间摩阻系数，同时应用上述的仿真方法同样可以预测不同结构的沥青路面的开裂间距以及开裂温度区间，为减少道路低温开裂提供有效的理论基础。

以上是本发明的优选实施方式，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的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。