[发明专利]层间热阻对沥青路面结构受力影响的分析方法

说明书

本发明提供的是一种层间热阻对沥青路面结构受力影响的分析方法，属于沥青路面技术领域。解决目前在研究沥青路面结构层间热阻对路面力学影响上统计分析方法局限性大、有限元分析不能突出沥青路面多孔颗粒材料特征、建模单元单一、无法改变集料接触几何特性等问题。本发明采用离散元软件数值模拟沥青路面结构；然后，设置模型边界条件、颗粒参数、单元接触模型和接触热阻系数，建立沥青路面结构离散元热分析模型，进行热分析；最后，在沥青路面结构离散元热分析模型上施加车辆荷载，记录荷载中心及周边位置各层底的受力数据，依据不同层间热阻状况下的受力数据，绘制受力比较图，分析沥青路面结构层间热阻对沥青路面受力的影响。

技术领域

本发明是层间热阻对沥青路面结构受力影响的分析方法，属于沥青路面技术领域。

背景技术

近年来，我国大力发展公路交通事业，沥青路面基于其良好的路用性能成为我国高速公路的主要形式。随着使用时间的增长，部分已建成的沥青路面未达到设计使用年限却出现各种各样的病害问题，包括裂缝、车辙、拥包等。这些病害的出现预示着沥青路面在使用过程中受到了超过其荷载极限的作用力，而这些未明的作用力没有在设计初期得到考虑或者是没有解决彻底。长期的实践表明，沥青路面结构层间的热阻问题对路面结构的受力是有影响的，尤其是在夏季的高温和大量太阳辐射的情况下，由于沥青本身对太阳辐射的吸收率达到0.8～0.95，且沥青混合料的导热系数相对较低，在吸收大量热能后，在路面内部形成热量积聚，在路面结构层间形成热阻。热阻的存在一是会加剧温度应力在结构层间的破坏作用，二是会影响结构层间沥青材料的性能，进而在车辆荷载作用下沥青路面达不到设计的承载要求。因此，沥青路面层间热阻对结构层间的受力影响是一个值得重视的问题。

自从1940年美国工程兵部队将加州承载比试验和弹性半空间体系理论方法使用到沥青机场路面结构的设计中，过去的单纯依靠经验法来设计路面组成方法被逐渐舍弃，之后沥青路面的设计就进入了半个多世纪的以力学分析为基础的时代，并且随着弹性层状体系理论方法和计算机技术的发展，采用力学分析法作为沥青路面的设计方法成为了主流。但是大量工程实践表明，采用力学分析法设计的沥青路面依旧不可避免的出现车辙、裂缝等病害问题，不考虑施工的问题，大面积出现的病害很明显地说明现行的力学分析设计法未能考虑到所有的影响因素。而从长期的沥青路面实践上来说，温度对沥青路面有很大影响，并且由于沥青材料较低的导热性能引发结构层间的热阻问题，进一步扩大了温度对结构层的影响，在高温环境下沥青材料性能的变化也扰动了沥青路面结构承受外部荷载时的受力特征。因此，研究层间热阻对沥青路面结构受力影响的问题的分析方法很有现实意义。

目前有关沥青路面层间热阻对路面结构受力特性影响的研究主要都是通过建立路面结构层的温度场模型分析，温度场模型的建立考虑了各种影响因素，诸如环境温度、层间材料的热物性参数、结构层厚度、路面结构形式等等。在相同的外部荷载作用下，各个因子的变化会使得沥青路面结构的力学响应有很大不同。国内外在层间热阻对沥青路面结构受力问题的研究主要有三个方法：第一种是理论分析法，依据边界条件以及传热学基本原理的假设，引入结构层热物性参数、气象资料、结构特征和时间等参数，建立路面温度场模型的表达式。这种采用理论公式建立路面温度场模型来评判结构层的热阻性能的方法，掺有很多假设条件，表达式也非常复杂，计算量巨大以及引入参数的不确定性，都会影响计算结果的合理性。

第二种是统计分析法，以大量的实测温度数据为支撑，结合当地的气象资料，采用回归分析的方法建立沥青路面温度场的预估公式。这种方法在准确度上有很大提升，计算也不复杂，但是需要大量的资料，且运用数理统计的方法来分析，过程相对繁杂，结果也具有很大的局限性，仅能适用于数据采集地。

第三种是数值模拟分析法，这算是当前使用较多的一种方法，结合了理论和实测数据来建立模型分析，使用最多的还是有限元分析方法。一般基于热传导理论，考虑气温和太阳辐射的因素，并假设水平方向上不存在温度梯度，建立有限元数值模型。但有限元方法有其局限的地方，就是将沥青路面结构当做连续的匀质材料，这与实际的沥青路面非连续的多孔结构材料是有出入的，难以真实地表达在复杂情况下路面内部的热量变化情况，所以有限元模拟的结果是不够准确的。