[发明专利]基于路面材料模量应力和应变依赖模型的沥青路面结构分析增量方法

摘要

本发明涉及一种基于路面材料应力和应变依赖模型的沥青路面结构分析增量方法，根据拟分析的沥青路面结构形式和材料类型，确定各层厚度、泊松比和路面材料模量应力和应变依赖模型，采用路面材料模量应力和应变依赖模型表征沥青路面结构各层模量，结合计算荷载和层间结合条件建立计算分析体系，以增量方法为分析基础，通过有限元软件数值计算获得路面结构层内部各点的模量矩阵，在此基础上根据弹性层状体系理论计算沥青路面结构内部任意一点的应力、应变和位移。该方法考虑了材料非线性问题对路面力学计算所带来的影响，使沥青路面结构受力分析更趋合理和完善。

主权项

基于路面材料模量应力或应变依赖模型的沥青路面结构分析增量方法，包括如下步骤：1)选择拟分析的沥青路面结构形式和材料类型，确定计算荷载p、层间结合条件、各层厚度hi和泊松比μi；其中：参数i代表沥青路面结构层数量，为正整数；2)根据拟分析的沥青路面结构形式和材料类型，通过室内试验确定沥青混合料复模量应变依赖模型、半刚性基层和路基土回弹模量应力依赖模型，以该组模型作为沥青路面结构分析时各层的模量取值依据；该组模型采用如下步骤获得：(1)沥青混合料复模量应变依赖模型确定方法①.在不同应变水平、不同加载频率、不同试验温度下进行沥青混合料复模量试验；②.按照下述方法获得以某一频率为基准频率，不同应变水平下、基于温度参数的沥青混合料复模量主曲线：(i)在某应变水平下，采用Boltzmann函数表征频率10Hz时温度与沥青混合料复模量对数的相关关系，(ii)以(i)中的Boltzmann函数关系为基准，根据时温等效原理引入温度移位因子α，将该应变水平下、其他频率时温度与复模量的试验数据进行平移处理，得到一组新的平移后温度‑复模量试验，(iii)采用式(1)对(ii)中的数据进行回归分析，可得到该应变水平下，以某一频率作为基准频率基于温度参数的沥青混合料复模量主曲线，函数表达式为式(1)，式中：T——温度，单位为℃；E——以10为底的沥青混合料复模量对数；A1、A2、x0、dx——回归参数，(iv)采用(i)、(ii)、(iii)中的方法，可得到其他应变水平下，以某一频率为基准频率、基于温度参数的沥青混合料复模量主曲线；③.将步骤②中不同应变水平下的平移后温度‑复模量试验数据，整理成自变量为温度和应变水平、因变量为复模量对数的数据格式，采用式(2)对其进行回归分析，可得到基于温度参数的沥青混合料复模量应变依赖模型；式中：T——温度，单位为℃；E——以10为底的沥青混合料复模量对数；ε——应变，单位为1×102με；a、b、c、x0、dx——回归参数；(2)半刚性基层回弹模量应力依赖模型确定方法[1].根据拟分析的沥青路面结构形式和材料类型，确定半刚性基层的无机结合料类型、被稳定材料类型和试件养生龄期，通过调整无机结合料剂量和被稳定材料级配组成，得到不同强度水平的半刚性基层材料；[2].采用步骤[1]中不同强度水平的半刚性基层材料，分别进行压缩受力模式的强度及回弹模量试验、弯拉受力模式的强度及回弹模量试验；[3].根据受力模式，将步骤[2]中的试验数据整理成自变量为强度和应力水平，因变量为回弹模量的数据格式；[4].采用式(3)的二元二次模型对步骤[3]中压缩受力模式下的数据进行回归分析，采用式(4)的幂函数模型对步骤[3]中的弯拉受力模式下的数据进行回归分析，可得到以式(3)和式(4)表达的基于强度水平的半刚性基层回弹模量应力依赖模型；E＝f(σ,R)＝a·σ2+b·σ+c·R+d                式(3)E＝f(σ,R)＝a·Rc·(σ+1)b                  式(4)式中：E——压缩或弯拉回弹模量，单位为MPa；σ——应力水平，单位为MPa；R——压缩或弯拉强度，单位为MPa；a、b、c、d——回归参数；(3)路基土回弹模量应力依赖模型确定方法<1>.在不同围压σ3和偏应力σd下进行路基土动态三轴回弹模量试验；<2>.在步骤<1>的不同围压(σ3)下进行路基土三轴破坏强度试验；<3>.将步骤<1>和步骤<2>中的试验数据整理成自变量为偏应力和破坏强度，因变量为动态回弹模量的数据格式；<4>.采用式(5)对步骤<3>中的数据进行回归分析，可得到以式(5)表达的基于强度指标的路基土回弹模量应力依赖模型。E=f(σ,R)=K1(σdpa+1)K2(a·Rbpa)K3---(5)]]>式中：E——动态三轴回弹模量，单位为MPa；σd——三轴试验偏应力，单位为MPa；pa——大气压力，取0.10138MPa；R——三轴破坏强度，单位为MPa；a、b、K1、K2、K3——回归参数；3)以步骤2)中的应力和应变依赖模型作为各层模量取值依据，结合步骤1)中的计算荷载p、层间结合条件、各层厚度hi和泊松比μi，建立沥青路面结构体系，采用增量方法对该体系进行分析，步骤如下：A)根据增量方法基本原理，将作用在沥青路面结构上的荷载p划分为n等份，形成n个荷载步，并从0开始，按照一定的步长Δp(Δp＝p/n)逐渐加载至p，n为正整数；B)在0时刻，作用在沥青路面结构上的荷载为0，则结构内部各点的Mises等效应力和等效应变也为0，将各沥青层的Mises等效应变代入沥青混合料复模量应变依赖模型式(2)、各半刚性基层的Mises等效应力代入半刚性基层回弹模量应力依赖模型式(3)或式(4)、路基层的Mises等效应力代入路基土回弹模量应力依赖模型式(5)中，可得到0时刻路面结构各层内部各点的模量数值，记为模量矩阵0[E]；C)在第1个荷载步内，已知作用在沥青路面结构上的荷载为Δp，采用“迭代法”进行处理，步骤如下：(a)采用0时刻的模量矩阵近似替代第1个荷载步的模量矩阵，令1[E]＝0[E]，根据弹性层状体系理论计算此时沥青路面结构内部各点的Mises等效应力和等效应变；(b)将步骤(a)中各沥青层的Mises等效应变代入沥青混合料复模量应变依赖模型式(2)、各半刚性基层的Mises等效应力代入半刚性基层回弹模量应力依赖模型式(3)或式(4)、路基层的Mises等效应力代入路基土回弹模量应力依赖模型式(5)中，得到一组新的模量矩阵1[E]1，若1[E]1与0[E]满足收敛精度要求，则1[E]1即为第1个荷载步的模量矩阵1[E]，否则，采用1[E]1重新计算沥青路面结构内部各点的Mises等效应力和等效应变，并重复本步骤，直至模量矩阵满足收敛精度要求为止；(c)将步骤(b)中满足收敛精度要求时的模量矩阵1[K]m作为第1个荷载步最终的模量矩阵1[E]；D)采用步骤C)的方法，同理可得到第2、3、…、n个荷载步最终的模量矩阵，将第n个荷载步的模量矩阵n[E]作为荷载p作用下沥青路面结构内部各点的模量矩阵；E)利用步骤D)中的模量矩阵n[E]，结合步骤1)中各层厚度hi、泊松比μi参数，计算沥青路面结构内部各点的应力、应变和位移，从而得到以增量方法为分析基础，基于路面材料模量应力和应变依赖模型的沥青路面结构分析结果。