[發(fā)明專利]車輛荷載作用下半柔性路面界面處細(xì)觀力學(xué)研究方法

在審

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• 申請日: 2017-08-23
• 公開（公告）號: CN107563045A
• 公開（公告）日: 2018-01-09
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 許濤;劉方韜;汪洋;李國芬
• 申請（專利權(quán)）人: 南京林業(yè)大學(xué)
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明是一種車輛荷載作用下半柔性路面界面處細(xì)觀力學(xué)研究方法，屬于路面材料技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

半柔性路面是一種以開級配大孔隙瀝青混合料為基體，灌注流動性好、強度高的特制水泥膠漿而形成的一種新型復(fù)合路面結(jié)構(gòu)類型。半柔性路面兼有柔性路面無接縫、行車舒適性高的優(yōu)點和剛性路面承載力強、耐磨性與耐久性好的優(yōu)點。半柔性路面由于其鋪筑方式與材料構(gòu)成較普通路面更為復(fù)雜，其強度形成機理也與瀝青混合料有較大差別，其中多孔瀝青混合料骨架與水泥膠漿界面處力學(xué)狀態(tài)非常復(fù)雜，也是半柔性路面的薄弱環(huán)節(jié)，越來越受到關(guān)注。

已有研究表明，即使在材料的宏觀指標(biāo)相同的情況下，道路的路用性能也有可能表現(xiàn)出很大的差異。道路路面的病害往往是從微裂縫、微空隙等肉眼不可見的細(xì)觀損害開始發(fā)展，在這些細(xì)小的損害積聚、擴(kuò)展之后，路面的病害才從宏觀角度顯現(xiàn)出來。在瀝青路面材料中，骨架結(jié)構(gòu)與瀝青膠漿自身的粘結(jié)特性是保持路面結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的關(guān)鍵部分，而界面處是處于兩種結(jié)構(gòu)的邊緣，在荷載作用下，是路面結(jié)構(gòu)最易產(chǎn)生病害的部分。病害一旦產(chǎn)生，加之實際工作環(huán)境中溫度荷載、水損害等不利因素的影響，將導(dǎo)致病害現(xiàn)象的迅速擴(kuò)展，最終導(dǎo)致路面整體破壞。因此，半柔性路面材料界面處力學(xué)行為的研究尤為重要。道路路面材料宏觀指標(biāo)的研究已不能適應(yīng)當(dāng)前研究的需要，路面材料界面處的力學(xué)研究需要從細(xì)觀層面進(jìn)行探討。

目前已有的路面材料界面力學(xué)研究主要有三種方法：第一種是從復(fù)合材料細(xì)觀力學(xué)理論出發(fā)，研究材料的界面性能。由于半柔性路面材料是一種多相材料組成的非連續(xù)復(fù)合體系，界面組成具有多種形式，并且路面組成具有較大的隨機性，所以使用理論方法對其進(jìn)行研究十分困難，并且難以保證精確性。

第二種是利用數(shù)字圖像處理技術(shù)，在試驗過程中采集材料的圖像并進(jìn)行一系列處理，獲取材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及界面處的細(xì)觀特性信息等，如采用X-射線CT機等掃描設(shè)備對路面材料進(jìn)行圖像采集，最終通過軟件進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)的分析。半柔性路面由于組成材料復(fù)雜，材料界面色彩對比度較低，材料難以準(zhǔn)確識別，難以使用軟件進(jìn)行后續(xù)分析。

第三種是通過有限元數(shù)值模擬的方法，對路面材料的界面部分進(jìn)行建模，并在荷載作用下進(jìn)行細(xì)觀力學(xué)分析。有限元方法是一種把復(fù)雜的整體結(jié)構(gòu)離散到有限個單元分別求解，并總結(jié)得到最終解的方法，這種方法對于路面宏觀力學(xué)研究較為便捷，但由于半柔性路面的多相非連續(xù)特性，難以對其進(jìn)行細(xì)觀材料建模，所以這種方法的局限性較大。

離散元方法是一種以顆粒單元為研究對象，每個單元獨立存在并可進(jìn)行多種運算模型同時進(jìn)行的數(shù)值模擬方法，對于半柔性路面這類復(fù)雜路面形式的建模具有得天獨厚的優(yōu)勢，離散元法可以在滿足集料、水泥砂漿剛性特性的同時，滿足瀝青砂漿蠕變特性和粘彈性特征。在細(xì)觀力學(xué)研究方面，離散元法可以監(jiān)測荷載作用下模型任意界面的細(xì)觀力學(xué)行為。

由于多孔瀝青混合料骨架屬于柔性材料，而水泥膠漿凝結(jié)體屬于剛性材料，二者力學(xué)性能存在明顯差異，在車輛荷載作用下，它們所分擔(dān)的荷載不同，使界面處受力狀態(tài)很復(fù)雜。在車輛荷載作用下，在半柔性路面多孔瀝青混合料骨架與水泥砂漿界面薄弱處產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，產(chǎn)生微裂縫，進(jìn)而導(dǎo)致路面開裂。已有對半柔性路面多孔瀝青混合料骨架與水泥膠漿界面處細(xì)觀力學(xué)的研究方法存在建模困難、計算復(fù)雜、精度低等問題，本發(fā)明通過離散元的方法進(jìn)行半柔性路面二維建模，并通過模擬車輛荷載作用下監(jiān)測半柔性路面界面處細(xì)觀力學(xué)變化情況。本發(fā)明所采用的方法，不僅可以克服目前半柔性路面界面處細(xì)觀力學(xué)研究存在的問題，更好了解半柔性路面多孔瀝青混合料骨架與水泥膠漿界面處受力特性，提高半柔性路面耐久性。

發(fā)明內(nèi)容

(1)技術(shù)問題

本發(fā)明目的是提供一種車輛荷載作用下半柔性路面界面處細(xì)觀力學(xué)研究的新方法，通過建立離散元數(shù)值計算模型，定義各組成材料參數(shù)、界面參數(shù)及模擬車輛荷載，解決目前半柔性路面多孔瀝青混合料骨架與水泥膠漿界面細(xì)觀力學(xué)研究中存在建模困難多、計算難度大、結(jié)果精度低等問題。

(2)技術(shù)方案