[发明专利]不同层间结合状态下沥青路面结构受力分析方法

说明书

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。

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。