一种考虑温度影响的沥青道路设计方法及沥青道路与流程

本发明涉及道路设计技术领域，具体而言，涉及一种考虑温度影响的沥青道路设计方法及沥青道路。

背景技术：

沥青路面是将沥青混凝土加以摊铺、碾压成型而形成的各种类型的路面。随着我国自产路用沥青材料工业的发展，沥青路面已广泛应用于城市道路和公路干线，成为目前我国铺筑面积最多的一种高级路面。

近年来，安定理论已被用于研究弹塑性结构在周期性变化或按其他规律循环变化荷载作用下的塑性变形规律。以该理论为基础建立的安定分析能够寻找到一个安定极限，使得周期或循环荷载处于该极限以内时，结构的累积塑性变形逐渐达到稳定；反之，如果周期或循环荷载大于该极限，结构塑性变形会不断累积直至破坏。通过安定分析，可以确定结构的临界安定荷载和破坏机制，为工程设计和安全评估提供准确可靠的理论依据。

现有的安定分析在道路工程中的应用没有考虑温度对于材料的塑性行为的影响。但由于沥青的性质与温度紧密相关，因此将温度纳入基于安定理论的道路设计法是必要的。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明旨在提供一种考虑温度影响的沥青道路设计方法，通过考虑温度对沥青混合料弹塑性性质的影响，进而形成可考虑温度影响的道路安定分析法，绘制可根据温度及设计荷载确定层厚设计的诺模图，为沥青道路设计提供有力参考。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种考虑温度影响的沥青道路设计方法，包括以下步骤：

选定一种待设计道路的层状体系的结构，其中包含至少一层沥青材料层；

确定所述层状体系各层材料在第一温度下的弹性模量e、黏聚力c以及内摩擦角φ；

估算沥青材料层在不同温度下的弹性模量e和黏聚力c；

建立所述层状体系的三维数值模型，获得层状体系的结构中弹性应力场的分布情况，将所述弹性应力场、所述内摩擦角φ以及估算得到的所述不同温度下的所述黏聚力c代入基于下限安定定理的安定分析优化方程，求解不同温度下所述待设计道路的安定极限值；

基于求解的所述安定极限值优化所述层状体系的层厚组合设计。

本发明通过估算不同温度下沥青材料的不同弹性模量e和黏聚力c，采用基于下限安定定理的安定分析法求解安定极限值，将温度的影响纳入了道路安定分析中，使其可以适用于具有不同气候特点的地区的沥青道路结构组成设计，提高当地沥青道路设计的稳定性和可靠性。

优选地，所述估算所述沥青材料层在不同温度下的所述弹性模量e和所述黏聚力c包括：根据ha方程估算得到所述沥青材料层在不同温度下的所述弹性模量e：

log10(et)＝log10(et′)-0.0003×(t′-t)²+0.022×(t′-t)

其中，et表示温度为t时的弹性模量，et'表示温度为t′时的弹性模量。

本发明根据ha方程估算沥青材料层在不同温度下的弹性模量，得到的数据更为准确合理。

优选地，所述估算所述沥青材料层在不同温度下的所述弹性模量e和所述黏聚力c包括：根据经验公式

c(t′)＝-745.3×(ln(t′)-ln(t))+c(t)

进行估算，其中，c(t)表示温度为t时的黏聚力，c(t′)表示温度为t′时的黏聚力。

本发明采用总结的经验公式估算沥青材料层在不同温度下的黏聚力，该经验公式的提出已与之前学者通过试验得到的11组多种沥青的黏聚力随温度变化的曲线进行了对比，能够较好的对不同温度下的黏聚力值c进行估算，使得本方法得到的安定极限值更为准确可靠。

优选地，所述建立所述层状体系的三维数值模型，获得所述层状体系的结构中弹性应力场的分布情况，将所述弹性应力场、所述内摩擦角φ以及估算得到的所述不同温度下的所述黏聚力c代入基于下限安定定理的安定分析优化方程，求解不同温度下所述待设计道路的安定极限值包括以下步骤：

将所述估算得到的不同温度下所述沥青材料层的所述弹性模量e值代入到建立的所述三维数值模型中，施加作用力p，获得不同温度下的所述作用力p所引发的弹性应力场；

将不同温度下的弹性应力场、所述内摩擦角φ和所述估算得到的不同温度下所述沥青材料层的所述黏聚力c代入所述安定分析优化方程，求解安定系数λsd；

计算出所述安定极限值λsdp。

本发明根据估算的不同温度下所述沥青材料层的所述弹性模量e代入三维数值模型得到弹性应力场的分布，并考虑温度对黏聚力c的影响，将温度的影响引入安定极限值的求解中，得到考虑了温度影响的安定分析法。

优选地，所述安定分析优化方程为：

maxλ,

其中，表示残余应力场，σ^e表示弹性应力场，f表示屈服方程，cn与φn分别表示第n层材料的黏聚力与内摩擦角，j代表深度，i代表深度j上的第i个点。

本发明采用优化的安定分析方程对安定极限值进行求解，得到的结果更为可靠，且考虑了不同温度对沥青材料的影响，可以更好的考虑更危险的情况，可优化结构组成设计，从而提高沥青道路的抗车辙能力。

优选地，如果所述层状体系的结构的第n层为沥青材料层，则所述安定分析优化方程中的所述黏聚力cn值会随温度变化，变化规律如下公式所示：

c(t′)＝-745.3×(ln(t′)-ln(t))+c(t)

其中，c(t)表示温度为t时的黏聚力，c(t′)表示温度为t′时的黏聚力。

本发明考虑不同温度下沥青材料不同的黏聚力c变化，使得求解的安定极限值更符合实际路面情况，可靠性更高。

优选地，通过试验测定或选取经验数值来确定各层材料在所述第一温度下的所述弹性模量e、所述黏聚力c以及所述内摩擦角φ。

本发明初始参数来源可通过实验测定或基于以往试验数据开发的经验公式获取，易于实现且可靠性高。

优选地，通过matlab编程优化求解所述安定极限值。

本发明使用matlab编程来求解安定极限值，可更为快速有效的进行解算。

优选地，还包括：通过改变所述三维数值模型中的层厚对所述安定极限值进行计算，获得不同层厚组合作用下所述安定极限值的变化规律，绘制出适用于考虑不同温度的道路结构设计诺模图。

本发明根据设置不同层厚组合模型及材料参数计算得到安定极限值的变化规律，并绘制道路结构设计诺模图，为沥青道路设计提供了可靠有效的数据支撑。

本发明的另一目的在于提供一种沥青道路，通过优化设计达到良好的抗车辙性能。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种沥青道路，使用上述考虑温度影响的沥青道路设计方法进行设计。

本发明考虑了温度对沥青材料弹塑性性质的影响，采用基于下限安定定理的安定分析优化方程求解安定极限值，保证沥青道路的设计可靠性及抗车辙能力。

附图说明

图1所示为本发明实施例考虑温度影响的沥青道路设计方法的流程图；

图2所示为本发明实施例三层沥青道路体系的示意图；

图3所示为本发明实施例根据ha方程预测的在其他温度下的弹性模量e值的示意图及根据经验公式预测的在其他温度下的黏聚力c值的示意图；

图4所示为本发明实施例利用abaqus建立三维数值模型的示意图；

图5所示为本发明实施例通过matlab编程求解安定极限值的流程图；

图6所示为本发明实施例可考虑温度影响的道路结构设计诺模图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。

图1所示为本发明实施例考虑温度影响的沥青道路设计方法的流程图，包括以下步骤：

s1：选定一个层状体系的结构，在本发明实施例中，以trrlreportlr1132中的提及的典型的三层沥青道路体系为例，如图2所示，包括：沥青面层、颗粒材料基层(碎石)及土基，各层厚度分别为h1、h2和h3。在本发明实施例中，采用简化后的三层沥青体系模型，实际道路结构并不以此为限。土基为天然土，所以其厚度(h3)假设为无限大。上面两层的厚度是可以自由变化的，通过调整h1与h2的厚度来优化层状体系的承载力。通常来讲，h2的最大厚度为225mm，本发明实施例中采用225mm为第二层的厚度。在本发明其他实施例中，h2也可以为125、200mm等其他数值。

s2：确定各层材料在第一温度(即某一特定温度)下的弹性模量e、黏聚力c以及内摩擦角φ，这几项参量可以通过无侧限抗压强度试验、三轴试验等进行测定，也可选取经验数值，在本发明实施例中，所述第一温度取温度为20℃，并假设内摩擦角φ不受温度变化的影响。

图2示出了20℃时上述沥青道路各层材料参数的经验值：

沥青面层：e1＝3100mpa，c1＝850kpa，φ1＝40°，ν1＝0.35；

颗粒材料基层：e2＝150mpa，c2＝5kpa，φ2＝40°，ν2＝0.3；

土基：e3＝50mpa，c3＝10kpa，φ3＝18°，ν3＝0.45。

其中，e表示弹性模量，c表示黏聚力，φ表示内摩擦角，ν表示泊松比。

s3：假设内摩擦角φ及泊松比ν不随温度变化，并估算沥青面层在不同温度下的弹性模量e和黏聚力c值。

在本发明实施例中，根据ha方程(如下公式(1)所示)估算不同温度下沥青面层的弹性模量e值：

log10(et)＝log10(et′)-0.0003×(t′-t)²+0.022×(t′-t)(1)

其中，et表示温度为t时的弹性模量e值，et'表示温度为t′时的弹性模量e值，在本发明实施例中，t′＝20℃。

图3为根据ha方程估算绘制的图2中的沥青面层在其他温度下的弹性模量e值的示意图。ha方程为英国高速公路设计规范中采用的方程，实验证明该方程与许多学者的实验数据能够较好的吻合，在本发明实施例中采用ha方程可保证对不同温度下的弹性模量e进行估算的准确度，从而提高整体道路设计的可靠性。

由于沥青材料属于温感性材料，因此需要根据以往专家及学者测定的沥青混合料在不同温度下的黏聚力c，提出黏聚力c随温度变化的经验公式，从而预测沥青混合料在不同温度下的黏聚力c值。

在本发明实施例中，在已知某一特定温度下的黏聚力c值时，根据总结的经验公式(2)估算其他温度下的黏聚力c值：

c(t')＝-745.3×(ln(t')-ln(t))+c(t)(2)

其中，c(t)表示温度为t时的黏聚力c值，c(t′)表示温度为t′时的黏聚力c值，在本发明实施例中，t′＝20℃。图3亦给出根据经验公式估算绘制的图2中的沥青面层在其他温度下的黏聚力c值的曲线示意图。上述经验公式(2)根据以往相关研究总结得出，经实验验证可与其他学者的实验数据能够较好的吻合，具有较高的准确度。

根据以往的研究，温度变化对沥青面层内摩擦角φ值的影响并不明显。在本发明实施例中，假设沥青面层内摩擦角φ1、颗粒材料基层的弹性模量e2、黏聚力c2、内摩擦角φ2以及土基的弹性模量e3、黏聚力c3以及内摩擦角φ3值均与温度变化无关。

s4：利用abaqus建立三维数值模型(如图4所示)，获得上述三层沥青道路体系中弹性应力场的分布情况，将所得弹性应力场及上述各个塑性参数(即粘聚力cn及内摩擦角φn)代入基于下限安定定理的安定分析优化方程，并通过matlab编程求解安定极限值和其对应的关键点的位置。所谓关键点的位置，就是结构中最容易发生破坏的点的位置。了解最易发生破坏点的位置有助于道路结构优化。在本发明实施例中，建立三维数值模型及网格分布(1/4半空间无限体模型)，假设荷载为半径151mm的3d均布荷载。具体包括以下步骤：

s41：将上述根据ha方程估算得到的不同温度下沥青面层的弹性模量e值代入到建立的三维数值模型中，施加作用力p，从而获得不同温度下的作用力p所引发的弹性应力场σ^e；

s42：将不同温度下的弹性应力场σ^e代入如下公式(3)，通过公式(3)可以寻找到能够使结构产生安定现象的最大安定系数λsd：

maxλ,

其中，表示残余应力场，σ^e表示弹性应力场，f表示屈服方程，cn与φn分别表示第n层材料的黏聚力与内摩擦角，j代表深度，i代表深度j上的第i个点。其中，如果第n层为沥青材料，则公式(3)中所涉及的黏聚力cn值会随温度变化，变化规律如上述公式(2)所示。在本发明实施例中，黏聚力cn值随温度变化变化的规律具体为如下公式(4)所示：

c(t')＝-745.3×(ln(t')-ln(t))+c(t)(4)

s43：计算出安定极限值λsdp。

在本发明其他实施例中，也可采用不同的基于下限安定定理的安定分析优化方程进行安定极限值的求解。

在本发明实施例中，通过matlab编程求解安定极限值的流程如图5所示：

首先获取数值模型计算的弹性应力场，并获取数值模型的单元节点编号及坐标；

将这些信息整合形成涵盖了节点编号、坐标及弹性应力场信息的文件；

再按纵向坐标z排序，形成编排有序的文件；

利用迭代法求解λsdⁿ；

得到λsdⁿ的最小值即为整体结构的安定系数λsd。

s5:基于上述步骤求解的安定极限值，从而优化道路结构组成设计。在本发明实施例中，根据求解的安定极限值可得到在多种设计温度下具有良好抗车辙能力的沥青道路设计方案。

利用上述方法即可求得不同温度下道路结构的安定极限值，通过改变abaqus模型中的层厚，再通过上述方法对安定极限值进行计算即可获得不同层厚组合作用下安定极限值的变化规律。在本发明实施例中，最后还可绘制出适用于考虑不同温度的道路结构设计诺模图。针对图2所采用的道路体系，图6给出了相应的设计诺模图(单位：kpa)。

本发明实施例通过引入经验公式，考虑不同温度对沥青材料的不同特性的影响，并使用基于下限安定定理的安定分析法计算得到安定极限值，形成可考虑温度影响的道路安定分析法，提高了沥青道路设计的稳定性和可靠性。并绘制出可以根据温度及设计荷载确定层厚设计的诺模图，为沥青道路设计提供有力参考。

根据本发明实施例，还提供一种沥青道路，使用上述考虑温度影响的沥青道路设计方法进行设计。

本发明考虑了温度对沥青材料弹塑性性质的影响，采用基于下限安定定理的安定分析优化方程求解安定极限值，保证了当实际温度不高于设计温度时，所设计沥青道路的可靠性及抗车辙能力。

虽然本公开披露如上，但本公开的保护范围并非仅限于此。本领域技术人员，在不脱离本公开的精神和范围的前提下，可进行各种变更与修改，这些变更与修改均将落入本发明的保护范围。