一种沥青路面动水冲刷数值试验方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及交通±建工程领域，具体设及一种渐青路面动水冲刷数值试验方法。
【背景技术】
[0002] 公路已成为目前主要的交通基础设施。有21个省区市高速公路里程超过1000公 里，其中，河南、山东两省突破4000公里，江苏、广东两省突破3000公里。至2005年，美国 全国约有260万英里的渐青和混凝±道路，其中大约91%为渐青路面。随着交通量和交通 荷载的增加，更多的渐青道路需要建设，但更重要的问题是渐青路面必须保持良好的性能， W保证行车的舒适性和安全性。W往渐青路面的破坏形式主要表现为车徹、低温开裂和疲 劳开裂。从20世纪60年代W来，绝大多数与渐青路面有关的研究课题也集中在该=大破 坏形式上。但是近年来水损害已引起人们越来越多的关注，已形成世界性范围的问题。
[0003] 许多研究机构和美国的各州的交通部对水损害关注已久。早在90年代初，已有调 查表明美国在34个州观察到水损害对路面的破坏，即使一些降水量很少的州，如Arizona 州等，也报道30% -50%的路面破坏与水损害有关。Colorado州交通部2002年的统计表 明82%的州交通部和其他联邦机构普遍采用一些措施，比如添加抗剥落剂或石灰，W预防 渐青道路水损害的发生，87%的上述机构要求进行水损害试验，并且20%的机构都在进行 或者资助水损害方面的研究，比如机理研究，探索新的实验方案，考察、比较实验室结果与 实际路面的性能等。由此可见渐青道路的水损害问题已经引起各方面的重视，对其进行研 究具有重要的理论和实际意义。
[0004] 通过数值试验方法研究水损害作用机理国内外已经积累一定成果，KringosN、T Sea巧as等人认为液体进入渐青混合料后，向渐青自身的缝隙和渐青与骨料之间的缝隙中 不断浸入，由车载引起的累吸作用被认为是引起水损害的主要原因，并力图通过有限元方 法来实现。Arambula E，Caro S，Masad E等人认为渐青混合料的水损害是由于水分的存在 下结构完整性逐渐丧失导致的，为此开发了一简单的试验程序用W测量粗集料中水的扩散 系数，确定水的扩散系数是发展数值模拟研究水损害的基础。崔新壮等人基于Biot固结方 程，将渐青混和料看作多孔介质，并考虑了它和水体的惯性力及两者之间的禪合作用，对饱 水渐青路面进行了快速Lagrange有限差分分析。董泽蛟等基于饱和多孔介质理论，建立动 态荷载作用下饱水渐青路面轴对称有限元的瞬态动力分析有限元模型，计算得到饱和渐青 路面内部孔隙水压力的时程变化，也分析了不同渗透性、车速和荷载条件下的孔隙水压力 变化规律。
[0005] 之后，许多研究希望通过在路面中埋设测量装置，实测车载下的动水压力，或者通 过制作试验装置来模拟车载下饱水渐青路面的受力情况。蒋泽民等人通过压电传感器测 量渐青路面动水压力，通过自制的压电传感器和设计的标定与实验方案来分析实时采集的 动态压电数据。钱亮等人基于光纤化agg光栅传感原理设计了 一种光纤光栅动水压力传感 器，推导了该传感器波长与压力之间的关系式。通过室内标定实验，获得该传感器的压力与 光栅波长漂移成良好的线性关系，并埋设于某高速公路路面测量了动水压力。文时^凌宏伟 通过自制渗压计对渐青路面超孔隙水压力进行测试。王莉，李智，姜旺恒等人提出了气压式 动水压力模拟方法，并设计加工了动水冲刷试验系统，为了使渐青混合料的动水冲刷模式 与路面实际相符，还设计了定向冲刷模式。
[0006] 但目前未见细观角度渐青路面孔隙动水中刷数值试验及室内试验的相关研究。
【发明内容】
[0007] 为解决上述问题，本发明提供了一种渐青路面动水冲刷数值试验方法，可快速、准 确的计算渐青路面单个孔隙中渐青混合料在车载作用下动水压力的大小及分布情况，进而 分析渐青路面结构水损害破坏机理的规律。
[0008] 为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
[0009] 一种渐青路面动水冲刷数值试验方法，包括W下步骤：
[0010] S1、根据渐青稳定碎石混合料马歇尔试验配合比设计技术标准，制作尺寸为 101. 6mmX63. 5mm，双面击实75次，孔隙率在3% -6%之间的马歇尔试件S个；对马歇尔试 件进行CT成像，从表面开始每隔10mm进行一次扫描拍摄，对同一个试件进行了 8次拍摄， 共提取了 24张图片；
[0011] S2、由CT图像分析结果，分别建立S角形孔隙，四边形孔隙，六边形孔隙，圆形孔 隙四种不同形状的孔隙模型，在相同的车辆荷载作用下，对其孔隙内部的压强分布进行试 算，确定采用圆形孔隙模型作为基本模型，从而建立标准模型；
[0012]S3、建立力学模型，材料基本参数为；孔隙水采用普通水，密度为lOOOkg/m3,粘度 为1. 003X10中a?S(气温在20°C下的动力粘度），渐青混合料弹性模量为HOOMPa，泊松比 为 0. 35,密度为 2400kg/m3;
[0013]S4、将力学模型入口处的流速设置为0,模型内部流体的速度设置为0;计算过程 采用端流计算，在入口处需要输入脉动动能kW及离散率e的值；
[0014]S5、选用有限元软件CFD-ACE++中的稳态分析，对轮载作用下渐青路面孔隙水压 强分布，孔隙水流速、流向，空隙内粘性剪切力进行分析；
[0015]S6、对各个模型进行稳态计算，入口处根据不同车速施加初始压力，得到计算结 果，可用于分析渐青路面内部应力，流速，粘性切应力的分布情况，W及孔隙内水对渐青混 合料的破坏过程；
[0016] 具体的稳态计算包括
[0017] 标准模型的稳态计算结果；找到孔隙内最大压强的出现位置，由此推断此处可能 最先发生损坏，建立车速与孔隙内最大压强的关系曲线，分析车速-最大压强之间的关系。 由于液体存在粘性，根据粘性剪切力推断最容易发生冲刷破坏的位置。
[001引不同缝隙宽度模型的稳态计算结果；对缝隙分别为0. 5mm，1mm，1. 5mm，2mm该四种 不同宽度下的模型进行计算，1mm缝隙宽度模型即为标准模型，来研究连接孔隙的缝隙宽度 对孔隙内部压强的影响。
[0019] 不同数量缝隙模型的稳态计算结果；对六种存在不同数量、位置缝隙的模型进行 计算，分析孔隙内部压强与缝隙数量和位置之间的关系。
[0020] 不同位置封闭缝隙模型的稳态计算结果；对六种封闭缝隙处于不同位置的模型进 行计算，分析孔隙内部压强与封闭缝隙位置的关系。
[0021]S7、建立流固禪合模型，选用有限元软件C抑-ACE+中的瞬态分析，入口处荷载按 照W下公式施加：
[0022]
【主权项】
1. 一种沥青路面动水冲刷数值试验方法，其特征在于，包括以下步骤： 51、 根据沥青稳定碎石混合料马歇尔试验配合比设计技术标准，制作尺寸为 101. 6mmX63. 5mm，双面击实75次，孔隙率在3% -6%之间的马歇尔试件三个；对马歇尔试 件进行CT成像，从表面开始每隔IOmm进行一次扫描拍摄，对同一个试件进行了 8次拍摄， 共提取了 24张图片； 52、 分别建立三角形孔隙，四边形孔隙，六边形孔隙，圆形孔隙四种不同形状的孔隙模 型，在相同的车辆荷载作用下，对其孔隙内部的压强分布进行试算，确定采用圆形孔隙模型 作为基本模型，从而建立标准模型； 53、 建立力学模型，材料基本参数为：孔隙水采用普通水，密度为1000kg/m3,粘度为 I. 003X IO3Pa · S，沥青混合料弹性模量为1400MPa，泊松比为0. 35,密度为2400kg/m3; 54、 将力学模型入口处的流速设置为0,模型内部流体的速度设置为0;计算过程采用 湍流计算，在入口处需要输入脉动动能k以及离散率ε的值； 55、 选用有限元软件CFD-ACE++中的稳态分析，对轮载作用下沥青路面孔隙水压强分 布，孔隙水流速、流向，空隙内粘性剪切力进行分析； 56、 对各个模型进行稳态计算，入口处根据不同车速施加初始压力，得到计算结果，可 用于分析沥青路面内部应力，流速，粘性切应力的分布情况，以及孔隙内水对沥青混合料的 破坏过程； 57、 建立流固耦合模型，选用有限元软件CFD-ACE+中的瞬态分析，入口处荷载按照以 下公式施加：
式中，T-荷载作用时间，D-单轮传压面当量圆直径，V-车辆行驶速度； 分析瞬态载荷作用下沥青路面孔隙周边混合料应力分布，进一步研宄孔隙内水对沥青 混合料的破坏过程。
2. 根据权利要求1所述的一种沥青路面动水冲刷数值试验方法，其特征在于，所述的 初始压力的计算公式为：
式中，P为入口处轮载作用下的动水压力，P为水的密度，V为车辆速度。
3. 根据权利要求1所述的一种沥青路面动水中刷数值试验方法，其特征在于，所述的 脉动动能k的计算公式为：
5 I为湍流强度，Re为雷诺数，&为入口平均速度。
4. 根据权利要求1所述的一种沥青路面动水冲刷数值试验方法，其特征在于，所述的 离散率ε的计算公式为：
式中，Cu为常数，通常取0. 09, 1为湍流尺度。
【专利摘要】本发明公开了一种沥青路面动水冲刷数值试验方法，基于CFD-ACE+软件平台，可快速、准确的计算沥青路面单个孔隙中沥青混合料在车载作用下动水压力的大小及分布情况，进而分析沥青路面结构水损害破坏机理的规律。细观角度沥青路面动水冲刷试验实现难度大、费用高、周期长，本发明意在克服传统室内试验的缺点，以缩短研究周期，降低沥青路面水损害作用规律的研究成本。
【IPC分类】G01N15-08, G01N3-56
【公开号】CN104749059
【申请号】CN201510059760
【发明人】郭学东, 孙明志, 张强, 曹健, 陈爽, 李 赫, 王振勇, 朱凯旋
【申请人】吉林大学
【公开日】2015年7月1日
【申请日】2015年2月1日