[发明专利]一种实时确定路面粒料层材料回弹模量的方法

权利要求书

1.一种实时确定路面粒料层材料回弹模量的方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

步骤1，选取待监测的沥青路面，获取待监测沥青路面的路面结构参数，并根据路面结构参数制备沥青层混合料试样和粒料层材料试样；

步骤2，利用材料试验机对沥青混合料试样进行单轴压缩动态模量试验，测量不同试验温度和加载频率条件下沥青混合料试样中各结构层的动态模量，基于时温等效原理建立沥青混合料动态模量主曲线，根据沥青混合料动态模量主曲线，确定沥青混合料动态模量计算模型，如式(1)所示：

其中，

式中，E^*为沥青混合料的动态模量，单位为MPa；f为加载频率，单位为Hz；T为沥青混合料的温度，单位为℃；E_max为沥青混合料的最大限制模量，单位为MPa；δ、ΔE_a、β、γ均为模型系数；VMA为沥青混合料的矿料间隙率，单位为％；VFA为沥青混合料的沥青饱和度，单位为％；

步骤3，利用三轴压缩试验机对粒料层材料试样进行三轴压缩试验，改变施加围压的大小，测量不同围压下粒料层材料试样的回弹模量，根据粒料层材料试样回弹模量与围压之间的关系，建立粒料层材料回弹模量计算模型，如式(4)所示：

其中，

θ＝σ₁+σ₂+σ₃ (5)

式中，M_R为粒料层材料试样的回弹模量，单位为MPa；θ为粒料层材料试样的体应力，单位为MPa；τ_∝t为粒料层材料试样的八面体剪应力，单位为MPa；p_a为参考气压，单位为MPa；k₁、k₂、k₃均为回归系数，k₁≥0、k₂≥0、k₃≥0；σ₁为粒料层材料试样在X轴方向受到的应力，单位为MPa；σ₂为粒料层材料试样在Y轴方向受到的应力，单位为MPa；σ₃为粒料层材料试样在Z轴方向受到的应力，单位为MPa；

步骤4，在待监测沥青路面中安装粒料层材料回弹模量智能监测系统，粒料层材料回弹模量智能监测系统包括交通轴载测量装置、路面结构温度测量装置和沥青路面数据处理装置，沥青路面数据处理装置分别与交通轴载测量装置、路面结构温度测量装置相连接；

利用路面结构温度测量装置测量沥青路面的内部温度，再利用交通轴载测量装置测量沥青路面上车辆的车速，并将沥青路面上车辆的车速和沥青路面的内部温度传输至沥青路面数据处理装置；

步骤5，利用沥青路面数据处理装置计算沥青路面中粒料层材料的回弹模量，具体包括以下步骤：

步骤5.1，将沥青路面的路面结构参数、沥青路面上车辆的车速、沥青路面的内部温度、沥青混合料动态模量计算模型和粒料层材料回弹模量计算模型输入沥青路面数据处理装置中；

步骤5.2，根据沥青路面上车辆的车速确定车辆荷载对路面的加载频率，如式(7)所示：

式中，f为加载频率，单位为Hz；d为沥青路面中沥青层的厚度，单位为m；v为沥青路面上车辆的车速，单位为km/h；

结合沥青路面的内部温度，基于沥青混合料动态模量计算模型，计算得到沥青路面中沥青层的沥青混合料动态模量；

步骤5.3，设置迭代总次数n和粒料层材料回弹模量的初值M_R0；

步骤5.4，当迭代次数i＝1时，根据沥青路面的路面结构参数和沥青路面中各结构层的沥青混合料动态模量，利用力学计算软件BISAR 3.0计算得到粒料层材料沿X轴方向的压应力σ_i1、沿Y轴方向的压应力σ_i2和沿Z轴方向的压应力σ_i3，并基于粒料层材料回弹模量计算模型，计算得到粒料层材料回弹模量M_Ri；

步骤5.5，当迭代次数i≥2时，将粒料层材料回弹模量的初值更新为M′_Ri，如式(8)所示：

式中，M′_Ri为更新后粒料层材料回弹模量的初值，单位为MPa；M_R(i-1)为第i-1次迭代计算得到的粒料层材料回弹模量，单位为MPa；M_R(i-2)为第i-2次迭代计算得到的粒料层材料回弹模量，单位为MPa；

根据沥青路面的路面结构参数、沥青路面中各结构层的沥青混合料动态模量和更新后粒料层材料回弹模量的初值M′_Ri，利用力学计算软件BISAR 3.0计算得到粒料层材料沿X轴方向的压应力σ_i1、沿Y轴方向的压应力σ_i2和沿Z轴方向的压应力σ_i3，并基于粒料层材料回弹模量计算模型，确定本次迭代计算的粒料层材料回弹模量M_Ri；

步骤5.6，计算本次迭代计算得到的粒料层材料回弹模量M_Ri与上次迭代计算得到的粒料层材料回弹模量M_R(i-1)之间的差值；

若M_Ri-M_R(i-1)≥5％或迭代次数i＜n，则进入步骤5.5；

若M_Ri-M_R(i-1)＜5％或迭代次数i≥n，则进入步骤6；

步骤6，输出粒料层材料回弹模量M_Ri，得到待监测沥青路面中粒料层材料的回弹模量；

所述沥青路面由上到下依次设置有沥青层、粒料层和路基，其中，沥青层由上到下依次设置为上面层、中面层和下面层；

所述路面结构参数包括沥青层厚度、粒料层厚度、沥青混合料的组成成分、粒料层的组成成分以及沥青层中上面层、中面层和下面层的厚度和泊松比；

所述步骤2中，分别选取试验温度为20℃、35℃和50℃，在各试验温度条件下分别测量加载频率为0.1Hz、0.2Hz、0.5Hz、1Hz、2Hz、5Hz、10Hz、20Hz、25Hz时沥青混合料试样中各结构层的动态模量；

所述步骤3中，三轴压缩试验过程中选取多个加载序列，三轴压缩试验机在各加载序列下分别对粒料层材料试样施加100次半正矢脉冲荷载，通过测量粒料层材料试样的回弹变形确定粒料层材料试样的回弹模量。