一种沥青路面模量梯度确定方法、装置及电子设备与流程

1.本发明涉及沥青路面评价技术领域，尤其涉及一种沥青路面模量梯度确定方法、装置、电子设备及计算机可读存储介质。


背景技术：

2.服役期间，在温度、紫外线、氧气浓度等环境因素作用下，沥青路面中的沥青与空气中的氧气发生化学反应，性质发生一系列的变化，使得沥青路面发生老化。老化后的沥青路面变硬、变脆，耐久性降低，更易产生疲劳开裂。老化过程中，空气中的氧气先与沥青路面表面的沥青混合料发生化学反应，再通过空隙与沥青路面内部沥青混合料产生化学反应生。因空气中的氧气通过相互连接的空隙进入路面深处扩散需要更多时间，路面结构深处的氧气浓度较低，老化速率较慢，使得沥青路面沿深度方向出现非均匀老化现象。
3.沥青混合料的动态模量与其老化和损伤程度存在关联性，沥青混合料的老化程度越高，其动态模量值越大。老化后的沥青路面的动态模量沿道路深度方向发生变化，使得沥青面层模量存在非均匀性。通过对沥青路面老化后的模量非均匀性进行研究，能够表征沥青路面的非均匀老化现象。同时，沥青混合料的动态模量梯度是沥青路面设计和评价中的重要参数，可以被应用于沥青路面的力学响应分析。运用力学响应的分析结果，能够对沥青路面的永久变形、疲劳开裂等现象进行预估，从而对沥青路面进行设计和评价，为道路工程建设服务。然而，现阶段在对沥青路面进行设计和评价时，往往忽略了非均匀老化作用对沥青路面动态模量参数的影响，认为各结构层模量均匀，从而使得其分析结果与路面的实际服役状况存在差异。而现有技术确少沥青路面模量梯度的确定方案。


技术实现要素：

4.有鉴于此，有必要提供一种沥青路面模量梯度确定方法、装置、电子设备及计算机可读存储介质，用以实现对沥青路面模量梯度的确定。
5.为了实现上述目的，本发明提供了一种沥青路面模量梯度确定方法，包括：
6.获取路面芯样试件的横向应变值、竖向应变值及转角，对所述横向应变值、竖向应变值及转角进行拟合，得到拟合公式；
7.通过所述拟合公式对沥青路面模量梯度模型参数、试件顶部和底部动态模量的比值进行规划求解，得到沥青路面模量梯度模型参数、试件顶部和底部动态模量的初始比值；
8.根据沥青路面模量梯度模型参数、试件顶部和底部动态模量的初始比值获取动态模量主曲线，根据所述动态模量主曲线获取设定温度及频率条件下的顶面及底面动态模量；
9.根据所述沥青路面模量梯度模型参数、顶面及底面动态模量，获取设定温度及频率条件下的沥青路面模量梯度。
10.进一步地，对所述横向应变值、竖向应变值及转角进行拟合，得到拟合公式，具体包括：对所述横向应变值、竖向应变值及转角进行拟合，得到拟合公式
[0011][0012][0013][0014]
其中，为参数，l为横截面边长，d为试件厚度，t为加载时间，所述f
m
(t)、g
m
(t)、h
m
(t)分别为横向应变值、竖向应变值及转角，l
d/2
为变形后试件顶面高度，l
‑
d/2
为变形后试件底面高度。
[0015]
进一步地，通过所述拟合公式对沥青路面模量梯度模型参数、试件顶部和底部动态模量的比值进行规划求解，具体包括：通过所述拟合公式及规划公式，对沥青路面模量梯度模型参数n、试件顶部和底部动态模量的初始比值k进行规划求解，所述规划公式为
[0016][0017][0018][0019]
其中，其中，
[0020]
进一步地，根据沥青路面模量梯度模型参数、试件顶部和底部动态模量的初始比值获取动态模量主曲线，具体包括：获取试件底面、中部和顶面动态模量，根据所述沥青路面模量梯度模型参数、试件顶部和底部动态模量的初始比值、试件底面、中部和顶面动态模量获取动态模量主曲线。
[0021]
进一步地，获取试件底面、中部和顶面动态模量，根据所述沥青路面模量梯度模型参数、试件顶部和底部动态模量的初始比值、试件底面、中部和顶面动态模量获取动态模量主曲线，具体包括：
[0022]
利用动态模量公式获取试件底面、中部和顶面动态模量，根据所述沥青路面模量梯度模型参数、试件顶部和底部动态模量的初始比值、试件底面、中部、顶面动态模量及动态模量主曲线公式获取动态模量主曲线，所述动态模量公式为
[0023][0024][0025][0026]
其中，e
‑
d/2*
(ω)为试件底面动态模量，为试件顶面动态模量，为试件中部动态模量，n为沥青路面模量梯度模型参数，k为试件顶部和底部动态模量的初始比值，w为频率，j
′
‑
d/2
(ω)、j
″
‑
d/2
(ω)分别为蠕变柔量的实部和虚部，所述动态模量主曲线公式为
[0027][0028]
其中，e
*
(ω)为动态模量，ω为加载频率，δ为动态模量最小值，α为主曲线上下渐近线的纵坐标的差值，β、γ、λ为形状参数，α
t
为时
‑
温移位因子。
[0029]
进一步地，所述沥青路面模量梯度确定方法还包括，通过时
‑
温移位因子公式获取时
‑
温移位因子，所述时
‑
温移位因子公式为其中，c1、c2分别为拟合参数，t为试验温度，t0为参考温度，a
t
为时
‑
温移位因子。
[0030]
进一步地，根据所述沥青路面模量梯度模型参数、顶面及底面动态模量，获取设定温度及频率条件下的沥青路面模量梯度，具体包括：
[0031]
根据所述沥青路面模量梯度模型参数，顶面、底面动态模量及模量梯度模型公式，获取设定温度及频率条件下的沥青路面模量梯度，所述模量梯度模型公式为
[0032][0033][0034]
其中，e(z)为路面深度z处的动态模量值，e
d/2
为试件表面模量，e
‑
d/2
为试件底面模量，d为试件的厚度，n为模型参数，k1为试件顶部和底部动态模量的测试比值。
[0035]
本发明还提供了一种沥青路面模量梯度确定装置，包括试件数据处理模块、规划求解模块、动态模量获取模块及模量梯度确定模块；
[0036]
所述试件数据处理模块，用于获取路面芯样试件的横向应变值、竖向应变值及转角，对所述横向应变值、竖向应变值及转角进行拟合，得到拟合公式；
[0037]
所述规划求解模块，用于通过所述拟合公式对沥青路面模量梯度模型参数、试件顶部和底部动态模量的比值进行规划求解，得到沥青路面模量梯度模型参数、试件顶部和底部动态模量的初始比值；
[0038]
所述动态模量获取模块，用于根据沥青路面模量梯度模型参数、试件顶部和底部
动态模量的初始比值获取动态模量主曲线，根据所述动态模量主曲线获取设定温度及频率条件下的顶面及底面动态模量；
[0039]
所述模量梯度确定模块，用于根据所述沥青路面模量梯度模型参数、顶面及底面动态模量，获取设定温度及频率条件下的沥青路面模量梯度。
[0040]
本发明还提供了一种电子设备，包括存储器和处理器，所述存储器上存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，实现如上述任一技术方案所述的包括沥青路面模量梯度确定方法。
[0041]
本发明还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机该程序被处理器执行时，实现如上述任一技术方案所述的包括沥青路面模量梯度确定方法。
[0042]
采用上述实施例的有益效果是：通过获取路面芯样试件的横向应变值、竖向应变值及转角，对所述横向应变值、竖向应变值及转角进行拟合，得到拟合公式；通过所述拟合公式对沥青路面模量梯度模型参数、试件顶部和底部动态模量的比值进行规划求解，得到沥青路面模量梯度模型参数、试件顶部和底部动态模量的初始比值；根据沥青路面模量梯度模型参数、试件顶部和底部动态模量的初始比值获取动态模量主曲线，根据所述动态模量主曲线获取设定温度及频率条件下的顶面及底面动态模量；根据所述沥青路面模量梯度模型参数、顶面及底面动态模量，获取设定温度及频率条件下的沥青路面模量梯度；实现了对沥青路面模量梯度的确定。
附图说明
[0043]
图1为本发明提供的沥青路面模量梯度确定方法一实施例的流程示意图；
[0044]
图2为本发明实施例提供的整体路面芯样切割示意图；
[0045]
图3为本发明实施例提供的试件切割示意图；
[0046]
图4为本发明实施例提供的应变测量示意图；
[0047]
图5为本发明实施例提供的试件不同位置处应变随加载时间变化的采集示意图；
[0048]
图6为本发明实施例提供的动态模量主曲线示意图；
[0049]
图7为本发明实施例提供的模量梯度示意图；
[0050]
图8为本发明实施例提供的沥青路面模量梯度确定装置的结构框图。
具体实施方式
[0051]
下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本技术一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。
[0052]
本发明的一个具体实施例，公开了一种沥青路面模量梯度确定方法，其流程示意图，如图1所示，所述沥青路面模量梯度确定方法包括：
[0053]
步骤s1、获取路面芯样试件的横向应变值、竖向应变值及转角，对所述横向应变值、竖向应变值及转角进行拟合，得到拟合公式；
[0054]
步骤s2、通过所述拟合公式对沥青路面模量梯度模型参数、试件顶部和底部动态模量的比值进行规划求解，得到沥青路面模量梯度模型参数、试件顶部和底部动态模量的初始比值；
[0055]
步骤s3、根据沥青路面模量梯度模型参数、试件顶部和底部动态模量的初始比值获取动态模量主曲线，根据所述动态模量主曲线获取设定温度及频率条件下的顶面及底面动态模量；
[0056]
步骤s4、根据所述沥青路面模量梯度模型参数、顶面及底面动态模量，获取设定温度及频率条件下的沥青路面模量梯度。
[0057]
一个具体实施例中，在沥青路面路肩处钻取现场芯样(芯样直径可为15cm)，芯样结构包括路面沥青混合料面层和部分基层，并认为路面服役时间为路面芯样老化时间；对整体路面芯样进行切割，将沥青混合料类型不同的路面上面层、中面层和下面层分离，整体路面芯样切割示意图，如图2所示。
[0058]
采用切割锯将直径15cm的路面芯样圆柱体试件，切割成长100mm，宽100mm，厚40
‑
60mm的长方体试件，试件切割示意图，如图3所示，切割过程主要分为以下三步，对路面芯样粗糙的上表面进行磨平处理，过程中尽可能减少试件厚度的损失，磨平后的试件上下表面平整，使得试件表面在试验中受力均匀；沿芯样各结构层分界线将基层部分切除，并将上、中、下面层部分切割分离；沿截面将各结构层圆柱体试件切割成截面为100mm
×
100mm的长方体试件。
[0059]
另一个具体实施例中，在试件表面安装有6组lvdt，用于测量试验过程中试件不同位置处的应变，应变测量示意图，如图4所示。竖直方向前后两侧的lvdt(直线位移传感器)用于测试试件顶面和底面的竖向应变，附在另外两侧的2组竖直方向的lvdt用于测量试件中部的应变，水平方向的2组lvdt用于测量试件的横向变形，竖直方向lvdt的标距为70mm，水平方向lvdt的标距为试件厚度。
[0060]
采用材料测试仪(mts)进行单轴压缩蠕变试验，选取试验温度分别为5℃、20℃、35℃，由低温向高温依次进行，在进行对应温度试验前，需将试件在环境箱中养生4个小时以保证试件内部温度达到平衡。为保证试件在加载过程中处于线性黏弹性阶段，在试验前通过探索性试验确定合适的加载力，使得试件在试验过程中产生的总应变不超过150με。对每个试件进行三次平行试验，试件不同位置处应变随加载时间变化的采集示意图，如图5所示。取三次结果的平均值用于后续分析；每组试验间隔15分钟，以保证试件受到的黏弹性应变完全恢复。通过上述方法可以得到路面芯样试件的横向应变值、竖向应变值及转角。
[0061]
作为一个优选的实施例，对所述横向应变值、竖向应变值及转角进行拟合，得到拟合公式，具体包括：对所述横向应变值、竖向应变值及转角进行拟合，得到拟合公式
[0062][0063][0064][0065]
其中，为参数，l为横截面边长，d为试件厚度，t为加载时间，所述f
m
(t)、g
m
(t)、h
m
(t)分别为横向应变值、竖向应变值及转角，
l
d/2
为变形后试件顶面高度，l
‑
d/2
为变形后试件底面高度。
[0066]
一个具体实施例中，对所述横向应变值、竖向应变值及转角进行拟合，得到拟合公式
[0067][0068][0069][0070]
其中，为模型参数(拟合参数)，t为加载时间，s。
[0071]
作为一个优选的实施例，通过所述拟合公式对沥青路面模量梯度模型参数、试件顶部和底部动态模量的比值进行规划求解，具体包括：通过所述拟合公式及规划公式，对沥青路面模量梯度模型参数n、试件顶部和底部动态模量的初始比值k进行规划求解，所述规划公式为
[0072][0073][0074][0075]
其中，l为横截面边长，d为试件厚度，l为横截面边长，d为试件厚度，
[0076]
作为一个优选的实施例，根据沥青路面模量梯度模型参数、试件顶部和底部动态模量的初始比值获取动态模量主曲线，具体包括：获取试件底面、中部和顶面动态模量，根据所述沥青路面模量梯度模型参数、试件顶部和底部动态模量的初始比值、试件底面、中部和顶面动态模量获取动态模量主曲线。
[0077]
作为一个优选的实施例，获取试件底面、中部和顶面动态模量，根据所述沥青路面模量梯度模型参数、试件顶部和底部动态模量的初始比值、试件底面、中部和顶面动态模量获取动态模量主曲线，具体包括：
[0078]
利用动态模量公式获取试件底面、中部和顶面动态模量，根据所述沥青路面模量梯度模型参数、试件顶部和底部动态模量的初始比值、试件底面、中部、顶面动态模量及动
态模量主曲线公式获取动态模量主曲线，所述动态模量公式为
[0079][0080][0081][0082]
其中，e
‑
d/2*
(ω)为试件底面动态模量，为试件顶面动态模量，为试件中部动态模量，n为沥青路面模量梯度模型参数，k为试件顶部和底部动态模量的初始比值，w为频率，j
′
‑
d/2
(ω)、j
″
‑
d/2
(ω)分别为蠕变柔量的实部和虚部，所述动态模量主曲线公式为
[0083][0084]
其中，e
*
(ω)为动态模量，ω为加载频率，δ为动态模量最小值，α为主曲线上下渐近线的纵坐标的差值，β、γ、λ为形状参数，α
t
为时
‑
温移位因子。
[0085]
一个具体实施例中，加载频率j
′
‑
d/2
(ω)、j
″
‑
d/2
(ω)为蠕变柔量的实部和虚部，
[0086][0087][0088]
作为一个优选的实施例，所述沥青路面模量梯度确定方法还包括，通过时
‑
温移位因子公式获取时
‑
温移位因子，所述时
‑
温移位因子公式为其中，c1、c2分别为拟合参数，t为试验温度，t0为参考温度，a
t
为时
‑
温移位因子。
[0089]
需要说明的是，在路面设计与评价时，一般采用20℃、10hz下的动态模量，因此，通过绘制动态模量主曲线确定更广频率范围下沥青路面的动态模量，得到相应频率下沥青路面动态模量随路面深度的变化趋势，从而为后续分析长期服役沥青路面在车辆荷载作用下的力学响应情况提供依据。绘制动态模量主曲线，如下公式所示；
[0090][0091]
其中，e
*
(ω)为动态模量，mpa；ω为加载频率，rad/s；δ为动态模量最小值，mpa；α为主曲线上下渐近线的纵坐标的差值，mpa；β、γ、λ为形状参数；α
t
为时
‑
温移位因子，通过下式进行计算；
[0092][0093]
其中，c1、c2为拟合参数；t为试验温度，℃；t0为参考温度，℃
[0094]
作为一个优选的实施例，根据所述沥青路面模量梯度模型参数、顶面及底面动态模量，获取设定温度及频率条件下的沥青路面模量梯度，具体包括：
[0095]
根据所述沥青路面模量梯度模型参数，顶面、底面动态模量及模量梯度模型公式，获取设定温度及频率条件下的沥青路面模量梯度，所述模量梯度模型公式为
[0096][0097][0098]
其中，e(z)为路面深度z处的动态模量值，e
d/2
为试件表面模量，e
‑
d/2
为试件底面模量，d为试件的厚度，n为模型参数，k1为试件顶部和底部动态模量的测试比值。
[0099]
一个具体实施例中，对路面芯样上面层、中面层和下面层试件进行单轴压缩试验，确定n、k及试件底面、中部、顶面的动态模量e
‑
d/2
、e0、e
d/2
；通过公式确定路面上、中、下面层动态模量随深度的变化，从而得到整个沥青面层动态模量随深度的变化趋势。
[0100]
另一个具体实施例中，依托于京港澳高速公路湖北段，其建成通车于2002年，取芯时间为2018年，取芯时路面服役时间为16年，可认为其路肩处芯样的老化时间为16年，路面芯样包括上面层、中面层、下面层，京港澳高速公路湖北段路面结构为，上面层为厚4cm的superpave
‑
12.5型结构，中面层为厚6cm的ac
‑
20i型结构，下面层为厚6cm的ac
‑
20s型结构。实际芯样上、中、下面层3.5cm、5.6cm、5.6cm，各结构层试件尺寸分别为长100mm
×
宽100mm
×
高35mm、56mm、56mm；采用单轴压缩蠕变试验测定在5℃、20℃、35℃下，试件顶面、中部、底面和横向在恒定荷载下应变随时间的变化情况，如图3所示。试件顶面、中部和底面处应变不同，表明沥青路面不同深度处的材料性能不同，其顶面应变最小，底面应变最大，说明试件动态模量在顶面处最大，底面处最小，表明由于非均匀老化现象，试件动态模量沿深度方向非均匀分布，存在模量梯度现象。
[0101]
将各试件顶面、中部、底面、横向应变以及试件转角随加载时间的变化情况采用进行拟合，确定模型参数，从而确定各结构层底面、中部和顶面在0.004rad/s
‑
0.01rad/s范围内的动态模量；根据路面模量梯度推导的结果，可以确定沥青路面上面层、中面层和下面层在各频率下动态模量随深度的变化取曲线，其中0.01rad/s各结构层动态模量的变化公式
为，对于上面层，对于中层面，对于下层面，为获取更广频率范围内的动态模量，采用绘制动态模量主曲线，动态模量主曲线示意图，如图6所示，得到各结构层动态模量主曲线参数，如表1所示；
[0102]
表1
[0103][0104]
在路面设计与评价时，采用20℃、10hz下的动态模量，根据动态模量主曲线，可以确定沥青路面在该频率下的模量梯度情况，如表2所示；
[0105]
表2
[0106][0107]
由表2中相关参数，可以绘制沥青路面在20℃、10hz下动态模量随深度变化趋势，如图所示。通过对沥青路面模量非均性的测试，可以确定沥青路面在老化16年后，上面层、中面层和下面层均存在模量梯度现象，模量梯度示意图，如图7所示。
[0108]
本发明实施例提供了一种沥青路面模量梯度确定装置，其结构框图，如图8所示，所述装置包括试件数据处理模块1、规划求解模块2、动态模量获取模块3及模量梯度确定模块4；
[0109]
所述试件数据处理模块1，用于获取路面芯样试件的横向应变值、竖向应变值及转角，对所述横向应变值、竖向应变值及转角进行拟合，得到拟合公式；
[0110]
所述规划求解模块2，用于通过所述拟合公式对沥青路面模量梯度模型参数、试件顶部和底部动态模量的比值进行规划求解，得到沥青路面模量梯度模型参数、试件顶部和底部动态模量的初始比值；
[0111]
所述动态模量获取模块3，用于根据沥青路面模量梯度模型参数、试件顶部和底部动态模量的初始比值获取动态模量主曲线，根据所述动态模量主曲线获取设定温度及频率条件下的顶面及底面动态模量；
[0112]
所述模量梯度确定模块4，用于根据所述沥青路面模量梯度模型参数、顶面及底面动态模量，获取设定温度及频率条件下的沥青路面模量梯度。
[0113]
本发明实施例提供了一种电子设备，包括存储器和处理器，所述存储器上存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，实现如上述任一实施例所述的包括沥青路面模量梯度确定方法。
[0114]
本发明实施例提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机该程序被处理器执行时，实现如上述任一实施例所述的包括沥青路面模量梯度确定方法。
[0115]
本发明公开了一种沥青路面模量梯度确定方法、装置、电子设备及计算机可读存储介质，通过获取路面芯样试件的横向应变值、竖向应变值及转角，对所述横向应变值、竖向应变值及转角进行拟合，得到拟合公式；通过所述拟合公式对沥青路面模量梯度模型参数、试件顶部和底部动态模量的比值进行规划求解，得到沥青路面模量梯度模型参数、试件顶部和底部动态模量的初始比值；根据沥青路面模量梯度模型参数、试件顶部和底部动态模量的初始比值获取动态模量主曲线，根据所述动态模量主曲线获取设定温度及频率条件下的顶面及底面动态模量；根据所述沥青路面模量梯度模型参数、顶面及底面动态模量，获取设定温度及频率条件下的沥青路面模量梯度；实现了对沥青路面模量梯度的确定。
[0116]
通过本发明技术方案确定的沥青路面模量梯度，可以表征沥青路面长期服役后的非均匀老化现象，通过确定长期老化后路面动态模量的非均匀性能够完善路面评价和设计工作，对道路工程建设具有重大的意义。
[0117]
本领域技术人员可以理解，实现上述实施例方法的全部或部分流程，可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于计算机可读存储介质中。其中，所述计算机可读存储介质为磁盘、光盘、只读存储记忆体或随机存储记忆体等。
[0118]
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。