溫度對(duì)單軸貫入數(shù)值試驗(yàn)方法模型參數(shù)的影響

何 巖 蘇洪建 蔣應(yīng)軍

（1、許昌市公路事業(yè)發(fā)展中心，河南 許昌 461670 2、長(zhǎng)安大學(xué)公路學(xué)院，陜西 西安 710064）

數(shù)值試驗(yàn)可顯著減少室內(nèi)試驗(yàn)的試驗(yàn)成本和試驗(yàn)時(shí)間，在道路工程領(lǐng)域逐漸成為研究熱點(diǎn)[1-2]。不少道路研究人員展開了瀝青混合料數(shù)值試驗(yàn)的相關(guān)研究，也得到了大量的成果證明了數(shù)值試驗(yàn)的可靠性[3]。

梁何浩等人利用離散元研究了瀝青混合料的劈裂強(qiáng)度，構(gòu)建了瀝青混合料劈裂數(shù)值試驗(yàn)，研究發(fā)現(xiàn)劈裂數(shù)值試驗(yàn)得到的變形曲線與室內(nèi)試驗(yàn)基本一致，具有良好的相關(guān)性[4]。常明豐等人借助離散元方法、圖像處理技術(shù)等研究了間接拉伸數(shù)值試驗(yàn)試件內(nèi)部力鏈發(fā)展，研究表明了瀝青混合料間接拉伸數(shù)值試驗(yàn)的可靠性以及離散元方法在分析細(xì)觀機(jī)理方面的優(yōu)勢(shì)[5]。夏怡等人為了研究瀝青混合料空隙率、級(jí)配等因素對(duì)半圓彎曲強(qiáng)度的影響，建立了半圓彎拉數(shù)值試驗(yàn)，并分析了瀝青混合料斷裂特性以及力鏈分布[6]。這些研究極大地推動(dòng)了離散元方法在瀝青混合料中的推廣。

上述研究均未指出溫度對(duì)瀝青混合料的影響，僅研究了規(guī)范方法上的溫度。事實(shí)上，瀝青混合料對(duì)溫度較為敏感，尤其是在高溫條件下[7]。溫度的變化在室內(nèi)試驗(yàn)中體現(xiàn)在試件強(qiáng)度或性能的變化，但在數(shù)值試驗(yàn)中，尚未達(dá)成統(tǒng)一看法，導(dǎo)致了數(shù)值試驗(yàn)結(jié)果可靠性降低。同濟(jì)大學(xué)孫立軍教授提出了單軸貫入試驗(yàn)來(lái)描述高溫下瀝青路面車轍破壞，以單軸貫入強(qiáng)度為指標(biāo)評(píng)價(jià)瀝青混合料高溫性能，在道路工程領(lǐng)域得到了廣泛認(rèn)可[8-9]。蔣應(yīng)軍等人研究了單軸貫入數(shù)值試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)條件，包括試件尺寸、加載速率和計(jì)算時(shí)步等，優(yōu)化了單軸貫入數(shù)值試驗(yàn)的模型參數(shù)，并分析了單軸貫入數(shù)值試驗(yàn)試件內(nèi)部應(yīng)變發(fā)展過(guò)程，驗(yàn)證了在60℃條件下，單軸貫入數(shù)值試驗(yàn)的可靠性[10-11]。

因而，溫度對(duì)瀝青混合料的影響在數(shù)值試驗(yàn)中尚未得到有效解決，這無(wú)疑阻礙了數(shù)值試驗(yàn)的應(yīng)用。基于此，本文基于單軸貫入試驗(yàn)，研究溫度對(duì)單軸貫入數(shù)值試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛥?shù)的影響，從模型參數(shù)的變化解釋溫度對(duì)瀝青混合料的影響；此外，結(jié)合室內(nèi)試驗(yàn)驗(yàn)證了數(shù)值試驗(yàn)的可靠性。研究成果有望推動(dòng)數(shù)值試驗(yàn)的發(fā)展，為構(gòu)建全溫度域的瀝青混合料數(shù)值試驗(yàn)提供理論基礎(chǔ)。

1 原材料與試驗(yàn)方法

1.1 原材料

1.1.1 瀝青室內(nèi)單軸貫入試驗(yàn)采用新加坡埃索A-70#基質(zhì)瀝青，技術(shù)指標(biāo)見表1。

表1 Esso A-70 號(hào)基質(zhì)瀝青技術(shù)指標(biāo)

1.1.2 集料

室內(nèi)單軸貫入試驗(yàn)采用的粗集料為興達(dá)采石場(chǎng)生產(chǎn)的角閃巖，細(xì)集料為商洛市正泰礦業(yè)有限公司石灰?guī)r機(jī)制砂，技術(shù)指標(biāo)分別見表2 和表3。

表2 粗集料技術(shù)指標(biāo)

表3 細(xì)集料技術(shù)指標(biāo)

1.1.3 礦料級(jí)配

室內(nèi)試驗(yàn)瀝青混合料所采用AC-20 混合料的礦料級(jí)配見表4。

表4 AC-20 混合料級(jí)配

1.2 單軸貫入試驗(yàn)

為簡(jiǎn)化三軸試驗(yàn)，并有效的模擬車輛荷載作用下路面的實(shí)際受力狀態(tài)，同濟(jì)大學(xué)的孫立軍教授提出了單軸貫入試驗(yàn)，該試驗(yàn)是通過(guò)一個(gè)壓頭對(duì)瀝青混合料試件進(jìn)行加壓，當(dāng)壓頭直徑和試件直徑之比足夠小時(shí)，就可充分模擬路面的受力狀態(tài)，室內(nèi)單軸貫入試驗(yàn)見圖1。瀝青混合料單軸貫入試驗(yàn)強(qiáng)度按式（1）計(jì)算：

圖1 室內(nèi)單軸貫入試驗(yàn)

1.3 單軸貫入數(shù)值試驗(yàn)

1.3.1 瀝青混合料數(shù)值模型

瀝青混合料單軸貫入數(shù)值試驗(yàn)的數(shù)值模型生成過(guò)程如下：①軟件生成Φ100mm×h100mm 圓柱體試模。②根據(jù)每檔集料顆粒的總體積與每檔集料單個(gè)顆粒體積之間的換算關(guān)系得到每檔集料需要生成的顆粒數(shù)目，采用逐級(jí)填充的方式，先生成大粒徑的粗集料后依次生成小一檔的粗集料直至所有顆粒全部生成。在顆粒的生成過(guò)程中，為了確保生成的顆粒體積與計(jì)算得到的體積相同，避免出現(xiàn)顆粒的生成數(shù)少于計(jì)算數(shù)的情況，本文先將所有顆粒的粒徑統(tǒng)一縮小十倍，待全部生成后，再統(tǒng)一放大。③將瀝青砂漿的形狀定為球形顆粒，出于計(jì)算機(jī)性能以及計(jì)算效率等因素的考量，將瀝青砂漿的最小顆粒粒徑設(shè)為2.36mm，生成緊密接觸的布滿整個(gè)模擬試模內(nèi)部的粒徑為2.36mm 的瀝青砂漿顆粒。④粗集料按照級(jí)配生成，并與瀝青砂漿顆粒模型進(jìn)行耦合。⑤生成一定數(shù)量的粒徑為2.36mm 的空隙顆粒以此來(lái)模擬空隙，并將其與瀝青混合料初步模型進(jìn)行耦合。

1.3.2 試驗(yàn)過(guò)程模擬

在軟件中，對(duì)實(shí)際貫入桿進(jìn)行模擬，生成尺寸Φ28.5mm×h50mm 的圓柱體狀墻體，生成底座。設(shè)定貫入壓頭的速度為1mm/min，當(dāng)貫入壓頭接觸瀝青混合料數(shù)值試件表面后，以50 個(gè)計(jì)算時(shí)步為最小記錄單位，每50 個(gè)計(jì)算時(shí)步記錄一次貫入壓頭與瀝青混合料數(shù)值試件接觸面的接觸力與位移。單軸貫入數(shù)值試驗(yàn)見圖2。

圖2 單軸貫入數(shù)值試驗(yàn)

2 不同溫度下平行粘結(jié)強(qiáng)度值

不同溫度下粘結(jié)層平行粘結(jié)內(nèi)聚力pb_coh 與平行粘結(jié)摩擦角pb_fa，見表5。

表5 不同溫度下粘結(jié)層pb_coh 與pb_fa

為了研究溫度對(duì)瀝青混合料的影響，需確定不同溫度下適宜的pb_ten 值，本文在45℃、30℃和15℃的pb_coh、pb_fa 值下，對(duì)瀝青混合料進(jìn)行數(shù)值模擬試驗(yàn)，三種溫度下pb_ten 值與抗剪強(qiáng)度的關(guān)系見圖3。其中，由于pb_ten 主要和pb_shear 有關(guān)，其它因素對(duì)其影響不大，因此，為了便于研究，試驗(yàn)中除pb_coh 與pb_fa 外，均采用60℃溫度下的模型參數(shù)。

圖3 不同溫度下平行粘結(jié)法向強(qiáng)度pb_ten～抗剪強(qiáng)度關(guān)系圖

由圖3 可知：在60℃、30℃和15℃下的數(shù)值試件抗剪強(qiáng)度均隨pb_ten 的增大而增大，抗剪強(qiáng)度達(dá)到一定值后趨于穩(wěn)定；溫度越低，抗剪強(qiáng)度越大。在60℃、30℃和15℃參數(shù)下的抗剪強(qiáng)度曲線，待其平穩(wěn)后所對(duì)應(yīng)的pb_ten 最小值均與平行粘結(jié)內(nèi)聚力pb_coh 大小相當(dāng)，故建議平行粘結(jié)法向強(qiáng)度pb_ten 與平行粘結(jié)內(nèi)聚力pb_coh 取值相等。因此，確定不同溫度下數(shù)值試件平行粘結(jié)法向強(qiáng)度pb_ten 數(shù)值大小，見表6。

表6 不同溫度下瀝青混合料的pb_ten 值

3 不同溫度下瀝青砂漿剛度和粘結(jié)層平行粘結(jié)剛度

計(jì)算不同瀝青砂漿剛度大小下的粘結(jié)層平行粘結(jié)剛度，得到單軸貫入數(shù)值試驗(yàn)的應(yīng)力～應(yīng)變曲線，結(jié)合室內(nèi)試驗(yàn)的單軸貫入曲線，最終確定不同溫度下合適的瀝青砂漿剛度和粘結(jié)層平行粘結(jié)剛度，結(jié)果見表7。

表7 不同溫度下瀝青砂漿剛度參數(shù)大小

4 數(shù)值試驗(yàn)可靠性

為了驗(yàn)證本文研究參數(shù)的準(zhǔn)確性，進(jìn)行單軸貫入數(shù)值試驗(yàn)，測(cè)定瀝青混合料數(shù)值試件的抗剪強(qiáng)度，并與室內(nèi)試驗(yàn)數(shù)據(jù)作對(duì)比分析，結(jié)果見表8。

表8 不同溫度下室內(nèi)試驗(yàn)與模擬試驗(yàn)抗剪強(qiáng)度對(duì)比

由表8 可知，不同溫度下模擬抗剪強(qiáng)度值與實(shí)際抗剪強(qiáng)度值的誤差均較小，證明了參數(shù)選擇的合理性。

5 結(jié)論

5.1 本文構(gòu)建了單軸貫入數(shù)值試驗(yàn)，研究了不同溫度下單軸貫入數(shù)值試驗(yàn)中平行粘結(jié)強(qiáng)度、瀝青砂漿剛度和粘結(jié)層平行粘結(jié)剛度的變化規(guī)律，溫度的升高會(huì)降低平行粘結(jié)強(qiáng)度和瀝青砂漿剛度，但對(duì)粘結(jié)層平行粘結(jié)剛度有提升作用。

5.2 結(jié)合室內(nèi)試驗(yàn)驗(yàn)證了不同溫度單軸貫入數(shù)值試驗(yàn)的可靠性，誤差＜5%。