温度对单轴贯入数值试验方法模型参数的影响

何 岩 苏洪建 蒋应军

（1、许昌市公路事业发展中心，河南 许昌 461670 2、长安大学公路学院，陕西 西安 710064）

数值试验可显著减少室内试验的试验成本和试验时间，在道路工程领域逐渐成为研究热点[1-2]。不少道路研究人员展开了沥青混合料数值试验的相关研究，也得到了大量的成果证明了数值试验的可靠性[3]。

梁何浩等人利用离散元研究了沥青混合料的劈裂强度，构建了沥青混合料劈裂数值试验，研究发现劈裂数值试验得到的变形曲线与室内试验基本一致，具有良好的相关性[4]。常明丰等人借助离散元方法、图像处理技术等研究了间接拉伸数值试验试件内部力链发展，研究表明了沥青混合料间接拉伸数值试验的可靠性以及离散元方法在分析细观机理方面的优势[5]。夏怡等人为了研究沥青混合料空隙率、级配等因素对半圆弯曲强度的影响，建立了半圆弯拉数值试验，并分析了沥青混合料断裂特性以及力链分布[6]。这些研究极大地推动了离散元方法在沥青混合料中的推广。

上述研究均未指出温度对沥青混合料的影响，仅研究了规范方法上的温度。事实上，沥青混合料对温度较为敏感，尤其是在高温条件下[7]。温度的变化在室内试验中体现在试件强度或性能的变化，但在数值试验中，尚未达成统一看法，导致了数值试验结果可靠性降低。同济大学孙立军教授提出了单轴贯入试验来描述高温下沥青路面车辙破坏，以单轴贯入强度为指标评价沥青混合料高温性能，在道路工程领域得到了广泛认可[8-9]。蒋应军等人研究了单轴贯入数值试验的标准试验条件，包括试件尺寸、加载速率和计算时步等，优化了单轴贯入数值试验的模型参数，并分析了单轴贯入数值试验试件内部应变发展过程，验证了在60℃条件下，单轴贯入数值试验的可靠性[10-11]。

因而，温度对沥青混合料的影响在数值试验中尚未得到有效解决，这无疑阻碍了数值试验的应用。基于此，本文基于单轴贯入试验，研究温度对单轴贯入数值试验模型参数的影响，从模型参数的变化解释温度对沥青混合料的影响；此外，结合室内试验验证了数值试验的可靠性。研究成果有望推动数值试验的发展，为构建全温度域的沥青混合料数值试验提供理论基础。

1 原材料与试验方法

1.1 原材料

1.1.1 沥青室内单轴贯入试验采用新加坡埃索A-70#基质沥青，技术指标见表1。

表1 Esso A-70 号基质沥青技术指标

1.1.2 集料

室内单轴贯入试验采用的粗集料为兴达采石场生产的角闪岩，细集料为商洛市正泰矿业有限公司石灰岩机制砂，技术指标分别见表2 和表3。

表2 粗集料技术指标

表3 细集料技术指标

1.1.3 矿料级配

室内试验沥青混合料所采用AC-20 混合料的矿料级配见表4。

表4 AC-20 混合料级配

1.2 单轴贯入试验

为简化三轴试验，并有效的模拟车辆荷载作用下路面的实际受力状态，同济大学的孙立军教授提出了单轴贯入试验，该试验是通过一个压头对沥青混合料试件进行加压，当压头直径和试件直径之比足够小时，就可充分模拟路面的受力状态，室内单轴贯入试验见图1。沥青混合料单轴贯入试验强度按式（1）计算：

图1 室内单轴贯入试验

1.3 单轴贯入数值试验

1.3.1 沥青混合料数值模型

沥青混合料单轴贯入数值试验的数值模型生成过程如下：①软件生成Φ100mm×h100mm 圆柱体试模。②根据每档集料颗粒的总体积与每档集料单个颗粒体积之间的换算关系得到每档集料需要生成的颗粒数目，采用逐级填充的方式，先生成大粒径的粗集料后依次生成小一档的粗集料直至所有颗粒全部生成。在颗粒的生成过程中，为了确保生成的颗粒体积与计算得到的体积相同，避免出现颗粒的生成数少于计算数的情况，本文先将所有颗粒的粒径统一缩小十倍，待全部生成后，再统一放大。③将沥青砂浆的形状定为球形颗粒，出于计算机性能以及计算效率等因素的考量，将沥青砂浆的最小颗粒粒径设为2.36mm，生成紧密接触的布满整个模拟试模内部的粒径为2.36mm 的沥青砂浆颗粒。④粗集料按照级配生成，并与沥青砂浆颗粒模型进行耦合。⑤生成一定数量的粒径为2.36mm 的空隙颗粒以此来模拟空隙，并将其与沥青混合料初步模型进行耦合。

1.3.2 试验过程模拟

在软件中，对实际贯入杆进行模拟，生成尺寸Φ28.5mm×h50mm 的圆柱体状墙体，生成底座。设定贯入压头的速度为1mm/min，当贯入压头接触沥青混合料数值试件表面后，以50 个计算时步为最小记录单位，每50 个计算时步记录一次贯入压头与沥青混合料数值试件接触面的接触力与位移。单轴贯入数值试验见图2。

图2 单轴贯入数值试验

2 不同温度下平行粘结强度值

不同温度下粘结层平行粘结内聚力pb_coh 与平行粘结摩擦角pb_fa，见表5。

表5 不同温度下粘结层pb_coh 与pb_fa

为了研究温度对沥青混合料的影响，需确定不同温度下适宜的pb_ten 值，本文在45℃、30℃和15℃的pb_coh、pb_fa 值下，对沥青混合料进行数值模拟试验，三种温度下pb_ten 值与抗剪强度的关系见图3。其中，由于pb_ten 主要和pb_shear 有关，其它因素对其影响不大，因此，为了便于研究，试验中除pb_coh 与pb_fa 外，均采用60℃温度下的模型参数。

图3 不同温度下平行粘结法向强度pb_ten～抗剪强度关系图

由图3 可知：在60℃、30℃和15℃下的数值试件抗剪强度均随pb_ten 的增大而增大，抗剪强度达到一定值后趋于稳定；温度越低，抗剪强度越大。在60℃、30℃和15℃参数下的抗剪强度曲线，待其平稳后所对应的pb_ten 最小值均与平行粘结内聚力pb_coh 大小相当，故建议平行粘结法向强度pb_ten 与平行粘结内聚力pb_coh 取值相等。因此，确定不同温度下数值试件平行粘结法向强度pb_ten 数值大小，见表6。

表6 不同温度下沥青混合料的pb_ten 值

3 不同温度下沥青砂浆刚度和粘结层平行粘结刚度

计算不同沥青砂浆刚度大小下的粘结层平行粘结刚度，得到单轴贯入数值试验的应力～应变曲线，结合室内试验的单轴贯入曲线，最终确定不同温度下合适的沥青砂浆刚度和粘结层平行粘结刚度，结果见表7。

表7 不同温度下沥青砂浆刚度参数大小

4 数值试验可靠性

为了验证本文研究参数的准确性，进行单轴贯入数值试验，测定沥青混合料数值试件的抗剪强度，并与室内试验数据作对比分析，结果见表8。

表8 不同温度下室内试验与模拟试验抗剪强度对比

由表8 可知，不同温度下模拟抗剪强度值与实际抗剪强度值的误差均较小，证明了参数选择的合理性。

5 结论

5.1 本文构建了单轴贯入数值试验，研究了不同温度下单轴贯入数值试验中平行粘结强度、沥青砂浆刚度和粘结层平行粘结刚度的变化规律，温度的升高会降低平行粘结强度和沥青砂浆刚度，但对粘结层平行粘结刚度有提升作用。

5.2 结合室内试验验证了不同温度单轴贯入数值试验的可靠性，误差＜5%。