一种基于误差分析的沥青混合料双模量本构模型

本发明涉及一种沥青混合料本构模型，具体涉及一种基于误差分析的沥青混合料双模量本构模型，属于道路工程。

背景技术：

1、现阶段我国沥青路面结构设计时采用的是线弹性本构关系，计算时各层材料均采用抗压回弹模量，然而经大量研究表明，大部分材料在受拉与受压时的弹性模量差别较大，路用沥青混合料及水泥稳定类混合料等路用材料同样表现出拉压模量不等的性质，且一般抗压模量大于抗拉模量，该特性会导致材料的本构关系从线弹性变为非线性的双模量本构关系。此外，路面在荷载作用下存在拉应力区与压应力区，因此在进行路面力学计算时简单地应用较大的抗压回弹模量作为材料的统一模量，将导致我们的计算结果存在较大误差或高估设计路面的性能。

2、有人总结了双模量理论的基本概念和假设，并推导了广义弹性定律，建立了基于拉压模量差异的本构理论；有人给出了拉压不同模量材料统一的本构关系和能量表达式，进而发展了系列变分原理和界限理论，并提出了求解拉压不同模量问题的切线本构算法；有人将双模量理论应用于路面结构计算中，对典型沥青路面结构进行了力学分析，结果表明分别采用抗压模量及双模量作为材料的刚度参数进行结构计算的力学响应之间的差距可达50％以上。

3、虽然国内外学者已对双模量理论开展大量研究并建立了沥青路面双模量理论计算方法，但是在基于路面材料拉压不同特性的双模量本构模型研究领域依然存在空白，致使基于双模量理论的路面结构计算准确度大幅降低。

4、因此如何解决现行沥青路面结构设计中所采用的线弹性本构关系与材料实际所处的非线性双模量本构关系的不匹配性问题是本领域技术人员亟需解决的问题。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种基于误差分析的沥青混合料双模量本构模型，该模型基于误差分析与多功能材料测试系统进行一维应力状态下的力学参数测试，并根据复杂应力状态下可能出现的不同应力组合，利用真三轴测试系统开展复杂应力状态下的力学参数测试，通过复杂不同受力状态下的应力应变数据，对各类型双模量本构模型进行对比分析，得到复杂受力状态下沥青混合料最佳判别法则及其对应的考虑拉压特性差异的最优双模量本构模型。

2、为了实现上述技术目的，本发明提供了一种基于误差分析的沥青混合料双模量本构模型，所述评价方法具体包括如下步骤：

3、步骤s1：按照《公路工程沥青及混合料试验规程》(jtg e20-2011)试验要求，制备长方体沥青混合料试件，备用；

4、步骤s2：将步骤s1所得试件恒温调整后分别进行一维应力状态和的多维应力组合状态下的力学测试，并通过外联应力应变采集仪采集力学数据；

5、步骤s3：根据步骤s2所得一维应力状态力学数据，基于力学原理构建主应力与主应变判别法则下的试探本构模型；

6、步骤s4：将步骤s2所得多维应力组合状态下的力学数据，基于误差分析方法得到多维应力组合状态下的沥青混合料最佳判别法则及其对应的最优双模量本构模型。

7、作为一项优选的方案，所述一维应力状态的力学测试通过多功能材料测试系统进行。

8、作为一项优选的方案，所述多维应力组合状态下的力学测试通过真三轴测试系统进行。

9、作为一项优选的方案，所述力学测试主要包括：直接拉伸强度、无侧限抗压强度、模量和泊松比测试。

10、作为一项优选的方案，所述沥青混合料试件在进行力学测试之前还需进行保温处理，其条件为：温度为15～20℃，保温时间为4～5h。

11、作为一项优选的方案，所述一维应力状态的力学测试方法采用控制模式为应力控制模式，其条件为：试验温度为15～20℃，加载速度为0.03～0.06mpa/s。

12、作为一项优选的方案，所述主应力判别法则下的试探双模量本构模型包括：

13、s3-1试探本构方程1

14、

15、s3-2试探本构方程2

16、当σα＞0，σβ＜0时，本构模型为：

17、

18、当σα＞0，σβ＞0或σα＜0，σβ＜0时，试探本构方程2可回退到试探本构方程1；

19、s3-3试探本构方程3

20、当σα＞0，σβ＞0或σα＜0，σβ＜0时，本构模型为：

21、

22、当σα＞0，σβ＜0时，本构模型为：

23、

24、其中：εα、εβ为主应变；σα、σβ为主应力；模量e和泊松比μ由各自对应相乘的主应力正负性质确定，若σα＞0，则模量eα和泊松比μα取et及μt，反之取ec及μc；受拉时取拉模量et及拉泊松比μt，受压时取压模量ec及压泊松比μc；其中，et为拉模量，ec为压模量，μt为拉泊松比，μc为压泊松比；μ＝(μc+μt)/2。

25、作为一项优选的方案，所述主应变判别法则下的试探双模量本构模型包括：

26、s3-4试探本构方程4

27、当εα＞0，εβ＞0或εα＜0，εβ＜0时，本构模型为：

28、

29、当εα＞0，εβ＜0时，本构模型为：

30、

31、s3-5试探本构模型5

32、当σα＞0，σβ＞0或σα＜0，σβ＜0时，试探本构模型5可回退到试探本构模型4。

33、当εα＞0，εβ＜0时，本构模型为：

34、

35、式中：

36、s3-6试探本构模型6

37、当εα＞0，εβ＞0或εα＜0，εβ＜0时，本构模型为：

38、

39、当εα＞0，εβ＜0时，本构模型为：

40、

41、作为一项优选的方案，所述多维应力组合状态包括：两向受拉、两向受压和一向受压一向受压。

42、作为一项优选的方案，所述误差分析方法为：

43、s4-1将多维应力组合状态中各一维应力状态力学数据代入试探双模量本构模型；

44、s4-2根据相对误差计算公式得到各维应力方向下计算应变与实测应变相对误差；

45、s4-3根据相对误差计算公式得到各维应力方向下计算应力与实测应力相对误差；

46、所述相对误差计算公式为：

47、

48、作为一项优选的方案，所述最优双模量本构模型的筛选过程为：

49、s4-4综合对比各判别法则下各维应力方向的相对误差，优选出最优试探本构方程；

50、s4-5以主应力判别法则下最优本构模型的计算应变与实测应变数据的误差值为x轴，以主应变判别法则下最优本构模型的计算应力与实测应力数据的误差值为y轴，绘制散点图，综合评价得出沥青混合料最优拉压属性判别准则及其对应的双模量本构模型。

51、相对于现有技术，本发明技术方案的有益技术效果为：

52、1)本发明所提供的双模量本构模型，基于误差分析与多功能材料测试系统进行一维应力状态下的力学参数测试，并根据复杂应力状态下可能出现的不同应力组合，利用真三轴测试系统开展复杂应力状态下的力学参数测试，通过复杂不同受力状态下的应力应变数据，对各类型双模量本构模型进行对比分析，得到复杂受力状态下沥青混合料最佳判别法则及其对应的考虑拉压特性差异的最优双模量本构模型。

53、2)本发明所提供的技术方案中，有效解决了现行沥青路面结构设计中所采用的线弹性本构关系与材料实际所受的复杂真实应力特性不匹配问题，并基于误差分析确定了沥青混合料最优拉压性质判别准则及其对应的考虑拉压差异的双模量本构模型，使得沥青混合料的本构力学参数选取更加科学合理，路面结构设计更加精准科学，进而为考虑材料拉压不同力学特性的双模量路面结构体系发展提供参考。