基于改进遗传算法的公路沥青...凝土路面黏弹性损伤演化模拟_陈晋华.pdf

第 37 卷第 1 期粉 煤 灰 综 合 利 用Vol37No12023 年2 月FLY ASH COMPEHENSIVE UTILIZATIONFeb.2023道桥技术基于改进遗传算法的公路沥青混凝土路面黏弹性损伤演化模拟Viscoelastic Damage Evolution Simulation of Highway Asphalt Concrete Pavement based on Improved Genetic Algorithm陈晋华(福建船政交通职业学院，福建 福州 350007)摘要:沥青混凝土路面在低温状态下会有明显的开裂现象，一旦公路路面上出现裂缝，路面就会逐渐损坏，影响道路的平稳性与舒适性。为降低公路维护成本，基于改进遗传算法对公路沥青混凝土路面黏弹性损伤进行演化模拟。建立沥青混凝土路面结构模型，依据弹性柔量与摩擦系数的关系得到路面各层级之间的空间特征;基于改进遗传算法计算路面黏弹性损伤荷载，划定初始损伤与断裂区域的应力总值，计算路面黏弹性损伤荷载;设定路面损伤在环境温度以及各层级间相对位移量的边界条件，得到路面损伤模拟分析的方法。由试验数据可知:温度越低，路面的应力作用越大，且裂缝的长度与路面正应力成正比。关键词:改进遗传算法;公路路面;沥青混凝土路面;路面黏弹性;路面损伤;演化模拟中图分类号:U416.217文献标志码:A文章编号:10058249(2023)01012606DOI:1019860/jcnkiissn10058249202301022CHEN Jinhua(Fujian Chuanzheng Communications College，Fuzhou 350007，China)Abstract:Asphalt concrete pavement will have obvious cracking under low temperature.Once cracks appear on the highway pavement，the pavement will be gradually damaged，affecting the stability and comfort of the road.In order to reduce the cost of highwaymaintenance，the viscoelastic damage of highway asphalt concrete pavement is simulated based on improved genetic algorithm.Thestructural model of asphalt concrete pavement is established，and the spatial characteristics of each level of pavement are obtainedaccording to the relationship between elastic compliance and friction coefficient;based on the improved genetic algorithm，theviscoelastic damage load of pavement is calculated，the total stress of initial damage and fracture area is delimited，and the viscoelasticdamage load of pavement is calculated;The boundary conditions of pavement damage at ambient temperature and relative displacementbetween levels are set，and the method of pavement damage simulation analysis is obtained.According to the experimental data，thelower the temperature is，the greater the stress effect of the pavement is，and the length of the crack is directly proportional to the normalstress of the pavement.Keywords:improved genetic algorithm;highway pavement;asphalt concrete pavement;pavement viscoelasticity;pavement damage;evolution simulation作者简介:陈晋华(1972)，女，硕士，副教授，主要研究方向:再生混凝土材料，公路工程施工技术、公路建筑材料等。收稿日期:202203100引言截至 2021 年底，国家综合立体交通网主骨架已建成 25.1 万 km，约占规划里程的 86%。为保证高速公路具备舒适、平稳、耐久、抗滑的特点，1 期陈晋华:基于改进遗传算法的公路沥青混凝土路面黏弹性损伤演化模拟127道桥技术我国的大部分路面施工均使用沥青混凝土作为主要材料，这种路面施工方法大约占据了总公路的75%以上。但是沥青混凝土路面在北方的低温天气下存在低温开裂的风险，环境温度越低，路面所受到的应力作用就越明显12。且一旦开始出现第一条裂缝，第二年就会陆续出现更多的裂缝，最终的裂缝率能够达到 65%。因此，沥青混凝土路面上裂缝的产生，往往直接标志着路面损坏的开端，在雨水通过裂缝渗透到下方的路面基层后，道路的平稳性和舒适性就会受到影响。一般情况下，路面的平均寿命为 15 年左右，但是很多北方的公路往往在第 3 年就会存在大量裂缝，需要不断养护与维修，这间接提高了公路的建设成本，在一些极端寒冷的区域，道路的养护成本甚至约等于道路的建设成本34。为减少路面维护成本，提高公路的使用寿命，提高公路投资效益，采用模拟分析的方法，探究沥青混凝土路面的黏弹性损伤发生机理，研究沥青混凝土路面在低温作用下的开裂过程，对公路沥青混凝土路面应力松弛特性进行分析与总结。1基于改进遗传算法的公路沥青混凝土路面黏弹性损伤演化模拟分析1.1建立沥青混凝土路面结构模型采用仿真演化模拟的方法对沥青混凝土路面的结构模型，以及其黏弹性损伤进行分析5。首先建立沥青混凝土路面的结构模型，在微分本构理论中，模型在受到压迫后的松弛模量可以表示为:W urf，tp()=np=1Wp exp tpurf()(1)式中:W urf，tp()为沥青混凝土路面结构的松弛系数，其中 urf为当前的环境温度，tp为路面受力时间;Wp为黏弹性耦合的应力损伤因子。在这样的强度下，沥青与混凝土之间同样会存在一定的接触应力，其 在 剪 应 力 下 的 相 对 位 移 可 以 表示为:Xij=xspFk(2)式中:Xij为沥青面与混凝土面在剪应力下的相对位移量;xsp为相邻的上下两层间水平位移的总量;Fk为接触面上的应力67。在两个层面之间还需要注意标准状态下的剪切弹簧柔性与摩擦经典系数的连续变换能力，并在无量纲的前提下，建立弹性柔量与摩擦系数之间的关系式:f k()=ni=1，j=1XijviXij+1+viEfhz(3)式中:f k()为弹性柔量与摩擦系数之间的关系式;vi为两个结构层之间的泊松比;Ef为上层路面与下层路面的弹性模量;hz为不同公路层间无量纲的摩擦半径8。结合一些具备较强抗压能力以及抗剪强度的过渡层路面，在一定的荷载作用下可以传递应力与变故的拓展项，同时针对现有的荷载分布，实现公路沥青混凝土路面的点位基础定位，此时路面各层级之间的空间特征为:Z1f=p1=Z2f=p2D1f=p1=D2f=p2D1f=p1=kXijS1f=p1=S2f=p2(4)式中:Z1、Z2分别为面层与基层的竖向应力;D1、D2分别为面层层底与基层层顶的剪应力;S1、S2分别为面层与基层竖向位移量;p1、p2分别为面层与基层的相对厚度;k为不同路面层级间的黏弹性系数910。结合以上公式，可以得到沥青混凝土路面结构模型。1.2基于改进遗传算法计算路面黏弹性损伤荷载温度场在不同时间段内的温度变化很难准确描述，在不同的路面结构中，其温差主要包括沥青土层、混凝土土层，以及其他的基层土层11。将改进遗传算法作为个体编码长度的标准，引入两个路面损伤荷载的个体基因，此时不同结构的路面温差可以表示为:128粉煤灰综合利用37 卷道桥技术Tibi，hi()=P1eb1h1P2eb2h2P3eb3h3Piebihi(5)式中:Ti为当前的地表环境温度;Pi为两个路层之间的温差;bi为温差与路面第 i 层深度的控制因子;hi为第 i 层的路面厚度1213。在不同的温度下，初始损伤区与断裂区也存在一定的差异，二者之间的分布如图 1 所示。图 1初始损伤与断裂区域示意图Fig.1Schematic diagram of initial damage and fracture area如图 1 所示，初始断裂区域内的应力与应变损伤的种群适应度可以表示为:p=1+viTei 1 Fd()2(6)式中:p为初始断裂区域内的应力与应变损伤的种群适应度;vi为种群交叉遗传的速度;Te为种群进化时间;i为种群规模;Fd为个体的编码长度。通过该公式，可以获得更好的路面黏弹性损伤选择因子，在这样的条件下，损伤发生时路面受到的应力变化可以通过式(7)来确定:p=1()2+2()2+i()2(7)式中:p为损伤发生时路面受到的应力总值;i为损伤发生时的 i 个主应变。通过该公式可以进一步计算损伤荷载为:Dh=2i2k3(8)式中:Dh为路面黏弹性损伤荷载;i为第 i 条裂缝下的断裂区损伤因子;k为裂纹的损伤应变14。通过以上公式，得到路面黏弹性损伤荷载应力。1.3设定路面损伤边界条件由于公路沥青混凝土路面的黏弹性对温度具备较强的依赖性，获取该路面损伤演化模拟方式的边界条件:lg yi=fc1t0 t1()fc2+t0 t1(9)式中:yi为路面损伤模拟仿真中的最低温度界限;fc1、fc2分别为路面黏弹性损伤常数;t0为试验过程中的恒定温度;t1为沥青混凝土玻璃态的转化温度。同时约束低温区对于沥青混凝土的水平位移量，其边界条件为:xij=expHkp1t01t1()(10)式中:xij为路面不同层面间水平位移的最大边界;Hk为材料活化参数;p为路面不同层级间剪切模量的总应力15。通过以上两个公式，可以对损伤演化模型中的仿真分析划定边界条件。2仿真模拟2.1混凝土路面裂缝模型通过上文中设计的基于改进遗传算法的公路沥青混凝土路面黏弹性损伤演化模拟方法，可以建立仿真分析模型。首先设定路面的表面裂缝模型以及其损伤结构参数，如图 2 所示。图 2路面裂缝模型Fig.2Pavement crack model由图 2 可知，其最上层为三层沥青，第一层沥青有 4 cm，第二层沥青为 5 cm，第三层沥青为1 期陈晋华:基于改进遗传算法的公路沥青混凝土路面黏弹性损伤演化模拟129道桥技术6 cm，共有沥青基面 15 cm。下面是水稳砂砾和天然砂砾，分别为 20 和 25 cm，最下面一层为天然土基，厚度随本地土层情况而定。将图中的裂缝作为初始裂缝，分别为 3 和 8 cm，且只触及到在第一层沥青和第二层沥青。2.2温度作用下路面黏弹性损伤特性分析温度过低会对沥青混凝土构成的路面造成缝隙损伤，因此在本次仿真分析中分别就5、10、15、20 的温度对路面裂缝深度进行研究。4 种温度下初始裂缝相对于垂直方向的正应力如图 3 所示。(a)初始裂缝为 3 cm(b)初始裂缝为 8 cm图 3裂缝所受应力变化曲线Fig.3Curve of stress on crack由图 3 可知，两道