基于细观力学特性的沥青混合料粗集料级配设计方法、计算机设备及存储介质与流程

本发明涉及沥青混合料领域，尤其涉及一种基于细观力学特性的沥青混合料粗集料级配设计方法、计算机设备及存储介质。

背景技术：

1、沥青混合料级配直接关乎其路用性能。级配太细，高温下易出现流动变形，进而演化为车辙病害；级配太粗，空隙率大，施工过程中不仅易离析，且后期使用易出现水损病害。因此，最佳的设计级配应具备优异的力学性能，应根据力学性能来进行级配设计。

2、然而，目前级配设计主要是根据体积指标或者经验开展设计工作，主要分为以下几种：

3、一、采用cavf法设计。cavf法的基本思路是使沥青胶浆作为填料填充主骨料的空隙，使细集料体积、沥青体积、矿粉体积及设计混合料空隙体积之和等于实测的主骨架的空隙体积。其理念在于主骨料发挥嵌挤作用，细集料发挥填充作用，粗集料的各档比例通过不同掺量的紧装密度来确定，默认为紧装密度最大，嵌挤最优。其缺点在于：（1）紧装密度试验重复性误差大；（2）紧装密度大，不代表嵌挤效果最好；（3）该法实为利用体积法来设计，设计的级配力学性能是否最优，值得商榷。

4、二、采用贝雷法设计。贝雷法以干涉理论为理论基础，采用平面圆模型假设，认为下一级集料的最大粒径不能对上一级颗粒集合体产生干涉，其通过控制粗集料与细集料关键筛孔尺寸的通过百分率比例关系，使矿料级配获得良好的骨架结构。其缺点在于：（1）平面圆假设与三维立体集料颗粒相差甚远，设计结果存在较大偏差；（2）只适用于连续级配；（3）没有考虑矿粉的体积填充影响。

5、三、采用马歇尔法设计。马歇尔法设计的核心是体积指标，在给定级配范围内找到一条满足体积参数要求的级配曲线。其缺点在于：（1）级配曲线不唯一，级配范围内满足体积参数要求的级配曲线有若干条，因此，选择级配曲线的主观性强；（2）满足体积指标的级配曲线设计得到的沥青混合料路用性能不一定最优异，体积指标与路用性能相关性待商榷。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题在于，提供一种沥青混合料级配的设计方法、计算机设备及存储介质，其与路用性能相关性强，所设计的级配力学性能优异。

2、为了解决本发明的技术问题，本发明提供了一种基于细观力学特性的沥青混合料粗集料级配设计方法，其包括：

3、构建不同级配比例的粗集料的堆积模型；所述堆积模型包括第一粗集料集合体，设于第一粗集料集合体的轴向端的第一刚性墙体和设于第一粗集料集合体径向外围的第二刚性墙体；

4、将第二刚性墙体替代为柔性围压墙体，并根据预设的接触刚度将所述堆积模型伺服至预设的目标空隙率，去除第一刚性墙体，得到三维离散元模型；所述三维离散元模型包括第二粗集料集合体和柔性围压墙体，所述柔性围压墙体由多个球形颗粒组成，每个球形颗粒均可在径向方向传递压力；

5、向所述三维离散元模型施加预设径向荷载和预设轴向荷载，得到力学响应模型；所述力学响应模型中的粗集料颗粒在径向荷载和轴向荷载的作用下形成多个接触，提取各接触的法向向量；

6、根据所述法向向量构建表征各主轴方向上的异性程度的主轴异性系数；

7、根据第二粗集料集合体的主轴异性系数与其在预设轴向荷载和径向荷载下的轴向应变的关系确定各档粗集料的最优级配，并以最优级配合成粗集料混合物。

8、作为上述技术方案的改进，所述根据所述法向向量构建表征各主轴方向上的异性程度的主轴异性系数的步骤包括；

9、提取第二粗集料集合体在局部坐标系下每个接触的法向向量在x、y、z三个方向的投影大小；

10、构建存储组构张量的变量，并构造组构张量矩阵；

11、根据组构张量矩阵构建二阶结构张量矩阵；

12、根据二阶结构张量矩阵构建主轴异性系数。

13、作为上述技术方案的改进，所述组构张量矩阵如下：

14、

15、所述组构张量矩阵中各参数的计算方法如下：

16、

17、

18、

19、

20、

21、

22、其中，为第二粗集料集合体的组构张量，、、、、、、、、均为存储组构张量的变量，tensor1、tensor2、tensor3、tensor4、tensor5、tensor6均为存储变量，为表征法向向量在x方向的投影长度的变量，为表征法向向量在y方向的投影长度的变量，为表征法向向量在z方向的投影长度的变量，为力学响应模型中粗集料颗粒的总接触数；

23、所述二阶结构张量矩阵如下：

24、

25、其中，为第二粗集料集合体的二阶结构张量、、、、、、、、均为存储组构张量的变量，λ2为第二常数；

26、其中，主轴异性系数根据下述公式组计算：

27、

28、

29、

30、其中，p为主轴异性系数， x1、 x2、 x3为一元三次方程的三个实数根，a、b、c为一元三次方程的系数，为一元三次方程的实数根的最小值，为一元三次方程的实数根的最大值；

31、其中，a、b、c根据下述公式组计算：

32、

33、

34、

35、

36、

37、

38、

39、

40、

41、

42、

43、

44、

45、

46、

47、其中，a、b、c为一元三次方程的系数，、、、、、、、、、、、均为第一中间系数，λ2为第二常数。

48、作为上述技术方案的改进，所述向所述三维离散元模型施加预设径向荷载和预设轴向荷载，得到力学响应模型；所述力学响应模型中的粗集料颗粒在径向荷载和轴向荷载的作用下形成多个接触，提取各接触的法向向量的步骤还包括提取各接触之间的接触运动系数；所述接触运动系数包括单滑动系数、单滚动系数、滑滚复合系数和非运动系数；

49、所述根据所述法向向量构建表征各主轴方向上的异性程度的主轴异性系数的步骤还包括根据所述接触运动系数构建冗余比的步骤；

50、所述根据第二粗集料集合体的主轴异性系数与其在预设轴向荷载和径向荷载下的轴向应变的关系确定各档粗集料的最优级配，并以最优级配合成粗集料混合物的步骤包括根据第二粗集料集合体的主轴异性系数、冗余比与其在预设轴向荷载和径向荷载下的轴向应变的关系确定各档粗集料的最优级配，并以最优级配合成粗集料混合物。

51、作为上述技术方案的改进，所述冗余比根据下述公式组计算：

52、

53、

54、

55、

56、

57、其中，为第二粗集料集合体的冗余比，为第二粗集料集合体的单滑动系数，为第二粗集料集合体的单滚动系数，为第二粗集料集合体的滑滚复合系数，为第二粗集料集合体的非运动系数，为第c个接触的单滚动系数，为第c个接触的单滑动系数，为第c个接触的滑滚复合系数，为第c个接触的非运动系数，为力学响应模型中粗集料颗粒的总接触数。

58、作为上述技术方案的改进，所述向所述三维离散元模型施加预设径向荷载和预设轴向荷载，得到力学响应模型；所述力学响应模型中的粗集料颗粒在径向荷载和轴向荷载的作用下形成多个接触，提取各接触的法向向量的步骤还包括提取各接触的法向接触力、切向接触力、切向向量和枝向量的步骤；

59、所述根据所述法向向量构建表征各主轴方向上的异性程度的主轴异性系数的步骤还包括根据所述法向接触力、切向接触力、法向向量、切向向量和枝向量构建组构异性系数的步骤；

60、所述根据第二粗集料集合体的主轴异性系数与其在预设轴向荷载和径向荷载下的轴向应变的关系确定各档粗集料的最优级配，并以最优级配合成粗集料混合物的步骤包括根据第二粗集料集合体的主轴异性系数、组构异性系数与其在预设轴向荷载和径向荷载下的轴向应变的关系确定各档粗集料的最优级配，并以最优级配合成粗集料混合物。

61、作为上述技术方案的改进，所述根据所述法向接触力、切向接触力、法向向量、切向向量和枝向量构建组构异性系数的步骤包括：

62、分别提取第二粗集料集合体在局部坐标系下每个接触的切向向量、枝向量、法向接触力在x、y、z三个方向的投影大小，以及法向接触力大小和切向接触力大小；

63、构建应力偏张量矩阵、法向接触力结构张量的偏张量矩阵和切向接触力结构张量的偏张量矩阵；

64、构建法向接触力二阶结构张量矩阵和切向接触力二阶结构张量矩阵；

65、构建各向异性系数、法向组构异性系数和切向组构异性系数；

66、构建组构异性系数；

67、其中，应力偏张量矩阵为：

68、

69、所述应力偏张量矩阵中各参数的计算方法如下：

70、

71、

72、

73、

74、

75、

76、

77、

78、

79、

80、其中，为第二粗集料集合体的应力偏张量，、、、、、、、、均为存储应力张量的变量；λ1为第一常数，为表征第c个接触的法向接触力在x方向的投影大小的变量，为表征第c个接触的法向接触力在y方向的投影大小的变量，为表征第c个接触的法向接触力在z方向的投影大小的变量，为表征第c个接触的枝向量在x方向的投影长度的变量，为表征第c个接触的枝向量在y方向的投影长度的变量，为表征第c个接触的枝向量在z方向的投影长度的变量，v为第二粗集料集合体的体积，nc为力学响应模型中粗集料颗粒的总接触数；

81、其中，法向接触力结构张量的偏张量矩阵为：

82、

83、所述法向接触力结构张量的偏张量矩阵中各参数通过下述公式组计算：

84、

85、

86、

87、

88、

89、

90、

91、

92、其中，为第二粗集料集合体的法向接触力结构张量的偏张量，f11n、f12n、f13n、f22n、f23n、f33n均为存储法向接触力结构张量的变量，λ3为第三常数，fn11、fn12、fn13、fn22、fn23、fn33均为存储法向接触力结构张量的中间变量，为表征法向向量在x方向的投影长度的变量，为表征法向向量在y方向的投影长度的变量，为表征法向向量在z方向的投影长度的变量，tensor1、tensor2、tensor3、tensor4、tensor5、tensor6均为存储变量，akl为表征接触数的变量，为第c个接触的法向接触力的大小，nc为力学响应模型中粗集料颗粒的总接触数，、、、、、、、、均为第一中间系数；

93、其中，切向接触力结构张量的偏张量矩阵为：

94、

95、所述切向接触力结构张量的偏张量矩阵中各参数通过下述公式组计算：

96、

97、

98、

99、

100、

101、

102、

103、

104、其中，为第二粗集料集合体的切向接触力结构张量的偏张量，f11t、f12t、f13t、f22t、f23t、f33t均为存储切向接触力结构张量的变量，λ4为第四常数，ft11、ft12、ft13、ft22、ft23、ft33均为存储切向接触力结构张量的中间变量，为表征法向向量在x方向的投影长度的变量，为表征法向向量在y方向的投影长度的变量，为表征法向向量在z方向的投影长度的变量，为表征切向向量在x方向的投影长度的变量，为表征切向向量在y方向的投影长度的变量，为表征切向向量在z方向的投影长度的变量，tensor1、tensor2、tensor3、tensor4、tensor5、tensor6均为存储变量，akl为表征接触数的变量，为第c个接触的切向接触力的大小，nc为力学响应模型中粗集料颗粒的总接触数，、、、、、、、、、均为第一中间系数；

105、其中，法向接触力二阶结构张量矩阵为：

106、

107、所述接触力二阶结构张量矩阵中各参数通过下述公式组计算：

108、

109、

110、

111、

112、

113、

114、其中，为第二粗集料集合体的法向接触力二阶结构张量，a11n、a12n、a13n、a22n、a23n、a33n均为存储法向接触力二阶结构张量的变量，f11n、f12n、f13n、f22n、f23n、f33n均为存储法向接触力结构张量的变量，λ3为第三常数；

115、其中，切向接触力二阶结构张量矩阵为：

116、

117、所述切向接触力二阶结构张量矩阵中各参数通过下述公式组计算：

118、

119、

120、

121、

122、

123、

124、其中，为第二粗集料集合体的切向接触力二阶结构张量，a11t、a12t、a13t、a22t、a23t、a33t均为存储切向接触力二阶结构张量的变量，f11t、f12t、f13t、f22t、f23t、f33t均为存储切向接触力结构张量的变量，λ4为第四常数。

125、作为上述技术方案的改进，所述各向异性系数按照下式计算：

126、

127、其中，为第二粗集料集合体的各向异性系数，、、、、、、、、均为第一中间系数；

128、所述法向组构异性系数根据下述公式组计算：

129、

130、

131、

132、

133、

134、其中，为第二粗集料集合体的法向组构异性系数，、、、、、均为存储应力张量的变量，a11n、a12n、a13n、a22n、a23n、a33n均为存储法向接触力二阶结构张量的变量，v为第二粗集料集合体的体积，λ1为第一常数，、、均为第二中间系数，sign（）为符号函数，当＞0，sign()=1；当＜0，sign()=-1，为第一双点积的标准值；

135、所述切向组构异性系数根据下述公式组计算：

136、

137、

138、

139、

140、

141、其中，为第二粗集料集合体的切向组构异性系数，、、、、、均为存储应力张量的变量，a11t、a12t、a13t、a22t、a23t、a33t均为存储切向接触力二阶结构张量的变量，v为第二粗集料集合体的体积，为常数，、、均为第三中间系数，sign（）为符号函数，当＞0，sign()=1；当＜0，sign()=-1，为第二双点积的标准值；

142、其中，组构异性系数按照下式计算：

143、

144、其中，p为第二粗集料集合体的组构异性系数，为第二粗集料集合体的各向异性系数，为第二粗集料集合体的法向组构异性系数，为第二粗集料集合体的切向组构异性系数。

145、相应的，本发明还公开了计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述的设计方法的步骤。

146、相应的，本发明还公开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程序被处理器执行时实现上述的方法的设计方法步骤。

147、实施本发明，具有如下有益效果：

148、本发明的基于细观力学特性的沥青混合料粗集料级配设计方法中，将三维离散元模型、三维柔性围压、伺服控制、主轴异性系数、冗余比、组构异性系数相结合，形成与路用性能一致、所见即所得的粗集料级配设计流程，有效解决了体积设计法与路用性能相关性差的缺点，所设计的级配力学性能优异。