数值试验在智慧型道路检测中心的创新应用

2023-01-09吴晓波谭云鹏

工程建设与设计 2022年1期

吴晓波，谭云鹏

（无锡市政设计研究院有限公司，江苏无锡 214072）

1 引言

随着交通建设进入“十四五”时期，交通运输部推出了综合交通运输发展规划，标志着交通运输将迎来高质量发展。传统与科技相结合是“十四五”期间的发展方向。传统道路检测中心承担道路材料的性能检测、配合比验证、数据处理与开具报告等业务。常规的检测过程中，需要耗费大量的人力、物力与财力，试验误差与人为因素会导致工作重复以及数据失真[1]。鉴于此，为了结合科技提高道路工程常规材料检测效率，实现常规检测工作信息自动集成、减少人力、物力与财力的消耗是必要的，甚至开展常规检测中心目前未有的业务。鉴于此，本文从现有数值试验（离散单元法、有限单元法）方法的应用、建筑信息模型的应用介绍，提出智慧型道路检测中心建立的构想。

2 离散单元法的应用

离散单元法（Discrete Element Method）最早由Cundall 教授提出，是一种用于求解大量颗粒在某些特定条件下受力状态的数值计算方法。早期主要在岩土工程领域中使用，后来随着计算机技术的高速发展也得到了飞速发展，其在进行数值试验时可不受模型变形量的限制，因此，对于道路材料这种非连续而离散的性质能够较好地处理相关力学问题并揭示相应的机理。本节以沥青混合料为例，介绍现有的离散单元法相关研究。

Buttlar 教授等基于商业离散元软件PFC 2D，提出了线弹性离散元微观结构模型，成功模拟了沥青混凝土的模量[2]；Abbas[3]采用黏弹性离散元模型，模拟混凝土的动态模量与蠕变行为；以You、Liu 构建了能反映集料特征、模型参数、空隙特征、温度等对沥青混合料模量、蠕变和细观结构的二维和三维模型[4-7]。在国内，长安大学构建了可以真实反映沥青混合料细观结构特征的数值模型，该模型能对沥青混合料的细观结构和力学性能进行分析和预测[8，9]；裴建中等利用二维离散单元法模拟了马歇尔试件的间接拉伸试验过程，得到了不同加载速率下试件的力学响应，得到了颗粒间的接触力和位移矢量以及裂缝数量，展现了裂缝随时间的动态变化过程[10]；杨军对沥青混合料的三轴压缩试验进行离散元数值模拟，对沥青混合料高温性能的预估与实际较为契合[11]；张建同通过PFC 3D 软件生成不规则颗粒模拟了沥青混合料的局部三轴试验，认为局部三轴试验可有效模拟实际路面状态，具有类似三轴压缩试验应力状态明确的优点，也具有类似单轴贯入试验的围压，近似路面实际围压；应力应变基本均匀，可以通过简单地测量变形来计算应变[12]。任皎龙通过PFC 2D 构建了沥青混合料数值模型，并二次开发了软件的本构模型，提出了虚拟低温断裂的数值试验方法，构建的新型本构模型与实际更为相符[13]。

综上所述，离散单元法的研究已日渐丰富，常规检测试验数值模拟以及对沥青混合料的长期路用性能的预估模型已与实际相关度较高，智慧型道路检测中心构建基于的理论与依托平台在现有的研究中已得到验证。

3 有限单元法的应用

有限单元法不仅能对复杂的模型（如车辙试验）进行计算，而且考虑了非线性本构模型以及变形对应力的影响，结合其他方法（如极限平衡有限元法）发挥更大的优势。

普毅通过有限元模型计算了级配碎石基层与碎石土的厚度对应的等效回弹模量值，提出了该方法对重交通以下水泥混凝土道路的适用性[14]。谭金涛建立了水泥混凝土路面的有限元模型，在不同温度、荷载与环境条件下对混凝土板应力进行模拟，可根据计算结果对混凝土路面的病害进行预防[15]。张庆明建立了水泥混凝土路面的有限元模型，研究了水泥混凝土设置隔离层的机理与作用[16]。陈玉豪经对比了全厚式、半刚性基层、复合式路面结构力学性能的不同，对其进行了模拟，分别计算出形变、层底拉应力、最大抗剪强度等，论证了全厚式路面结构技术经济可行性[17]。杨小龙构建了水泥稳定基层的有限元模型，研究了再生混合料的裂缝发展规律[18]。周骋基于实际工程建立了道路的有限元模型，提出了基于模拟的弯沉值确定现有道路与修复后道路病害的破坏范围与破坏程度[19]。单丽岩建立了沥青的有限元模型，在微观角度分析了改性沥青的损伤机理[20]。洪渊通过建立路堑边坡有限元模型，提出了模型中边坡失稳的判别条件、算法与影响边坡安全的因素[21]。

综上所述，有限单元法在道路基层、面层中均有相应的应用，智慧型道路检测中心在有限单元法模拟的理论与依托平台同样得到了验证。

4 建筑信息模型的应用

建筑信息模型（简称BIM）起源于20 世纪70 年代的石油危机，随着计算机技术的进步，三维建模、自动画图、参数化簇件与模拟实际施工等技术逐步完善。随着Autodesk 收购Revit Technology，我国相继发布了BIM 技术推广应用的政策，表明BIM 是未来不可或缺的技术。

中国建筑科学研究院基于BIM 技术已开发出了相应的检测评定系统，该系统可以将材料特性、钢筋分布、裂缝、构件尺寸等录入建筑信息模型开展相关检测，并可依据规范要求进行评定，除了部分不适于承载的位移（变形）和裂缝等需要技术人员配合完成检测，其余均可录入系统检测评定并自动生成报告[22]。BIM 软件Revit 与BOPM 在实践中已应用于不同专业的管线分析、管线与建筑物（构筑物）之间的净空间的碰撞冲突，通过三维可视化的表征能力可在结构设计、电气设计与检验过程中发挥重要作用，规避一些设计不周全引发的返工、延误与人力财力的浪费。对道路工程检测中心的启示不止于混凝土道路的检测、地下管线的碰撞检测等与BIM 技术的结合使用，检测中心还可以基于BIM 技术开展多元化的、常规检测未有涉及的检测项目，如对设计的检验、三维可视化交底服务。

综上所述，BIM 技术在其他专业领域的应用可以借鉴应用于道路工程，智慧型道路检测中心应用BIM 技术的方式、依托平台与发展方向已得到验证。

5 智慧型道路检测中心设计构想

5.1 设备

常规道路检测中心以配备符合规范要求的仪器、设备为主，目前，三轴压缩仪、自动车辙试验仪、万能试验机等可实现电脑操作，为科研工作者带来了极大的便利。而对于智慧型道路检测中心实现数值模拟运作的要求，需要在常规仪器已有的基础上配置能实现高效数值模拟的图形工作站，对工作站的型号注重科学配置且具有前瞻性，根据软件的迭代升级对已有图形工作站进行硬件升级。