專利名稱：永久性路面設(shè)計(jì)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及道路工程領(lǐng)域，具體提供一種永久性路面設(shè)計(jì)方法。
背景技術(shù)：
我國(guó)現(xiàn)行的高速公路路面結(jié)構(gòu)以半剛性基層瀝青路面為主，設(shè)計(jì)壽命為15年。以 設(shè)計(jì)交通荷載(當(dāng)量軸載)條件下路面結(jié)構(gòu)總體剛度(承載能力)以及瀝青層和半剛性層 疲勞開裂損壞為設(shè)計(jì)指標(biāo)?；谀壳暗脑O(shè)計(jì)理念，使用末期路面因結(jié)構(gòu)性疲勞損壞而需要 重建。由于交通量不斷增加，重載超載現(xiàn)象嚴(yán)重，現(xiàn)役路面常達(dá)不到設(shè)計(jì)年限就出現(xiàn)了早期 損壞，高速公路維修造成的污染和交通擁堵也日益突出。準(zhǔn)確設(shè)計(jì)與預(yù)測(cè)路面使用壽命已 成為我國(guó)和國(guó)際上許多國(guó)家研究的熱點(diǎn)問(wèn)題，而重載條件下延長(zhǎng)路面使用壽命已成為熱點(diǎn) 中的難點(diǎn)。 目前國(guó)內(nèi)外對(duì)重載作用下的路面設(shè)計(jì)方法研究的基礎(chǔ)是建立在室內(nèi)試驗(yàn)的基礎(chǔ) 上的，對(duì)于實(shí)際重載交通條件下路面的力學(xué)響應(yīng)研究甚少。傳統(tǒng)的路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法主要 用當(dāng)量標(biāo)準(zhǔn)軸次和當(dāng)量溫度表征交通和環(huán)境對(duì)路面結(jié)構(gòu)損傷的影響。用當(dāng)量的方法，無(wú)法 真實(shí)反映路面實(shí)際的交通和環(huán)境條件，影響路面設(shè)計(jì)可靠度。在材料參數(shù)方面，傳統(tǒng)設(shè)計(jì) 方法用靜態(tài)模量表達(dá)材料的物理力學(xué)性質(zhì)，靜態(tài)模量無(wú)法反映車輛動(dòng)荷載對(duì)路面作用的本 質(zhì)，無(wú)法反映實(shí)際的力學(xué)響應(yīng)狀態(tài)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的技術(shù)任務(wù)是針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種永久性路面設(shè)計(jì)方法。 利用該方法設(shè)計(jì)的路面不易發(fā)生結(jié)構(gòu)性損壞，可保持路面結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)久持續(xù)使用。
本發(fā)明的永久性路面設(shè)計(jì)方法以瀝青混合料極限拉應(yīng)變?yōu)樵O(shè)計(jì)指標(biāo)，以車輛軸載 譜、路面溫度場(chǎng)、路面材料動(dòng)態(tài)模量作為設(shè)計(jì)參數(shù)，用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)與彈性層狀力學(xué)理論 計(jì)算模型相結(jié)合，得到接近真實(shí)狀態(tài)的路面結(jié)構(gòu)應(yīng)變分布，從而可準(zhǔn)確預(yù)估路面壽命和設(shè) 計(jì)長(zhǎng)壽命的路面結(jié)構(gòu)?；谙访娼Y(jié)構(gòu)性疲勞損壞的路面結(jié)構(gòu)新理念，要求所設(shè)計(jì)的瀝 青路面采用合理的路面結(jié)構(gòu)組合和厚度，降低或消除瀝青層底疲勞開裂。具體設(shè)計(jì)過(guò)程 為 永久性瀝青路面是基于 a)確定瀝青層底部極限應(yīng)變標(biāo)準(zhǔn) 所述極限應(yīng)變以低應(yīng)變疲勞試驗(yàn)得到的應(yīng)變水平為準(zhǔn)，低應(yīng)變疲勞試驗(yàn)加載次數(shù) 大于1000萬(wàn)次，在該加載次數(shù)下試件不破壞的最大應(yīng)變?yōu)樵摓r青混合料的極限應(yīng)變；
b)構(gòu)建輸入?yún)?shù)的統(tǒng)計(jì)模型 收集或?qū)崪y(cè)道路所在地的交通、氣候、材料參數(shù)資料，對(duì)車輛軸載、路面溫度場(chǎng)、路
面厚度、材料模量參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，建立輸入?yún)?shù)的概率分布函數(shù)模型， 其中，軸載和路面溫度場(chǎng)為離散型分布，路面厚度和材料模量參數(shù)為連續(xù)正態(tài)分
布；
3
c)計(jì)算瀝青層底部彎拉應(yīng)變分布 利用蒙特卡羅法計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)對(duì)輸入?yún)?shù)統(tǒng)計(jì)模型進(jìn)行隨機(jī)抽樣，獲得每一個(gè) 變量的樣本值；將抽樣參數(shù)值代入彈性層狀力學(xué)理論模型計(jì)算瀝青層底部拉應(yīng)變；按照上 述步驟反復(fù)進(jìn)行隨機(jī)抽樣和計(jì)算達(dá)到足夠大的次數(shù)，即可得到瀝青層底部的應(yīng)變分布；
d)分析設(shè)計(jì)結(jié)果 將步驟c所得應(yīng)變分布轉(zhuǎn)化成從小到大的累積百分比排位，分析設(shè)計(jì)指標(biāo)對(duì)應(yīng)的 累計(jì)百分率是否大于設(shè)計(jì)可靠度， 如果設(shè)計(jì)指標(biāo)對(duì)應(yīng)的累計(jì)百分率大于設(shè)計(jì)可靠度，則設(shè)計(jì)完成，如果不是，改變?yōu)r
青層結(jié)構(gòu)組合或提高材料性能重新進(jìn)行設(shè)計(jì)，如此反復(fù)迭代，直到滿足設(shè)計(jì)要求為止， 所述設(shè)計(jì)可靠度取值不小于90%。設(shè)計(jì)可靠度越大，預(yù)期設(shè)計(jì)結(jié)果越可靠。 申請(qǐng)人:在進(jìn)行了大量試驗(yàn)后得出，步驟a中的瀝青混合料的極限應(yīng)變?yōu)?普通瀝青混合料、大粒徑瀝青碎石混合料為70ii e ; 改性瀝青細(xì)級(jí)配混合料為100 ii e 。 步驟b)中所述輸入?yún)?shù)的概率分布函數(shù)模型為 軸載以軸載譜表示，指各種車輛不同軸重的概率分布； 路面溫度場(chǎng)以溫度頻率表示，指以1年為周期路面不同溫度的概率分布； 路面厚度模型以正態(tài)分布表示，指路面厚度變異的概率分布； 材料模量參數(shù)以正態(tài)分布表示，指材料模量變異的概率分布。 在材料模量參數(shù)中，瀝青混合料和半剛性材料優(yōu)選以10Hz頻率的連續(xù)半正弦波 加載的動(dòng)態(tài)抗壓模量為參數(shù)；土基和粒料優(yōu)選以0. 1秒加載、0. 9秒間歇的間歇半正弦波加 載得到的回彈模量作為參數(shù)。 為了滿足應(yīng)變分布仿真的精度要求，步驟c)中反復(fù)進(jìn)行隨機(jī)抽樣計(jì)算的次數(shù)不 少于5000次。 本發(fā)明的永久性路面設(shè)計(jì)方法與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下突出的有益效果( — )該方法以瀝青混合料的極限應(yīng)變?yōu)橹笜?biāo)，遵循材料不發(fā)生疲勞損壞的基本
原理，從而避免結(jié)構(gòu)性的損壞，達(dá)到路面結(jié)構(gòu)長(zhǎng)久可持續(xù)使用的目標(biāo)； ( 二 )利用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)對(duì)分析統(tǒng)計(jì)得出的輸入?yún)?shù)模型進(jìn)行隨機(jī)抽樣，克服 了現(xiàn)有技術(shù)中用當(dāng)量方法無(wú)法真實(shí)反映路面實(shí)際的交通和環(huán)境條件的不足，保證了路面設(shè) 計(jì)的可靠度；(三)用材料的動(dòng)態(tài)模量作為參數(shù)，可準(zhǔn)確反映車輛動(dòng)荷載作用下的路面力學(xué)響 應(yīng)；(四)利用方法方法設(shè)計(jì)的永久性瀝青路面理論上能夠使用40年以上，可大量節(jié) 約資源，消除維修造成的交通壓力。


附圖1是本發(fā)明永久性路面設(shè)計(jì)方法的設(shè)計(jì)過(guò)程框圖；
附圖2是普通密級(jí)配瀝青混合料AC-25疲勞試驗(yàn)勁度模量曲線；
附圖3是軸載譜概率統(tǒng)計(jì)模型圖；
附圖4是路面溫度場(chǎng)概率分布4
附圖5是瀝青層厚度概率模型； 附圖6是瀝青層動(dòng)態(tài)模量概率模型； 附圖7是三聯(lián)軸軸載譜蒙特卡羅模擬結(jié)果； 附圖8是應(yīng)變分布蒙特卡羅模擬結(jié)果； 附圖9是應(yīng)變累計(jì)百分率圖。
具體實(shí)施例方式
參照說(shuō)明書附圖以具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的永久性路面設(shè)計(jì)方法作以下詳細(xì)地說(shuō) 明。
實(shí)施例 永久性路面設(shè)計(jì)過(guò)程如附圖1所示
a)確定瀝青層底部極限應(yīng)變標(biāo)準(zhǔn) 試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)的矩形梁三分點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)方法AASHTO T 321 (美國(guó)道路工作 協(xié)會(huì)瀝青混合料三分點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)規(guī)程) 對(duì)設(shè)計(jì)瀝青混合料進(jìn)行不同應(yīng)變水平的疲勞試驗(yàn)比較，當(dāng)應(yīng)變水平為70i！ e時(shí)， 加載超過(guò)1000萬(wàn)次，勁度模量曲線為一水平漸近線(如附圖2所示)，說(shuō)明在該應(yīng)變水平 下，瀝青混合料不發(fā)生疲勞損壞，因此確定極限應(yīng)變?yōu)?0ii e 。 在實(shí)際操作中，由于典型瀝青混合料的疲勞極限已經(jīng)經(jīng)申請(qǐng)人進(jìn)行大量試驗(yàn)驗(yàn)證 過(guò)，故按照以下情況確定疲勞應(yīng)變標(biāo)準(zhǔn)。 普通瀝青混合料、大粒徑瀝青碎石混合料的極限應(yīng)變?yōu)?0ii e ;
改性瀝青細(xì)級(jí)配混合料的極限應(yīng)變?yōu)閘OOii e。
b)構(gòu)建輸入?yún)?shù)的統(tǒng)計(jì)模型 收集或?qū)崪y(cè)道路所在地的交通、氣候、材料參數(shù)資料，對(duì)車輛軸載、路面溫度場(chǎng)、路
面厚度、材料模量參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，建立輸入?yún)?shù)的概率分布函數(shù)模型。
其中， 軸載以軸載譜表示，指各種車輛不同軸重的概率分布(離散型分布)； 路面溫度場(chǎng)以溫度頻率表示，指以1年為周期路面不同溫度的概率分布(離散型
分布)； 路面厚度模型以正態(tài)分布表示，指路面厚度變異的概率分布(連續(xù)正態(tài)分布)；
材料模量參數(shù)以正態(tài)分布表示，指材料模量變異的概率分布(連續(xù)正態(tài)分布)。
在材料模量參數(shù)中，瀝青混合料和半剛性材料以10Hz頻率的連續(xù)半正弦波加載 的動(dòng)態(tài)抗壓模量為參數(shù)；土基和粒料優(yōu)選以0. 1秒加載、0. 9秒間歇的間歇半正弦波加載得 到的回彈模量作為參數(shù)。 例如經(jīng)調(diào)查和實(shí)測(cè)，濱大高速公路的軸載譜、路面溫度場(chǎng)、路面厚度變異、瀝青混 合料模量參數(shù)概率分布圖或函數(shù)如附圖3-6所示。 軸載譜概率統(tǒng)計(jì)模型如圖3所示，圖a、 b、 c分別對(duì)應(yīng)單軸、雙聯(lián)軸及三聯(lián)軸。
路面溫度場(chǎng)概率分布如圖4所示，為全年路表小時(shí)溫度分布圖。
瀝青層厚度概率模型如圖5所示。 瀝青層動(dòng)態(tài)模量概率模型如圖6所示(4(TC， 10Hz加載))。
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c)計(jì)算瀝青層底部彎拉應(yīng)變分布 利用蒙特卡羅法計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)對(duì)輸入?yún)?shù)統(tǒng)計(jì)模型進(jìn)行隨機(jī)抽樣，獲得每一個(gè) 變量的樣本值；將抽樣參數(shù)值代入彈性層狀力學(xué)理論模型計(jì)算瀝青層底部拉應(yīng)變；按照以 上方法反復(fù)進(jìn)行抽樣計(jì)算5000次以上，即可得到瀝青層底部的應(yīng)變分布；(蒙特卡羅法抽 樣數(shù)量同計(jì)算成果的精度有關(guān)，抽樣數(shù)量越大，誤差越小，研究表明5000次蒙特卡羅循環(huán) 對(duì)大多數(shù)路面設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)是足夠的。) 輸入?yún)?shù)中，三聯(lián)軸軸載譜蒙特卡羅模擬的結(jié)果如圖7所示，其它輸入?yún)?shù)的蒙 特卡羅模擬結(jié)果與之相似。 經(jīng)過(guò)10000次對(duì)參數(shù)進(jìn)行抽樣并代入彈性層狀理論模型計(jì)算應(yīng)變后的應(yīng)變分布 仿真與實(shí)測(cè)應(yīng)變的比較如附圖8所示(計(jì)算應(yīng)變后的應(yīng)變分布仿真與實(shí)測(cè)應(yīng)變分布滿足方 差分析顯著性水平為a = 0. 05的臨界值的精度要求)。
d)分析設(shè)計(jì)結(jié)果 將步驟c所得應(yīng)變分布轉(zhuǎn)化成從小到大的累積百分比排位，分析設(shè)計(jì)指標(biāo)對(duì)應(yīng)的 累計(jì)百分率是否大于設(shè)計(jì)可靠度， 如果設(shè)計(jì)指標(biāo)對(duì)應(yīng)的累計(jì)百分率大于設(shè)計(jì)可靠度，則設(shè)計(jì)完成，如果不是，改變?yōu)r
青層結(jié)構(gòu)組合或提高材料性能重新進(jìn)行設(shè)計(jì)，如此反復(fù)迭代，直到滿足設(shè)計(jì)要求為止， 設(shè)計(jì)可靠度取值不小于90%。設(shè)計(jì)可靠度越大，預(yù)期設(shè)計(jì)結(jié)果越可靠。 根據(jù)圖8轉(zhuǎn)化成累計(jì)百分比排位，如圖9，可知極限應(yīng)變對(duì)應(yīng)的累計(jì)百分率為
99.9%大于設(shè)計(jì)可靠度90%，故設(shè)計(jì)的路面滿足永久性路面結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)及指標(biāo)要求，設(shè)
計(jì)完成。
權(quán)利要求
永久性路面設(shè)計(jì)方法，其特征在于包括以下步驟a)確定瀝青層底部極限應(yīng)變標(biāo)準(zhǔn)所述極限應(yīng)變以低應(yīng)變疲勞試驗(yàn)得到的應(yīng)變水平為準(zhǔn)，低應(yīng)變疲勞試驗(yàn)加載次數(shù)大于1000萬(wàn)次，在該加載次數(shù)下試件不破壞的最大應(yīng)變?yōu)樵摓r青混合料的極限應(yīng)變；b)構(gòu)建輸入?yún)?shù)的統(tǒng)計(jì)模型收集或?qū)崪y(cè)道路所在地的交通、氣候、材料參數(shù)資料，對(duì)車輛軸載、路面溫度場(chǎng)、路面厚度、材料模量參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，建立輸入?yún)?shù)的概率分布函數(shù)模型；c)計(jì)算瀝青層底部彎拉應(yīng)變分布利用蒙特卡羅法計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)對(duì)輸入?yún)?shù)統(tǒng)計(jì)模型進(jìn)行隨機(jī)抽樣，獲得每一個(gè)變量的樣本值；將抽樣參數(shù)值代入彈性層狀力學(xué)理論模型計(jì)算瀝青層底部拉應(yīng)變；按照上述步驟反復(fù)進(jìn)行隨機(jī)抽樣和計(jì)算達(dá)到足夠大的次數(shù)，即可得到瀝青層底部的應(yīng)變分布；d)分析設(shè)計(jì)結(jié)果將步驟c所得應(yīng)變分布轉(zhuǎn)化成從小到大的累積百分比排位，分析設(shè)計(jì)指標(biāo)對(duì)應(yīng)的累計(jì)百分率是否大于設(shè)計(jì)可靠度，如果設(shè)計(jì)指標(biāo)對(duì)應(yīng)的累計(jì)百分率大于設(shè)計(jì)可靠度，則設(shè)計(jì)完成，如果不是，改變?yōu)r青層結(jié)構(gòu)組合或提高材料性能重新進(jìn)行設(shè)計(jì)，如此反復(fù)迭代，直到滿足設(shè)計(jì)要求為止，所述設(shè)計(jì)可靠度取值不小于90％。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的永久性瀝青路面設(shè)計(jì)方法，其特征在于，步驟a)中所述極限 應(yīng)變標(biāo)準(zhǔn)為普通瀝青混合料、大粒徑瀝青碎石混合料為70ii e ; 改性瀝青細(xì)級(jí)配混合料為100 ii e 。
3. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的永久性瀝青路面設(shè)計(jì)方法，其特征在于，步驟b)中所述輸入 參數(shù)的概率分布函數(shù)模型為軸載以軸載譜表示，指各種車輛不同軸載的概率分布； 路面溫度場(chǎng)以溫度頻率表示，指以1年為周期路面不同溫度的概率分布； 路面厚度模型以正態(tài)分布表示，指路面厚度變異的概率分布； 材料模量參數(shù)以正態(tài)分布表示，指材料模量變異的概率分布。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的永久性瀝青路面設(shè)計(jì)方法，其特征在于，在材料模量參數(shù)中， 瀝青混合料和半剛性材料以10Hz頻率的連續(xù)半正弦波加載的動(dòng)態(tài)抗壓模量為參數(shù)；土基 和粒料以0. 1秒加載、0. 9秒間歇的間歇半正弦波加載得到的回彈模量作為參數(shù)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的永久性瀝青路面設(shè)計(jì)方法，其特征在于，步驟c)中反復(fù)進(jìn)行 隨機(jī)抽樣計(jì)算的次數(shù)不少于5000次。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種永久性路面設(shè)計(jì)方法，屬于道路工程領(lǐng)域。該方法以瀝青混合料極限拉應(yīng)變?yōu)樵O(shè)計(jì)指標(biāo)，以車輛軸載譜、路面溫度場(chǎng)、路面材料動(dòng)態(tài)模量作為設(shè)計(jì)參數(shù)，用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)與彈性層狀力學(xué)理論計(jì)算模型相結(jié)合，得到接近真實(shí)狀態(tài)的路面結(jié)構(gòu)應(yīng)變分布，從而可準(zhǔn)確預(yù)估路面壽命和設(shè)計(jì)長(zhǎng)壽命的路面結(jié)構(gòu)。與現(xiàn)有設(shè)計(jì)方法相比，本發(fā)明解決了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)的路面結(jié)構(gòu)需要周期性重建的重大技術(shù)難題，實(shí)現(xiàn)了路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)耐久、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保的目標(biāo)，具有很好的推廣應(yīng)用價(jià)值。
文檔編號(hào)E01C7/18GK101792992SQ200910229879
公開日2010年8月4日 申請(qǐng)日期2009年11月17日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月17日
發(fā)明者楊永順, 王曉燕, 王林, 韋金城, 馬士杰, 高雪池 申請(qǐng)人:山東省交通科學(xué)研究所