CN103088737A - 半刚性基层沥青路面控制疲劳设计方法 - Google Patents

半刚性基层沥青路面控制疲劳设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种半刚性基层沥青路面控制疲劳设计方法，属于道路工程领域。该方法包括以下步骤：一、试验确定半刚性基层材料弯拉模量衰减模型和疲劳预估模型；二、初拟路面结构组合及相应设计参数；三、计算引起疲劳开裂的累计标准轴载作用次数；四、计算弯拉模量衰减过程；五、计算沥青层累积疲劳损伤；六、判断沥青层累积疲劳损伤是否小于设计控制标准。与现有技术相比，该方法以沥青层累积疲劳损伤为设计指标，将半刚性基层模量衰减模型与疲劳预估模型相结合，基层模量衰减过程纳入沥青层的疲劳损伤分析中，从而在设计期内将沥青层疲劳开裂有效控制在容许的范围内，解决了传统设计方法无法反映路面结构实际受力和损伤状态的技术难题，实现了疲劳开裂可控，达到了路面结构设计耐久、经济、环保的目标。

Description

半刚性基层沥青路面控制疲劳设计方法
技术领域
本发明涉及道路工程领域，具体提供一种半刚性基层沥青路面控制疲劳设计方法。
背景技术
半刚性基层沥青路面是我国高等级公路主要路面结构形式。随着交通量和车辆轴载的不断增加，半刚性基层沥青路面疲劳破坏问题日益严重。如何有效控制路面结构疲劳损伤，成为半刚性基层沥青路面结构设计亟待解决的技术难题。半刚性材料层（水泥稳定碎石、石灰-粉煤灰碎石等）在车辆荷载反复作用下其模量有不断衰减的特性，由于没有构建与疲劳预估模型力学指标相关的半刚性材料模量衰减模型，现行沥青路面设计方法无法考虑这种模量的衰减对沥青层疲劳损伤的影响（如我国以弯沉为指标的设计方法）。而用一个不变的初始模量代替整个基层疲劳损伤过程的模量水平，无法反映路面结构实际的受力和损伤状态，这就大大降低了沥青路面设计的可靠性，导致设计过于保守或趋于风险，对路面结构疲劳起不到有效的控制作用。
发明内容
本发明的技术任务是针对上述现有技术的不足，提供一种半刚性基层沥青路面疲劳控制设计方法。利用该方法设计的路面不易发生过早结构疲劳损坏，可在设计期内将疲劳开裂有效控制在容许的范围内。
本发明的半刚性基层沥青路面疲劳控制设计方法，以沥青层累积疲劳损伤为设计指标，将模量衰减模型与疲劳预估模型相结合，基层模量衰减过程纳入沥青层的疲劳分析中，从而在设计期内有效控制疲劳开裂水平，并且达到设计路面结构经济耐久的目标。
该设计方法包括以下步骤：
1）确定半刚性基层材料弯拉模量衰减模型和疲劳预估模型
所述半刚性基层材料弯拉模量衰减模型指重复加载作用下材料弯拉模量由疲劳应力水平和加载次数确定的函数关系式；
所述疲劳预估模型是指达到破坏时的循环加载次数由疲劳应力水平确定的函数关系式；
2）初拟路面结构组合和结构设计参数
初拟路面各结构层厚度和结构层设计参数，所述设计参数包括各层材料初始弯拉模量、泊松比、半刚性基层材料弯拉强度和设计年限车道累计标准轴载作用次数；
3）计算引起半刚性基层疲劳开裂的累计标准轴载作用次数
根据步骤2）拟定的路面各结构层厚度及相应结构设计参数，结合弹性层状力学理论计算应力水平，代入步骤1）确定的疲劳预估模型得到半刚性基层疲劳开裂累计标准轴载作用次数；
4）计算半刚性基层弯拉模量衰减过程
根据步骤3)确定的应力水平及半刚性基层疲劳开裂累计标准轴载作用次数，代入步骤1）确定的弯拉模量衰减模型计算半刚性基层随轴载作用次数增加弯拉模量的衰减过程；
当累计标准轴载作用次数超过步骤3）所确定半刚性基层疲劳开裂累计标准轴载作用次数后，此时半刚性基层已经疲劳开裂，弯拉模量取固定值，取值为初始模量的3~8%；
5) 计算沥青层累积疲劳损伤
将步骤4）所得半刚性基层弯拉模量，连同其他结构层的模量参数，输入弹性层状力学理论模型计算沥青层底弯拉应变，并通过沥青层疲劳预估模型和Miner损伤原理计算沥青层在设计累计标准轴载作用下的累积疲劳损伤；
6）判断沥青层累积疲劳损伤是否小于设计控制标准
如果步骤5）所得沥青层累积疲劳损伤小于设计控制标准，则满足疲劳控制设计要求，否则调整路面各结构层厚度及相应结构设计参数，重新进行计算，如此反复迭代，直到满足设计要求为止。
步骤1)中所述弯拉模量衰减模型和疲劳预估模型均优选通过重复加载四点弯曲梁疲劳试验确定。
所述模量衰减模型优选用指数模型进行回归。
步骤6)中所述沥青层疲劳累计损伤控制设计标准优选为0.1。
本发明的半刚性基层沥青路面疲劳控制设计方法与现有技术相比具有以下突出的有益效果：
（一）                   该方法考虑模量衰减对沥青层疲劳损伤的影响，可避免结构性的早期疲劳损坏，有效控制设计期内路面疲劳破坏程度，达到路面结构设计经济耐久的目标，可大量节约资源，消除维修造成的交通压力；
（二）                   弯拉模量衰减过程计算方法，克服了现有技术中用当量方法无法真实反映路面结构实际受力和损伤状态的问题，保证了路面设计的可靠度；
（三）                   基于模量衰减的累积疲劳损伤分析方法，可预估设计期内路面性能变化过程，并根据交通荷载情况随时调整预估模型，可为路面运营阶段预防性养护提供决策依据，从而有效延长路面结构使用寿命。
附图说明
附图1 是本发明设计方法中半刚性基层沥青路面疲劳控制设计分析流程图；
附图2 是实施例的疲劳预估模型线性回归图；
附图3 是实施例应力比为0.73时的模量衰变曲线；
附图4是实施例应力比为0.65时的模量衰变曲线；
附图5是实施例应力比为0.57时的模量衰变曲线；
附图6 是实施例弯拉模量衰减率绝对值对数与应力比关系图；
附图7 是实施例路面结构组合示意图；
附图8 是实施例中石灰-粉煤灰碎石模量衰减曲线；
附图9 是实施例中沥青层累积疲劳损伤曲线。
具体实施方式
参照说明书附图以具体实施例对本发明的半刚性基层沥青路面疲劳控制设计方法作以下详细地说明。
实施例（石灰-粉煤灰碎石基层）
如附图1所示，按以下步骤进行设计分析：
1）确定半刚性基层材料（石灰-粉煤灰碎石）弯拉模量衰减模型和疲劳预估模型
试验方法：标准的矩形梁四点弯曲疲劳试验方法AASHTO T 321（美国道路工作协会四点弯曲疲劳试验规程）。
对设计石灰-粉煤灰碎石材料梁试件进行不同应力比条件的重复加载疲劳试验，试验过程中实时采集弯拉模量数据。
根据不同应力比对应的疲劳加载作用次数，用指数函数模型回归疲劳预估模型（取对数后进行线性回归），如图2所示，得到疲劳预估模型如下：
Figure 2013100524943100002DEST_PATH_IMAGE001
                                    式（1）
式中：
Figure 518440DEST_PATH_IMAGE002
为疲劳加载作用次数；
      为应力比。
    根据不同应力比对应的模量衰减曲线，用指数函数模型（）进行回归，得到每个应力比对应的模量衰减指数模型，如图3、图4和图5列举的部分应力比模量衰减图。
构建指数模型斜率
Figure 406149DEST_PATH_IMAGE006
的对数，即弯拉模量衰减速率的对数，与应力比的线性关系式（如图6所示）：
                                    式（2）
式中：
Figure 735499DEST_PATH_IMAGE006
为弯拉模量下降速率绝对值。
   通过弯拉模量衰减速率的对数与应力比的计算关系式构建弯拉模量与应力比和加载作用次数的函数关系模型，即模量衰减模型：
 
Figure 527874DEST_PATH_IMAGE008
                               式（3）
式中：N为加载次数；
Figure DEST_PATH_IMAGE009
为加载次数为
Figure 665595DEST_PATH_IMAGE002
时的弯拉模量（
Figure 252434DEST_PATH_IMAGE002
不超过该应力比条件下的疲劳次数），Mpa；
Figure 6763DEST_PATH_IMAGE010
为初始弯拉模量，Mpa；
Figure 212617DEST_PATH_IMAGE003
为应力比。
2）初拟路面结构组合和结构设计参数
初拟路面结构组合及材料初始模量、泊松比见附图7。
设计累计标准轴载作用次数为Nd=55000000次，石灰-粉煤灰碎石弯拉强度S=0.6Mpa。
3）引起半刚性基层疲劳开裂的累计标准轴载作用次数计算
将石灰-粉煤灰碎石初始模量，连同沥青层、级配碎石层和土基模量输入弹性层状理论计算石灰-粉煤灰碎石层底弯拉应力为0.3MPa，计算得到弯拉应力比为0.5，代入疲劳预估模型（1）得到半刚性基层疲劳开裂累计标准轴载作用次数Nf=45656225次。
4）半刚性基层弯拉模量衰减过程计算
基层模量开裂前：按照前面计算的弯拉应力比0.5，用式（3）弯拉模量衰减模型分别计算累计标准轴载作用次数N从1次至Nf次对应的石灰-粉煤灰碎石基层弯拉模量衰减过程。
基层模量开裂后：当累计标准轴载作用次数N超石灰-粉煤灰碎石基层疲劳开裂累计标准轴载作用次数Nf后，此时石灰-粉煤灰碎石基层已经疲劳开裂，弯拉模量取固定值，为初始模量的5%。石灰-粉煤灰碎石疲劳开裂后的模量为初始模量的5%，即110005%=550Mpa。石灰-粉煤灰碎石基层模量衰减过程计算结果如附图8所表示。
5)沥青层累积疲劳损伤计算
按照基层模量开裂前后取值方法，连同沥青层、粒料层、土基的模量参数，输入弹性层状力学理论模型计算沥青层底弯拉应变，并通过沥青层疲劳预估模型和Miner损伤原理计算沥青层在设计累计标准轴载作用下的累积疲劳损伤。最后得到设计累计标准轴载作用次数Nd=55000000次沥青层底累积疲劳损伤为0.06848，满足累计疲劳损伤小于0.1的要求，故设计分析完成。沥青层累积疲劳损伤计算结果如附图9所表示。

Claims (4)

1.半刚性基层沥青路面控制疲劳设计方法，其特征在于包括以下步骤：
1）确定半刚性基层材料弯拉模量衰减模型和疲劳预估模型
所述半刚性基层材料弯拉模量衰减模型指重复加载作用下材料弯拉模量由疲劳应力水平和加载次数确定的函数关系式；
所述疲劳预估模型是指达到破坏时的循环加载次数由疲劳应力水平确定的函数关系式；
2）初拟路面结构组合和结构设计参数
初拟路面各结构层厚度和结构层设计参数，所述设计参数包括各层材料初始弯拉模量、泊松比、半刚性基层材料弯拉强度和设计年限车道累计标准轴载作用次数；
3）计算引起半刚性基层疲劳开裂的累计标准轴载作用次数
根据步骤2）拟定的路面各结构层厚度及相应结构设计参数，结合弹性层状力学理论计算应力水平，代入步骤1）确定的疲劳预估模型得到半刚性基层疲劳开裂累计标准轴载作用次数；
4）计算半刚性基层弯拉模量衰减过程
根据步骤3)确定的应力水平及半刚性基层疲劳开裂累计标准轴载作用次数，代入步骤1）确定的弯拉模量衰减模型计算半刚性基层随轴载作用次数增加弯拉模量的衰减过程；
当累计标准轴载作用次数超过步骤3）所确定半刚性基层疲劳开裂累计标准轴载作用次数后，此时半刚性基层已经疲劳开裂，弯拉模量取固定值，取值为初始模量的3~8%；
5) 计算沥青层累积疲劳损伤
将步骤4）所得半刚性基层弯拉模量，连同其他结构层的模量参数，输入弹性层状力学理论模型计算沥青层底弯拉应变，并通过沥青层疲劳预估模型和Miner损伤原理计算沥青层在设计累计标准轴载作用下的累积疲劳损伤；
6）判断沥青层累积疲劳损伤是否小于设计控制标准
如果步骤5）所得沥青层累积疲劳损伤小于设计控制标准，则满足疲劳控制设计要求，否则调整路面各结构层厚度及相应结构设计参数，重新进行计算，如此反复迭代，直到满足设计要求为止。
2.根据权利要求1所述的半刚性基层沥青路面控制疲劳设计方法，其特征在于，步骤1)中所述弯拉模量衰减模型和疲劳预估模型均通过重复加载四点弯曲梁疲劳试验确定。
3.根据权利要求2所述的半刚性基层沥青路面控制疲劳设计方法，其特征在于，所述模量衰减模型用指数模型进行回归。
4.根据权利要求1所述的半刚性基层沥青路面控制疲劳设计方法，其特征在于，步骤6)中所述沥青层疲劳累积损伤控制设计标准为0.1。
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