CN103514332A - 一种沥青面层结构整体动稳定度的层位分解方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种沥青面层结构整体动稳定度的层位分解方法。其特征在于：提出了一个将沥青面层结构整体动稳定度分解为各层位材料动稳定度的方程，利用该方程可以将沥青面层结构整体动稳定度的控制标准分解成多个层位动稳定度控制标准和厚度的组合方案，还可以据此进行结构组合方案的比选。本发明能综合考虑结构层所处位置（层位）、层厚，针对层位来设置动稳定度控制标准，并能实现层位与结构动稳定度控制标准的联动设置，体现结构与层位动稳定度控制标准的统一性。

Description

一种沥青面层结构整体动稳定度的层位分解方法

技术领域

本发明涉及一种道路工程领域沥青路面车辙防控的方法，特别涉及一种将沥青面层结构整体动稳定度分解为各层动稳定度的方法。

背景技术

车辙是道路沥青路面整体竖向变形的体现，其根本原因在于沥青混合料的高温稳定性不足。车辙的出现会影响行车安全，各国都非常重视在路面设计和施工环节对车辙进行防控。我国《公路沥青路面设计规范》采用动稳定度指标来表征沥青混合的高温稳定性，规定了标准车辙试验方法（后面称为轮辙试验）来测试沥青混合料的动稳定度，试验对象为单层沥青混合料，试件厚度固定为5cm。动稳定度的定义为轮辙试验过程中第45分钟到第60分钟时间段内试件承受的重复加载次数与该时间段内车辙深度增加值之间的比值。我国规范没有针对沥青路面结构设置动稳定度控制标准，只对沥青混合料分材料类型设定了动稳定度控制标准，要求在沥青混合料材料组成设计环节按该标准检验沥青混合料的抗车辙性能。这种方法存在的三个方面的问题：一是该动稳定度控制标准不考虑沥青混合料所处的结构层位，因为层位不同材料所处温度环境和应力场不同，可能导致相同材料用于下面层是能够抵抗车辙变形，而用于中上面层则不能抵抗不了车辙变形；二是该材料标准不考虑材料所处的结构层厚度，因为规范设置的动稳定度控制标准是对应固定厚度时的材料性能，而材料越厚动稳定度越小，这样会导致满足检验要求的沥青混合料用于5cm厚度层位时能够抵抗车辙，而用于8cm厚度层位时则不能抵抗车辙。三是材料抗车辙性能不代表沥青面层结构整体抗车辙性能，即由检验合格的沥青混合料组成的面层结构不一定能抵抗车辙，其原因在于结构整体动稳定度与材料动稳定度之间的联系不明。

车辙是沥青面层整体变形的体现，因此从沥青面层结构整体的角度设置动稳定度控制标准是最直接的。但目前在施工环节还没有简便的办法能现场直接测试沥青面层结构整体的动稳定度，常用的方法是逐层控制各层位沥青混合料的动稳定度。这就需要一种转化方法，能直接将沥青面层结构整体动稳定度控制标准转化为各层位的动稳定度控制标准。本发明的核心内容正是解决这种转化，并同时解决前述沥青混合料动稳定度控制标准设置方法存在的三个问题。

发明内容

本发明解决上述技术问题的方案如下：

1、提出沥青面层结构整体动稳定度的层位分解方程

如果将轮辙试验的单层试件换成多层式沥青面层组合试件来测试组合结构整体的动稳定度，同时根据各层实际受力（因为作用在多层式组合试件表面的荷载向下扩散过程中的作用面积会变大）调整荷载（压强）大小来开展各层位沥青混合料的轮辙试验，那么根据动稳定度的定义，理论上有：

                                             （1）

式中DS ₀ 为沥青面层结构整体动稳定度（次/mm），n为组合结构的组成层数，DS _i 为第i层位的动稳定度（次/mm）。

但是，荷载的扩散是很难精确计算的，很难按前述方法开展单层材料的轮辙试验。为此，本发明为方程（1）引入多个参数或系数来考虑荷载扩散的影响，而，从而形成本发明的核心内容—沥青面层结构整体动稳定度的层位分解方程：

            （2）

其中h _i 为面层第i层位的厚度（mm）；

为综合修正系数。

2、沥青面层结构整体动稳定度控制标准的分解

将设定的沥青面层结构整体动稳定度的控制标准[DS ₀ ]代入沥青面层结构整体动稳定度的层位分解方程，可以分解得到多个[DS _i  ]和h _i 的组合方案。

如果对这些方案在其他力学性能和经济性方面进行比较，就能实现组合方案的优选；根据优选出的[DS _i  ]和h _i 的组合方案，还能用于指导路面结构组合设计。

有益效果

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明可以将结构整体动稳定度控制标准转化成各层位动稳定度控制标准，而我国目前尚没有对沥青面层结构设置整体动稳定度控制标准，更没有建立结构和材料动稳定度控制标准之间的联系。

2、本发明可以实现结构与材料抗车辙性能之间的统一，即按照分解得到的各层位动稳定度控制标准来为各层位选择和设计不同的沥青混合料，就能保证组合而成的沥青面层结构的整体动稳定度满足要求。而目前道路工程领域技术人员最困惑的恰在于此，即不知道由满足动稳定度要求的各种沥青混合料组合成的沥青面层结构是否能够抵抗车辙。

3、本发明考虑了各层位的位置及厚度因素，利用层位分解方程得到的各层位动稳定度控制标准更符合工程实际。而目前的动稳定度控制标准是针对沥青混合料类型设置的，而不管其用于上面层、中面层还是下面层，也不考虑各层的实际厚度；实际上，各层位对沥青路面出现的车辙变形的贡献率是不同的，理论上也应该为各层位分别设置不同的动稳定度控制标准。

4、本发明在满足沥青面层结构整体抗车辙性能的前提下，可以使各层位动稳定度控制标准有多种组合方案，其优势在于设计者可以在此基础上进行经济性和抗裂等其他力学性能的对比，以实现结构组合的优选。

具体实施方式

下面结合具体的实施案例来详细介绍本发明的沥青面层整体动稳定度层位分解方法，包括以下步骤：

1、确定分解方程的综合修正系数

本发明对17种沥青面层结构组合方案的三层组合式试件进行了车辙试验，并对组成这些结构的沥青混合料在5cm标准厚度下进行了单层材料的轮辙试验。材料和组合结构的车辙试验结果列于表1。

表1  层位与组合结构车辙试验结果

利用数学软件1st0pt对表1的数据按照公式（2）的模型进行回归处理，可以得到公式（2）的3个修正系数：

=3.75377，

=16.915686，

=57.08352。拟合的相关系数为0.98。

2、沥青面层结构整体动稳定度控制标准的分解

设定沥青面层结构整体动稳定度控制标准为[DS ₀ ]=2000（次/mm），并将[DS ₀ ]值和

、、

的值代入式（2），然后利用该方程得到多个[DS _i ]和厚度的组合方案。部分组合方案如表2所示。

表2 层位动稳定度组合方案

3、层位动稳定度控制标准和层厚组合方案分析

1）有多种不同的层位动稳定度和厚度组合方案可以达到相同的结构整体动稳定度，而且方案之间的差别可以非常大。如表2中前三种方案显示，可以要求上面层动稳定度高于中面层，也可以要求中面层动稳定度远高于上面层，还可以要求上中面层动稳定度相当。

2）在保证达到相同的结构整体动稳定度的前提下，各层位可以设置成不同的动稳定度控制标准和层厚。由表2可见，动稳定度为800(次/mm)的沥青混合料用于第5、6种组合结构的中下面层都是满足要求的，但在中面层厚度增加的情况下，需要增加其他层位的抗车辙性能才能维持相同的结构整体抗车辙性能；从方案1的中下面层的动稳定度控制标准来看，选择的材料类型应是AC类混合料，但按目前的方法，必然会导致中面层抗车辙性能不足或下面层抗车辙性能过剩。

3）可以根据表2中5种方案的层位动稳定度控制标准，分别为各层选择沥青混合料类型，然后对组合结构的整体抗裂性能和经济性等进行对比分析，便于选择性价比高的组合结构作为最终的设计结构。

此实施例表明，本发明可以实现沥青面层结构和层位动稳定度控制标准的联动设置，并综合考虑结构层所处位置和层厚来设置层位的动稳定度控制标准，还可以进行结构组合方案的优选，具有广阔的应用前景。 

Claims (6)

1.一种沥青面层结构整体动稳定度的层位分解方法，其特征在于：首先提出一个沥青面层结构整体动稳定度的层位分解方程：

式中：DS ₀  为沥青面层结构整体动稳定度（次/mm），n为沥青面层的组成层数，DS _i 为面层第i层位的动稳定度（次/mm），h _i 为面层第i层位的厚度（mm），为综合修正系数。

2.然后将设定的沥青面层结构整体动稳定度控制标准值[DS ₀ ]代入上述方程，分解得到多个层位动稳定度控制标准值[DS _i ]（次/mm）和厚度h _i 的组合方案。

3.根据权利要求1所述的沥青面层结构整体动稳定度层位分解方法，其特征

在于，可以实现结构整体抗车辙性能与层位抗车辙性能的统一。

4.根据权利要求1所述的沥青面层结构整体动稳定度层位分解方法，其特征在于，分解得到的层位动稳定度控制标准与其对应的层厚直接相关，即不同的厚度组合方案对应不同的层位动稳定度控制标准组合方案。

5.根据权利要求1所述的沥青面层结构整体动稳定度层位分解方法，其特征在于，路面结构层厚度及所处的位置不同，其对应的动稳定度控制标准可以不同。

6.根据权利要求1所述的沥青面层结构整体动稳定度层位分解方法，其特征在于，有多种不同的层厚和层位动稳定度控制标准组合方案能达到相同的结构整体动稳定度控制标准。