CN107798175B - 一种评估沥青路面初步设计阶段承载力储备的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种评估沥青路面初步设计阶段承载力储备的方法,本发明考虑结构余度提出了强度储备因子与刚度储备因子参数。以沥青路面各结构层的容许应力与计算应力之差为强度储备,强度储备与容许应力的相对值为强度储备因子,刚度储备则分为路表弯沉储备因子和路基顶面压应变储备因子,并基于局部惩罚‑激励型状态变权函数,建立了沥青路面整体承载力储备评价函数。根据本发明的评估沥青路面初步设计阶段承载力储备的方法,能够评估不同地区、不同结构的沥青路面初步设计阶段承载力储备。另外,该方法具有重要的应用价值,为沥青路面设计提供参数,为优化沥青路面结构组合设计方案提供参考。
Description
技术领域
本发明属于道路工程技术领域,具体涉及一种评估沥青路面初步设计阶段承载力储备的方法。
背景技术
针对沥青路面设计,由于存在繁杂的荷载和环境等因素,设计初步阶段大多会有不同的设计方案。所以,能够在路面设计之初比较不同路面设计方案的差异显得十分重要。
我国现行沥青路面结构组合设计以路表弯沉和层底拉应力为控制指标,验算不同的组合设计方案,满足规范要求后比选技术经济成本,即可确定最终设计方案,对不同沥青路面结构组合的承载力与安全储备差异往往忽略,仅仅要求满足规范要求。目前国内外大多采用实测路表弯沉或者弯沉盆面积、应用FWD测定结果反演、使用GPR进行路面调查以及承载板试验检测等方法评估路面的承载力。但这些方法中大部分需要在沥青路面建成之后再进行现场测量,无法在路面设计之初比较不同路面设计方案的差异。
图1是一种水泥乳化沥青混凝土路面结构(方案一)的各结构层弯拉应力指标图,图2是一种半刚性基层沥青路面结构(方案二)的各结构层弯拉应力指标图,图3是两种组合方案的路表弯沉图,图4是两种方案的路基顶部压应变图。它们的共同特点是:两个方案的应力应变和弯沉值都小于设计值或容许值,即表明按我国当前的沥青路面结构组合设计方法,这两种路面材料与结构组合方案均满足沥青路面结构设计规范要求。
从上述内容可以看出,两种方案均满足了规范的要求,但是两者之间的承载力储备差异并未有明确的定量分析与表征,依然无法指出总体承载力储备更优的方案。
发明内容
为了解决上述技术问题,本发明提供了一种能够综合评估不同沥青路面设计方案总体承载力储备的方法。
本发明所采用的技术方案是:一种评估沥青路面初步设计阶段承载力储备的方法,包括以下步骤:
步骤1:计算强度储备因子;
其中,[σ]i为第i层材料容许应力,σmi为第i层的最大拉应力计算值,Gi为第i层材料的强度储备因子;
步骤2:计算路表弯沉储备因子;
其中,ld为路表弯沉设计值,ls为路表弯沉计算值,Ks为路表弯沉储备因子;
步骤3:计算路基顶部压应变储备因子;
其中,[εz]为路基顶部压应变容许值,εz为路基顶部压应变计算值,KF为路基顶部压应变储备因子;
步骤4:根据承载力储备评价函数值B来评价沥青路面的承载力储备;
其中,ω(xj)为各分项指标的权重系数,xj为各分项指标状态,即各结构层强度储备因子、路表弯沉储备因子、路基顶部压应变储备因子,j为评价指标序号,m是评价指标总数目,n是结构层总数。
根据本发明的评估沥青路面初步设计阶段承载力储备的方法,能够评估不同沥青路面设计方案总体承载力储备。另外,该方案具有重要的应用价值,为沥青路面初步设计阶段承载力储备评估的深入研究奠定基础。
附图说明
图1是一种水泥乳化沥青混凝土路面结构(方案一)各结构层弯拉应力指标图;
图2是一种半刚性基层沥青路面结构(方案二)各结构层弯拉应力指标图;
图3是两种组合方案的路表弯沉图;
图4是两种方案的路基顶部压应变图;
图5是两种方案各结构层强度储备因子对比图;
图6是两种方案刚度储备因子对比图;
图7是两种方案承载力储备评价函数值比较图。
具体实施方式
为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明,下面结合附图及实施例对本发明作进一步的详细描述,应当理解,此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本发明,并不用于限定本发明。
本发明提供的一种评估沥青路面初步设计阶段承载力储备的方法,包括以下步骤:
步骤1:计算强度储备因子;
其中,[σ]i为第i层材料容许应力,σmi为第i层的最大拉应力计算值,Gi为第i层材料的强度储备因子;
步骤2:计算路表弯沉储备因子;
其中,ld为路表弯沉设计值,ls为路表弯沉计算值,Ks为路表弯沉储备因子;
步骤3:计算路基顶部压应变储备因子;
其中,[εz]为路基顶部压应变容许值,εz为路基顶部压应变计算值,KF为路基顶部压应变储备因子;
步骤4:根据承载力储备评价函数值B来评价沥青路面的承载力储备;
其中,ω(xj)为各分项指标的权重系数,xj为各分项指标状态,即各结构层强度储备因子、路表弯沉储备因子、路基顶部压应变储备因子,j为评价指标序号,m是评价指标总数目,n是结构层总数。
对于ω(xj),基于一种局部变权评价方法,核心是以一种局部惩罚-激励型状态变权函数将各分项评价指标xj的权重系数ω(xj)进行相应的惩罚和激励,即将表现差的评价指标权重系数放大,将表现好的的评价指标权重系数缩小。其中惩罚-激励型状态变权函数为:
假设各分项评价指标的初始权重系数为
那么将各分项指标的初始权重系数代入惩罚-激励型状态变权函数,新的权重系数为:
本实施例以两种不同的沥青路面材料与结构组合方案为例,建立三维有限元分析模型计算应力(应变)及路表弯沉,长度和宽度均为600cm,其余路面材料与结构参数见表1-2。车轮荷载为标准轴载BZZ-100,各层材料线弹性,层间完全连续。边界条件:底面全约束,X轴上的两边界面约束X方向的位移,Z轴上的两边界面约束Z方向的位移。公路等级为一级公路,设计年限15年,单车道累计当量轴次2.08×107。
表1路面材料与结构组合方案一
表2路面材料与结构组合方案二
得到图1-4。
由图1-4,按我国当前的沥青路面结构组合设计方法,这两种路面材料与结构组合方案均满足沥青路面结构设计规范要求,但两者之间的承载力储备差异并未有明确的定量分析与表征。
基于储备因子的承载力储备分析
由公式(1-4),计算得到各结构层的强度储备因子与路面结构的刚度储备因子。
得到图5和图6。
由图5和图6,比较不同方案各项承载力储备指标。从刚度储备因子的角度看,方案一的路表弯沉储备因子为6.50%大于方案二的6.06%,但路基顶部压应变储备因子30.33%却略小于方案二的32.03%。在比较各结构层强度储备因子时发现,半刚性材料基层或底基层总是各结构层中储备强度因子最小的,比如方案一:52.68%(底基层)<78.59%(基层)<85.06%(上面层)<89.33%(下面层)<90.25%(中面层),方案二:54.30%(底基层)<80.84%(基层)<84.66%(上面层)<87.76%(下面层)<89.63%(中面层),说明底基层将最有可能是这两类路面结构率先发生开裂的位置,而在实际工程中,半刚性材料层开裂引起的反射裂缝非常普遍。再将两方案横向比较,方案一的半刚性材料层强度储备因子总是低于方案二,基层:78.59%<80.84%、底基层:52.68%<54.30%;对于沥青混凝土层的强度储备因子,却是方案一总高于方案二,上面层:85.06%>84.66%、中面层:90.25%>89.63%、下面层:89.33%>87.76%。
从前述的对比可以发现,在各项承载力储备指标上,方案一与方案二各有优劣。方案一的路表弯沉储备和沥青混凝土层强度储备均强于方案二,但在路基顶部压应变储备和半刚性材料层强度储备上却不及方案二。各分项指标仅能比较两种方案在承载力储备上的差异,依然无法指出总体承载力储备更优的方案。
那么应用沥青路面承载力储备评价函数来计算两个方案的承载力储备评价值。假定各分项评价指标初始权重系数相同,均为1/7,然后根据公式(4-7)使用惩罚-激励变权函数计算出新的评价指标权重系数,进而计算得出两种方案的承载力储备函数值。
表3方案一的承载力储备评价
表4方案二的承载力储备评价
得到图7。
通过图7比较发现,B1=38.20%>B2=37.72%,可以得出结论:方案一在承载力储备方面比方案二要更胜一筹。
应当理解的是,本说明书未详细阐述的部分均属于现有技术。
应当理解的是,上述针对较佳实施例的描述较为详细,并不能因此而认为是对本发明专利保护范围的限制,本领域的普通技术人员在本发明的启示下,在不脱离本发明权利要求所保护的范围情况下,还可以做出替换或变形,均落入本发明的保护范围之内,本发明的请求保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (2)
1.一种评估沥青路面初步设计阶段承载力储备的方法,其特征在于,包括以下步骤:
步骤1:计算强度储备因子;
其中,[σ]i为第i层材料容许应力,σmi为第i层的最大拉应力计算值,Gi为第i层材料的强度储备因子;
步骤2:计算路表弯沉储备因子;
其中,ld为路表弯沉设计值,ls为路表弯沉计算值,Ks为路表弯沉储备因子;
步骤3:计算路基顶部压应变储备因子;
其中,[εz]为路基顶部压应变容许值,εz为路基顶部压应变计算值,KF为路基顶部压应变储备因子;
步骤4:根据承载力储备评价函数值B来评价沥青路面的承载力储备;
其中,ω(xj)为各分项指标的权重系数,xj为各分项指标状态,即各结构层强度储备因子、路表弯沉储备因子、路基顶部压应变储备因子,j为评价指标序号,m是评价指标总数目,n是结构层总数;
其中,以惩罚-激励型状态变权函数将各分项评价指标xj的权重系数ω(xj)进行相应的惩罚和激励,将各分项指标的初始权重系数代入惩罚-激励型状态变权函数,得到新的权重系数;
其中惩罚-激励型状态变权函数为:
假设各分项评价指标的初始权重系数为:
那么将各分项指标的初始权重系数代入惩罚-激励型状态变权函数,新的权重系数为:
所述方法将新的权重系数代入步骤4中计算出该沥青路面结构组合的承载力储备评价值B。
2.根据权利要求1所述的评估沥青路面初步设计阶段承载力储备的方法,其特征在于:所述方法最后通过比较承载力储备评价函数值B对不同沥青路面结构组合的承载力与安全储备差异进行比较,承载力储备评价函数值B越大则代表着该沥青路面结构组合的承载力储备越安全。
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