CN109917117A - 一种现役沥青路面剩余寿命预估方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种现役沥青路面剩余疲劳寿命预估方法，该方法包括以下步骤：一、调研现役沥青路面各车道的历史交通量及累计轴次；二、结合道路养护维修计划在不同交通量作用工况下进行现役路面沥青层地震波模量检测；三、对不同车道现役路面沥青层混合料进行取样，通过室内试验评价现役沥青混合料的疲劳性能；四、建立考虑损伤水平的现役沥青混合料的现象学疲劳方程；五、计算现役沥青路面在标准轴载作用下的应力应变响应；六、计算具有不同损伤水平的现役沥青混合料在实际应变响应下的室内疲劳寿命；七、根据Miner法则计算现役沥青混合料的疲劳转换因子，进行剩余疲劳寿命的预估。本发明解决了现有现役沥青路面剩余疲劳寿命无法预估的问题。

Description

一种现役沥青路面剩余寿命预估方法

技术领域

本发明实施例涉及道路工程领域，具体涉及一种现役沥青路面剩余寿命预估方法。

背景技术

我国高等级公路建设已进入“养护为主，建设为辅”的新阶段，公路养护维修的任务日益繁重，而重复荷载作用导致的疲劳开裂是沥青路面的常见破坏形式之一。随着交通荷载作用次数的增加，现役沥青混合料的疲劳损伤不断累积，疲劳性能不断衰变。然而，针对现役沥青路面剩余疲劳寿命进行预估的研究尚未受到足够的关注。

此外，受到加载条件、环境状况、路面结构厚度和疲劳损伤愈合等因素的影响，沥青混合料的室内疲劳性能与现场疲劳行为具有很大的差异，难以直接将室内疲劳寿命转换为现场疲劳寿命。

综上所述，对现役沥青混合料的疲劳寿命进行预估具有非常重要的意义，能够为路面结构剩余承载能力评价奠定基础，有助于路面养护维修决策的制定。但是，既有的研究尚未能够很好的建立室内疲劳试验结果与现场疲劳行为之间的联系。因此，有必要提出一种适用于现役沥青路面剩余疲劳寿命预估的方法。

发明内容

为此，本发明实施例提供一种现役沥青路面剩余寿命预估方法，以解决现有现役沥青路面剩余疲劳寿命无法预估的问题。

为了实现上述目的，本发明实施例提供如下技术方案：

根据本发明实施例，公开了一种现役沥青路面剩余寿命预估方法，所述预估方法为：

S1：调研分析现役沥青路面各车道的历史交通量及累计轴次，所述现役沥青路面的历史交通量为现役道路各车道轮迹带所经历的累计当量标准轴载作用次数；

S2：结合道路养护维修计划在不同交通量作用工况下进行现役路面沥青层模量检测，所述现役路面沥青层模量检测采用的设备为便携式地震波地质分析仪；

S3:在不同车道进行现役路面沥青层混合料取样，通过室内试验评价现役沥青混合料的疲劳性能，所述现役路面沥青层混合料取样是指在各车道轮迹带上进行现役沥青混合料取样；

S4:建立考虑损伤水平的现役沥青混合料的现象学疲劳方程，所述考虑损伤水平的现役沥青混合料的现象学疲劳方程为：

式中，N_f是现役沥青混合料的室内疲劳寿命，ε是应变水平，D是现役沥青混合料的损伤水平，a，b和c分别是模型参数；

S5:计算现役沥青路面在标准轴载作用下的应力应变响应，所述的现役沥青路面应力应变响应计算是指在多层弹性体分析软件内建立路面的计算模型，根据各结构层的厚度和模量进行计算，将沥青层内的最大拉应变作为导致路面疲劳失效的临界拉应变；

S6:计算具有不同损伤水平的现役沥青混合料在实际应变水平下的室内疲劳寿命，将S5中计算得到的现役沥青路面在标准轴载作用下的临界拉应变代入S4中建立的现役沥青混合料的现象学疲劳方程，计算得到现役沥青混合料在实际应变响应下的室内疲劳寿命；

S7:根据Miner法则计算现役沥青混合料的疲劳转换因子，并进行剩余疲劳寿命的预估，根据Miner法则，所述疲劳转换因子的计算公式为：

式中，SF是疲劳转换因子；N_fi和N_fj分别是经历了N_i和N_j次当量标准轴载作用后的现役沥青混合料的室内疲劳寿命，将S6中计算得到的现役沥青混合料的室内疲劳寿命乘以疲劳转换因子即可求得现役沥青混合料的剩余疲劳寿命。

进一步地，所述S1中对现役沥青路面历史交通量统计，首先对道路历年的交通量进行分车型统计，根据道路的具体情况选取合适的方向系数、车道系数、轮迹横向分布系数和各车型的平均当量轴载换算系数，计算得到各车道历年的累计当量标准轴载作用次数。

进一步地，所述S3中的现役路面沥青层混合料取样采用钻芯或切割方法在不同车道轮迹带上取得柱状或板状材料，用于制备室内疲劳试验所需试件，各交通量作用工况下的现役路面沥青混合料制备得到的试件不少于9个。

进一步地，所述S3中的现役路面沥青层混合料室内疲劳试验方法选用应变控制模式疲劳试验，各交通量作用工况下的现役路面沥青混合料选用的应变水平不少于3个，各个应变水平下的平行试件不少于3个。

进一步地，所述S4中的现役路面沥青层混合料损伤水平通过路面沥青层的模量衰变百分率计算得到。

进一步地，所述路面沥青层的模量衰变百分率计算所采用的模量根据S2中基于PSPA的检测结果得到。

进一步地，所述S5中标准轴载为单轴双圆100kN的荷载。

进一步地，所述S6中应力应变响应结果为路面沥青层内的最大拉应变，即临界拉应变。

本发明实施例具有如下优点：

本发明实施例公开了一种现役沥青路面剩余寿命预估方法，考虑路面沥青层模量衰减对现役沥青混合料疲劳抗力的影响，可以对现役沥青混合料的室内疲劳寿命进行很好的建模评价；根据现役沥青混合料在标准轴载作用下的实际应变响应作为联系室内疲劳性能与现场疲劳行为的桥梁，克服了难以直接应用室内疲劳试验结果进行现场疲劳寿命预估的困难；根据不同交通量工况下的现役沥青混合料室内疲劳试验结果，基于Miner法则，可以比较准确的计算得到现役沥青混合料的疲劳转换因子，从而较好的预估现役沥青路面的剩余疲劳寿命。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是示例性的，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图引伸获得其它的实施附图。

本说明书所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。

图1为本发明实施例提供的某高速公路沥青层上面层混合料的疲劳方程曲线；

图2为本发明实施例提供的某高速公路沥青层中面层混合料的疲劳方程曲线；

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例

本实施例公开了一种现役沥青路面剩余寿命预估方法，具体预估方法为：

(1)现役道路交通量调研

对某双向四车道现役高速公路的历史交通量进行调研，根据道路状况和调研结果，选取方向系数为0.5，车道系数为0.84，轮迹横向分布系数为0.25，统计得到现役路面行车道所经历的累计当量标准轴载作用次数。

(2)现役沥青路面模量检测

结合道路养护维修计划采用PSPA在经历了不同交通量作用工况下的行车道轮迹带上进行现役路面沥青层的模量检测，并以行车道外侧路肩处的模量检测结果作为现役路面沥青层的初始模量，根据沥青层模量衰变率计算其损伤水平，计算结果如下：

表1现役路面沥青层模量检测结果和损伤水平

(3)现役沥青混合料室内疲劳试验

在经历了不同交通量作用工况的行车道轮迹带上进行现役沥青混合料取样，在实验室内进行切割，制备梁式试件，通过应变控制模式的四点小梁弯曲疲劳试验评价现役沥青混合料的疲劳性能，疲劳失效判定标准依据美国ASTM D7460-10规范，得到现役路面上面层和中面层沥青混合料的疲劳方程曲线，分别如图1和图2所示。

(4)现役沥青混合料现象学疲劳方程

根据现役沥青混合料的四点小梁疲劳试验结果，结合由现役路面沥青层模量衰变率计算得到的损伤水平，采用SPSS软件的多元回归分析法建立现役路面上面层和中面层沥青混合料的现象学疲劳方程，分别如公式3和公式4所示：

(5)现役沥青路面应力应变响应分析

现役沥青路面结构为4cm细粒式沥青混凝土上面层，6cm中粒式沥青混凝土中面层，8cm粗粒式沥青混凝土下面层，50cm粉煤灰三渣基层，20cm砾石砂垫层和土基。

在多层弹性体分析软件Bisar程序内建立该路面结构的计算模型，取细粒式沥青混凝土抗压回弹模量为2000MPa，中粒式沥青混凝土抗压回弹模量为1600MPa，粗粒式沥青混凝土抗压回弹模量为1600MPa，粉煤灰三渣基层抗压回弹模量为3000MPa，砾石砂垫层抗压回弹模量为300MPa，土基顶面当量回弹模量为40MPa。经Bisar软件计算得到在100kN标准轴载作用下的沥青层内最大拉应变出现在单圆荷载中心下的9.5cm深度处，其值为6.58×10^-5。

(6)现役沥青混合料室内疲劳寿命计算

将由Bisar软件计算得到的现役路面沥青层临界拉应变和由沥青层模量衰变率计算得到的损伤水平参数代入式4，计算得到经历了不同交通量作用工况的中面层现役沥青混合料在实际应变水平的室内疲劳寿命如下：

表2现役沥青混合料室内疲劳寿命

(7)疲劳转换因子计算与剩余疲劳寿命预估

基于Miner法则，根据公式2计算现役沥青混合料的疲劳转换因子，由于本实施例中现役沥青混合料所经历的交通量作用工况大于等于3种，故采用最小二乘法计算疲劳转换因子，本实施例的疲劳转换因子计算结果为0.4826。

将计算得到疲劳转换因子乘以现役沥青混合料的室内疲劳寿命即可求得其剩余疲劳寿命，本实施例的计算结果如下：

表3现役沥青混合料剩余疲劳寿命

在本实施例中，根据经历了不同交通量作用工况的现役沥青混合料的剩余疲劳寿命预估结果计算得到的总疲劳寿命总体上是比较接近的，验证了本发明所提出的现役沥青路面剩余疲劳寿命预估方法的科学有效性。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (8)

1.一种现役沥青路面剩余寿命预估方法，其特征在于，所述预估方法为：

S1：调研分析现役沥青路面各车道的历史交通量及累计轴次，所述现役沥青路面的历史交通量为现役道路各车道轮迹带所经历的累计当量标准轴载作用次数；

S2：结合道路养护维修计划在不同交通量作用工况下进行现役路面沥青层模量检测，所述现役路面沥青层模量检测采用的设备为便携式地震波地质分析仪；

S3:在不同车道进行现役路面沥青层混合料取样，通过室内试验评价现役沥青混合料的疲劳性能，所述现役路面沥青层混合料取样是指在各车道轮迹带上进行现役沥青混合料取样；

S4:建立考虑损伤水平的现役沥青混合料的现象学疲劳方程，所述考虑损伤水平的现役沥青混合料的现象学疲劳方程为：

式中，N_f是现役沥青混合料的室内疲劳寿命，ε是应变水平，D是现役沥青混合料的损伤水平，a，b和c分别是模型参数；

S5:计算现役沥青路面在标准轴载作用下的应力应变响应，所述的现役沥青路面应力应变响应计算是指在多层弹性体分析软件内建立路面的计算模型，根据各结构层的厚度和模量进行计算，将沥青层内的最大拉应变作为导致路面疲劳失效的临界拉应变；

S6:计算具有不同损伤水平的现役沥青混合料在实际应变水平下的室内疲劳寿命，将S5中计算得到的现役沥青路面在标准轴载作用下的临界拉应变代入S4中建立的现役沥青混合料的现象学疲劳方程，计算得到现役沥青混合料在实际应变响应下的室内疲劳寿命；

S7:根据Miner法则计算现役沥青混合料的疲劳转换因子，并进行剩余疲劳寿命的预估，根据Miner法则，所述疲劳转换因子的计算公式为：

式中，SF是疲劳转换因子；N_fi和N_fj分别是经历了N_i和N_j次当量标准轴载作用后的现役沥青混合料的室内疲劳寿命，将S6中计算得到的现役沥青混合料的室内疲劳寿命乘以疲劳转换因子即可求得现役沥青混合料的剩余疲劳寿命。

2.如权利要求1所述的一种现役沥青路面剩余寿命预估方法，其特征在于，所述S1中对现役沥青路面历史交通量统计，首先对道路历年的交通量进行分车型统计，根据道路的具体情况选取合适的方向系数、车道系数、轮迹横向分布系数和各车型的平均当量轴载换算系数，计算得到各车道历年的累计当量标准轴载作用次数。

3.如权利要求1所述的一种现役沥青路面剩余寿命预估方法，其特征在于，所述S3中的现役路面沥青层混合料取样采用钻芯或切割方法在不同车道轮迹带上取得柱状或板状材料，用于制备室内疲劳试验所需试件，各交通量作用工况下的现役路面沥青混合料制备得到的试件不少于9个。

4.如权利要求1所述的一种现役沥青路面剩余寿命预估方法，其特征在于，所述S3中的现役路面沥青层混合料室内疲劳试验方法选用应变控制模式疲劳试验，各交通量作用工况下的现役路面沥青混合料选用的应变水平不少于3个，各个应变水平下的平行试件不少于3个。

5.如权利要求1所述的一种现役沥青路面剩余寿命预估方法，其特征在于，所述S4中的现役路面沥青层混合料损伤水平通过路面沥青层的模量衰变百分率计算得到。

6.如权利要求5所述的一种现役沥青路面剩余寿命预估方法，其特征在于，所述路面沥青层的模量衰变百分率计算所采用的模量根据S2中基于PSPA的检测结果得到。

7.如权利要求1所述的一种现役沥青路面剩余寿命预估方法，其特征在于，所述S5中标准轴载为单轴双圆100kN的荷载。

8.如权利要求1所述的一种现役沥青路面剩余寿命预估方法，其特征在于，所述S6中应力应变响应结果为路面沥青层内的最大拉应变，即临界拉应变。