CN110110495A - 一种同步确定沥青路面结构层模量和沥青面层泊松比的反算方法 - Google Patents

一种同步确定沥青路面结构层模量和沥青面层泊松比的反算方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种同步确定沥青路面结构层模量和沥青面层泊松比的反算方法，通过建立沥青面层材料动态模量E与泊松比μ之间的关系模型，通过落锤式弯沉仪测定一组拟反算路面的实测弯沉盆数据；通过基于同伦算法的路面结构层模量反演方法计算得到一组面层、基层、底基层和土基模量；然后将反演计算的沥青面层模量代入沥青面层材料动态模量E与泊松比μ的关系模型中，得到沥青面层的修正泊松比；最后通过迭代计算从而确定路面各结构层最终的模量及沥青面层的泊松比。该方法考虑了沥青面层材料泊松比的温度依赖特性，从而使沥青路面结构层模量的反算结果更加准确可靠。

Description

一种同步确定沥青路面结构层模量和沥青面层泊松比的反算 方法
技术领域
本发明涉及道路工程沥青路面领域，尤其涉及一种同步确定沥青路面结构层模量和沥青面层泊松比的反算方法。
背景技术
由于落锤式弯沉仪(FWD)具有安全无损、快速方便、合理准确等诸多优点，自上世纪70年代问世以来就广泛应用于沥青路面结构层承载能力与服役性能状态的评价与分析。落锤式弯沉仪工作原理为通过在沥青路表施加模拟行车作用的动态荷载，测定在该荷载作用下离荷载中心不同位置处的弯沉，从而得到沥青路面结构的实测弯沉盆。根据落锤式弯沉仪测定的沥青路面结构实测弯沉盆，通过路面结构层模量反算方法可得到各结构层的模量，从而为路面结构的总体承载能力评价和各结构层的服役性能精准分析提供依据。
现有的沥青路面结构层模量反算方法，在其反演过程中须先确定各结构层的泊松比和厚度等参数，通过数学手段计算得到各结构层的模量，使得其对应的计算理论弯沉盆与实测弯沉盆的匹配误差最小。众多相关研究已表明泊松比取值会显著影响结构层模量的反算结果，因此准确选取结构层的泊松比是路面结构层模量反算方法中的关键环节之一。而现有的沥青路面结构层模量反算方法为了方便计算，在结构层泊松比选取问题上一般按沥青路面设计规范中各类铺筑材料的泊松比取值要求直接确定。半刚性沥青路面是我国最典型的路面结构类型，除沥青面层外的其余结构层的材料参数对温度的敏感性较小；而沥青面层材料作为一种典型的粘弹性材料，其模量和泊松比具有明显的温度依赖性。近年相关研究已表明，不同温度下的沥青面层材料的泊松比数值差异巨大，但泊松比与动态模量之间存在较好的相关性。沥青路面在实际服役过程中，其结构层受环境气温等外部因素影响呈现大幅值的周期性波动，在冬季低温条件下沥青面层材料的泊松接近0.1，而在夏季高温条件下其泊松比可增至0.5左右。因此通过沥青面层泊松比为定值的现有路面结构层模量反算方法，来计算和评价不同温度下的沥青路面结构层模量，显然存在一定的局限性与不合理性。
鉴于上述问题，本发明根据沥青面层材料的动态模量与泊松比两者间的相关性，提出一种能够同步确定沥青路面结构层模量和沥青面层泊松比的反算方法。该方法充分考虑了沥青面层材料泊松比的温度依赖特性，从而有利于更加准确、合理的确定沥青路面各结构层的模量特性，为进一步完善沥青路面承载力性能评价体系奠定基础。
发明内容
本发明的目的在于提供一种同步确定沥青路面结构层模量和沥青面层泊松比的反算方法，解决现有路面结构层模量反算方法中未考虑沥青面层材料泊松比温度依赖性的不足，从而有利于更合理、科学的评价路面结构层在不同季节环境下的模量特性。
一种同步确定沥青路面结构层模量和沥青面层泊松比的反算方法，包括如下步骤：
(1)确定待反算沥青路面结构的沥青面层、基层、底基层与土基各自的铺筑材料以及对应的厚度h1，h2，h3，h4；
(2)通过室内试验测定沥青面层材料在不同试验温度和加载频率下的动态模量E和泊松比μ；
(3)建立沥青面层材料的动态模量E与泊松比μ的关系模型；
(4)通过落锤式弯沉仪在待反算沥青路面的表面施加一个半径为R的荷载P，在离荷载中心点由近到远的不同位置路表处依次设置序号为1，2，3…x的测点，测定各测点处的弯沉，得到一组对应的实测弯沉盆数据D1，D2，D3…Dx；
(5)假定沥青面层、基层、底基层与土基对应的初始模量分别为
(6)假定沥青面层的初始泊松比根据基层、底基层与土基所用的铺筑材料类型，按公路沥青路面设计规范中各类铺筑材料的泊松比取值要求，直接确定基层泊松比μ2、底基层泊松比μ3与土基泊松比μ4；
(7)根据荷载P下的实测弯沉盆数据以及路面各结构层的厚度、初始模量和泊松比参数，通过路面结构层模量反演方法计算得到面层、基层、底基层和土基各层对应的模量E’1，E’2，E’3和E’4，使其对应的计算理论弯沉盆D’1，D’2，D’3…D’x与实测弯沉盆数据(D1，D2，D3…Dx)的匹配误差δ最小；
(8)将反演计算的沥青面层模量E’1代入沥青面层材料动态模量E与泊松比μ的关系模型，得到沥青面层的修正泊松比μ’1；
(9)若则结束计算，沥青面层、基层、底基层和土基最终对应的模量为E’1，E’2，E’3，E’4，沥青面层最终的泊松比为若则将沥青层修正泊松比μ’1取代初始泊松比其余结构层所对应的泊松比保持不变，重新返回执行步骤(6)，(7)，
(8)和(9)进行迭代计算，直至
所述步骤(1)中土基的结构层厚度h4为无穷大。
所述步骤(2)中的沥青面层材料的动态模量E通过沥青混合料单轴压缩动态模量试验T 0738-2011测定。
所述步骤(2)中的沥青面层材料的泊松比μ通过沥青混合料动态间接拉伸试验TP131-18测定。
所述步骤(2)中的试验温度通常为0、10、20、30、40℃，加载频率通常为0.1、0.5、1、5、10、25Hz。
所述步骤(3)中的沥青面层材料的动态模量E与泊松比μ的关系模型为sigmoidal函数模型：
式中：e为自然常数；a，b为回归系数。
所述步骤(4)中的x为大于等于9的正整数。
所述的沥青面层材料的泊松比μ、沥青面层的初始泊松比沥青面层的修正泊松比μ’1、基层泊松比μ2、底基层泊松比μ3及土基泊松比μ4均保留三位小数。
所述步骤(7)中的路面结构层模量反演方法为基于同伦算法的路面结构层模量反演方法。
所述步骤(7)中计算理论弯沉盆D’1，D’2，D’3…D9’与实测弯沉盆数据D1，D2，D3…D9的匹配误差δ的计算式为：
式中：δ为匹配误差，％；i为测点序号；Di为测点i的实测弯沉；D’i为测点i的计算理论弯沉。
有益效果：
本发明提供的同步确定沥青路面结构层模量和沥青面层泊松比的反算方法，通过建立沥青面层材料动态模量与泊松比之间的内关系模型，通过迭代计算同时得到沥青路面各结构层的模量和沥青面层的泊松比。本方法克服了现有路面结构层模量反算方法中未考虑沥青面层材料泊松比温度依赖性的不足，有利于进一步完善沥青路面结构模量反算体系。
附图说明
图1为本发明提供的同步确定沥青面层泊松比和沥青路面结构层模量的反算方法的流程图，
图2为本发明的沥青路面实测弯沉盆的测定示意图，
图3为实施例中沥青面层材料的动态模量E与泊松比μ的关系模型拟合图。
具体实施方式
以下结合一个实施例来进一步说明沥青路面结构层模量的反算方法。
实施例1：
某公路的结构形式为我国最典型的半刚性沥青路面结构，拟反算夏、秋、冬三季时该路面结构的各结构层模量及沥青面层的泊松比。流程图见图1。
具体实施步骤如下：
步骤1.划分拟反算沥青路面的结构层，确定各结构层的铺筑材料与厚度。
通过对设计和施工资料调研分析，得到该公路的结构与材料组成参数，详见表1。由表1可见，沥青面层分为由三种沥青混合料铺筑的上、中、下面层，其厚度h1为18cm；基层包括上、下基层，铺筑材料均为水泥稳定碎石，其厚度h2为38cm；底基层为半刚性水泥稳定土，其厚度h3为20cm；土基由普通土铺筑，厚度h4视为无穷大。
表1拟反算沥青路面的结构与材料
步骤2.室内试验测定沥青面层材料的动态模量E与泊松比μ。
该公路的沥青面层材料包括三种沥青混合料，分别为SBS-AC13沥青混合料、SBS-AC20沥青混合料和70#-AC25沥青混合料。在试验室内开展沥青混合料单轴压缩动态模量试验(T 0738-2011)和动态间接拉伸试验(TP 131-18)，试验温度为0、10、20、30、40℃，加载频率均为25、10、5、1、0.5、0.1Hz，分别测定三种沥青沥青混合料动态模量E和泊松比μ，试验结果详见表2。
表2沥青面层材料在不同温度和频率下的动态模量与泊松比
步骤3.建立沥青面层材料动态模量E与泊松比μ的关系模型。见图3。
根据表2的沥青面层材料在不同温度和频率下的动态模量E与泊松比μ结果，建立动态模量E与泊松比μ之间sigmoidal函数形式的关系模型：
步骤4.在路表施加半径为R的荷载P，测定不同测点处的弯沉，得到实测弯沉盆数据。
通过落锤式弯沉仪在该公路沥青路面表面，施加一个半径R为15cm、大小为50KN的荷载P，在离荷载中心点距离分别为0cm、23cm、53cm、69cm、85cm、116cm、153cm、175cm、205cm处依次设置序号为1，2，3…9的测点，测定各测点在荷载P下的路表弯沉，从而得到一组对应的实测弯沉盆数据(D1，D2，D3…D9)，见图2。表3为该公路在某桩号处所测定的夏、秋、冬三季时的弯沉盆数据。
表3不同季节的实测弯沉盆数据
步骤5.假定沥青面层、基层、底基层和土基对应的初始模量。
由于基于同伦算法的路面结构层模量反演方法具有大范围收敛且不受初始模量取值影响的优点，因此将夏、秋、冬三季对应沥青面层初始模量基层初始模量底基层初始模量与土基初始模量均分别假定为10000、5000、2000和100MPa(本领域技术人员可以按经验取值)。
步骤6.假定沥青面层的初始泊松比，依照设计规范直接确定其余结构层泊松比。
假定沥青面层的初始泊松比为0.250(本领域技术人员可以按经验取值)，由于该路面结构的基层和底基层所用材料为无机结合料类材料，土基铺筑材料为普通土，按公路沥青路面设计规范中各类铺筑材料的泊松比取值要求，直接确定基层泊松比μ2、底基层泊松比μ3与土基泊松比μ4分别为0.250、0.250和0.400；
步骤7.通过路面结构层模量反演方法计算路面各结构层的模量。
根据表3荷载P下的实测弯沉盆数据(D1，D2，D3…D9)，路面各结构层厚度(h1，h2，h3，h4)以及步骤5中初始模量和步骤6中的泊松比(μ2，μ3，μ4)，通过基于同伦算法的路面结构层模量反演方法计算得到夏、秋、冬三季各结构层的反算模量(E’1，E’2，E’3，E’4)，使其对应的计算理论弯沉盆(D’1，D’2，D’3…D’9)与实测弯沉盆数据(D1，D2，D3…D9)的匹配误差δ最小，具体结果见表4和表5。
表4沥青路面的各结构层模量
表5实测弯沉盆与计算理论弯沉盆的匹配误差
步骤8.将沥青面层模量E’1代入动态模量E与泊松比μ的关系模型，得到对应的沥青面层的修正泊松比μ’1。
将表5中的夏、秋、冬三季的沥青面层模量E’1代入动态模量E与泊松比μ的关系模型，得到对应的沥青面层的修正泊松比μ’1，计算结果见表6。
表6夏、秋、冬三季的沥青面层修正泊松比μ’1
步骤9.迭代计算直至确定路面各结构层最终的模量及沥青面层的泊松比
由表6的结果可见，夏、秋、冬三季沥青面层的修正泊松比μ’1分别为0.407、0.309和0.177，而给定的沥青面层初始泊松比均为0.250，显然因此将沥青面层的修正泊松比μ’1取代原先假定的沥青面层初始泊松比其余结构层所对应的泊松比均保持不变，重新返回执行步骤(6)，(7)，(8)和(9)进行迭代计算。经3次迭代计算后，夏、秋、冬三季的沥青面层的初始泊松比与修正泊松比μ’1满足因此结束计算过程，此时的(E’1，E’2，E’3，E’4)为各结构层最终对应的模量，为沥青面层最终的泊松比。夏、秋、冬三季的具体迭代计算过程见表7～表9，本发明方法与现有方法的结果比较见表10。
表7夏季各结构层反算模量的迭代计算
表8秋季各结构层反算模量的迭代计算过程
表9冬季各结构层反算模量的迭代计算过程
表10夏、秋、冬三季沥青路面结构层模量与泊松比
由表10可见，由于现有的路面结构层模量反算方法将沥青面层泊松比直接设为恒定值(0.25)，忽略了气温等外部因素对沥青面层材料泊松比的影响，其计算结果与本发明方法的计算结果存在较大的差异性。此外，采用现有方法计算的夏、秋、冬三季的基层模量分别为17271、12099和8897MPa，底基层模量分别为384、1221和1233Mpa，这显然违背了水稳材料在路面结构中的模量基本保持恒定的客观规律。本发明方法克服了现有方法中沥青面层泊松比取固定值的缺陷，且能够同步确定沥青路面结构层模量和沥青面层泊松比。本发明方法计算的沥青面层模量和泊松比均随着季节变化而显著变化，沥青面层模量大小排序为夏季＜秋季＜冬季，沥青面层泊松比的规律反之；而其余结构层模量随着季节变化基本保持稳定，这符合沥青类材料具有显著温度依赖性而水稳材料和土基材料不受温度影响的客观规律，也体现了本发明方法的合理性与优越性。
文中应用了具体个例对原理和操作流程进行了阐述和说明，以上实施例的说明只是用于帮助阐明本发明的核心思想和方法。应当指出，对于本专业领域的技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种同步确定沥青路面结构层模量和沥青面层泊松比的反算方法，包括如下步骤：
(1)确定待反算沥青路面结构的沥青面层、基层、底基层与土基各自的铺筑材料以及对应的厚度h1，h2，h3，h4；
(2)通过室内试验测定沥青面层材料在不同试验温度和加载频率下的动态模量E和泊松比μ；
(3)建立沥青面层材料的动态模量E与泊松比μ的关系模型；
(4)通过落锤式弯沉仪在拟反算沥青路面的表面施加一个半径为R的荷载P，在离荷载中心点由近到远的不同位置路表处依次设置序号为1，2，3…x的测点，测定各测点处的弯沉，得到一组对应的实测弯沉盆数据D1，D2，D3…Dx；
(5)假定沥青面层、基层、底基层与土基对应的初始模量
(6)假定沥青面层的初始泊松比根据基层、底基层与路基所用的铺筑材料类型，按公路沥青路面设计规范中各类铺筑材料的泊松比取值要求，直接确定基层泊松比μ2、底基层泊松比μ3与土基泊松比μ4；
(7)根据荷载P下的实测弯沉盆数据以及路面各结构层的厚度、初始模量和泊松比参数，通过路面结构层模量反演方法计算得到面层、基层、底基层和土基各层对应的模量E’1，E’2，E’3，E’4，使其对应的计算理论弯沉盆D’1，D’2，D’3…D’x与实测弯沉盆数据D1，D2，D3…Dx的匹配误差δ最小；
(8)将反演计算的沥青面层模量E’1代入沥青面层材料动态模量E与泊松比μ的关系模型，得到沥青面层的修正泊松比μ’1；
(9)若则结束计算，沥青面层、基层、底基层和土基最终对应的模量为E’1，E’2，E’3，E’4，沥青面层最终的泊松比为若则将沥青层修正泊松比μ’1取代初始泊松比其余结构层所对应的泊松比保持不变，重新返回执行步骤(6)，(7)，(8)和(9)进行迭代计算，直至
2.根据权利要求1所述的反算方法，所述步骤(1)中土基的结构层厚度h4为无穷大。
3.根据权利要求1所述的反算方法，所述步骤(2)中的沥青面层材料的动态模量E通过沥青混合料单轴压缩动态模量试验T 0738-2011测定。
4.根据权利要求1所述的反算方法，所述步骤(2)中的沥青面层材料的泊松比μ通过沥青混合料动态间接拉伸试验TP 131-18测定。
5.根据权利要求1所述的反算方法，所述步骤(2)中的试验温度通常为0、10、20、30、40℃，加载频率通常为0.1、0.5、1、5、10、25Hz。
6.根据权利要求1所述的反算方法，所述步骤(3)中的沥青面层材料的动态模量E与泊松比μ的关系模型为sigmoidal函数模型：
式中：e为自然常数；a，b为回归系数。
7.根据权利要求1所述的反算方法，所述步骤(4)中的x为大于等于9的正整数。
8.根据权利要求1所述的反算方法，所述的沥青面层材料的泊松比μ、沥青面层的初始泊松比μ1 0、沥青面层的修正泊松比μ’1、基层泊松比μ2、底基层泊松比μ3及土基泊松比μ4均保留三位小数。
9.根据权利要求1所述的反算方法，所述步骤(7)中的路面结构层模量反演方法为基于同伦算法的路面结构层模量反演方法。
10.根据权利要求1所述的反算方法，所述步骤(4)中的x为9，所述步骤(7)中计算理论弯沉盆D’1，D’2，D’3…D’9与实测弯沉盆数据D1，D2，D3…D9的匹配误差δ的计算式为：
式中：δ为匹配误差，％；i为测点序号；Di为测点i的实测弯沉；D’i为测点i的计算理论弯沉。
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