CN110119589B - 一种半刚性基层沥青路面结构抗反射裂缝能力的计算方法 - Google Patents

一种半刚性基层沥青路面结构抗反射裂缝能力的计算方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种可用于在沥青路面结构设计中计算路面结构抗反射裂缝能力的方法。首先对涉及的不同沥青混合料成型如附图的试件，进行抗剪切型反射裂缝疲劳试验，得到抗反射裂缝疲劳寿命；采用有限元法计算试件中裂缝顶端沥青混合料层底部的应力强度因子；通过回归分析建立不同沥青混合料的抗反射裂缝疲劳寿命方程；然后，计算出各沥青层在其底部各层均开裂后的应力强度因子，得到各沥青层的抗反射裂缝疲劳寿命；将各层的抗反射裂缝疲劳寿命相加后除以方向系数、车道系数，得到路面结构抗反射裂缝能力可以承受的交通量。通过与设计使用期内的累积交通量比较，判断路面结构是否会在设计使用期内产生反射裂缝，或计算出路表出现反射裂缝的可能时间。

Description

一种半刚性基层沥青路面结构抗反射裂缝能力的计算方法
技术领域
本发明涉及沥青路面结构设计方法领域，尤其涉及一种半刚性基层沥青路面结构抗反射裂缝能力的计算方法。
背景技术
半刚性基层沥青路面因其具有较高的承载能力和较低的初期建设费用而在我国得到广泛的应用，但是该种路面结构存在一个典型的破坏形式----反射裂缝。反射裂缝的产生，一方面会降低路面结构的承载能力，另一方面会使路表的雨雪水通过裂缝渗入到路面结构内部，从而加速路面结构的破坏，降低路面的路用性能和使用寿命。
国内外对于沥青路面反射裂缝的产生机理非常明确：当半刚性基层产生裂缝后，在车辆荷载与温度荷载的重复作用下，基层裂缝处的沥青层底部必然会出现应力集中现象，从而使裂缝沿沥青层向上扩展，最终整个沥青混凝土层都产生开裂。这种由半刚性基层开裂而引起的沥青面层的开裂，称为反射裂缝。
沥青路面的反射裂缝是一个众所周知的病害，国内外对反射裂缝的产生机理、提出了多种抗反射裂缝的技术措施，并对各种技术措施的抗裂机理和效果等进行了大量的研究。但是，仍未提出一种计算整个路面结构的抗反射裂缝能力(疲劳寿命)的计算方法，以至于在现有的沥青路面结构设计方法中没有控制反射裂缝的设计指标，因而无法通过设计来控制反射裂缝的产生。致使沥青路面的反射裂缝是一种常见的病害，影响沥青路面的路用性能和耐久性。
发明内容
本发明的目的在于针对上述背景技术的不足，而提出一种计算整个沥青路面结构抗反射裂缝能力(疲劳寿命)的计算方法，以便于在沥青路面结构设计方法中引入反映路面结构抗反射裂缝能力的设计指标。
为解决上述技术问题，本发明提出一种半刚性基层沥青路面结构抗反射裂缝能力的计算方法，包括如下步骤：
1)对设计的路面结构中所涉及的各种沥青混合料成型如图的具有不同沥青混合料层厚度的复合式试件，进行抗剪切型反射裂缝疲劳试验，得到不同厚度沥青混合料的抗反射裂缝疲劳寿命Nf；
2)采用有限元法对复合式试件初始的荷载效应进行分析，计算出裂缝顶端沥青混合料层底部的应力强度因子K；
3)通过回归分析抗反射裂缝疲劳寿命与应力强度因子之间的关系，建立不同沥青混合料的抗反射裂缝疲劳寿命方程；
4)对于拟定的沥青路面结构中的各层沥青混合料层，从下至上，依次假定该层以下的各层在相同位置处完全断裂，其上的各层保持完整，计算该层底面在裂缝处的应力强度因子Ki，然后根据该层沥青混合料的抗反射裂缝疲劳寿命方程，计算出该层的抗反射裂缝疲劳寿命Nfi；
5)将各沥青混合料层的抗反射裂缝疲劳寿命相加，就得到整个路面结构的抗反射裂缝疲劳寿命Nf；
6)将Nf除以考虑实际路面上行车位置的随机性的方向系数DDF、车道系数LDF，得到该路面结构的抗反射裂缝能力可以承受的交通量。
上述技术方案中，所述步骤1)中，复合式试件由沥青混合料层(3)、水泥稳定碎石层(4)和橡胶垫层(5)所组成，如附图所示，试件长30cm，宽6cm，水泥稳定碎石层(4)厚5cm，并预制1cm宽裂缝(6)；沥青混合料层(3)可选择不同厚度；沥青混合料层(3)与水泥稳定碎石层(4)之间涂一层粘层沥青(7)，用量为1kg/m2；水泥稳定碎石层(4)下设一层2cm厚橡胶垫(5)，用以模拟土基；加载点(1)下垫一块2cm×6cm×1cm的钢块(2)，位于沥青混合料层表面对应于裂缝的一侧，对沥青混合料层底部的裂缝顶端实现剪切模式的加载。
上述技术方案中，所述步骤1)中，试验温度为15℃，将整个试件放入15℃的环境箱中保温2h后再进行加载试验。
上述技术方案中，所述步骤1)中，加载方式为：荷载大小：0.7MPa；加载波形：正弦波；加载频率：10Hz；当复合式试件的沥青混合料层顶部出现开裂时，停止加载；加载总次数作为该种沥青混合料的抗剪切型反射裂缝疲劳寿命Nf。
上述技术方案中，所述步骤1)中，试件的抗反射裂缝疲劳寿命Nf与初始应力强度因子K之间的相关关系可采用幂函数形式，Nf＝a(K)b。
上述技术方案中，所述步骤6)中，方向系数DDF是指道路上的断面交通量中某个方向上的车辆占总交通量的比例，宜根据不同方向上实测交通量数据确定，无实测数据时可在0.5～0.6范围内选取。
上述技术方案中，所述步骤6)中，车道系数LDF是指在单向具有多个车道的路面上，在设计车道上行驶的交通量占该方向交通量的比例，可根据现场交通量观测资料统计设计方向不同车道上的车辆的数量确定，或采用当地的经验，或采用推荐值，如单向有2个车道时，高速公路的LDF可取0.70～0.85，其它等级公路可取0.5～0.75。
与现有技术相比，本发明存在如下优点：
提出了整个沥青路面结构抗反射裂缝能力疲劳寿命的计算方法，便于在路面结构设计时计算出相应的抗反射裂缝疲劳寿命，进而优化设计，避免或延缓反射裂缝的产生。这对提高沥青路面的路用性能和使用寿命，减少养护维修工作量和养护费用都具有重要意义。
附图说明
附图为本发明实施例中的沥青混合料抗反射裂缝疲劳试验的试件模型与加载位置图。
图例说明：
1.加载杆；2.钢垫块；3.沥青混合料；4.水泥稳定碎石预制块；5.橡胶垫；6.预制裂缝；7.粘层沥青。
具体实施方式
以下结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步描述。
实施例：
对于典型的半刚性基层沥青路面结构(表1)，通过试验和有限元分析得到表征三种沥青混凝土的抗剪切型反射裂缝能力的疲劳方程，见表2。
表1.设计的沥青路面结构
厚度 材料名称 模量(MPa)
4cm 改性沥青SMA-13 1400
6cm 改性沥青AC-20 1400
8cm 重交沥青AC-25 1200
18cm 5％水泥稳定碎石 1500
20cm 4％水泥稳定碎石 1300
15cm 级配碎石 200
- 土基 40
表2.设计沥青混合料的抗反射裂缝能力疲劳方程
Figure BDA0002067012670000031
Figure BDA0002067012670000041
其整个路面结构的抗反射裂缝能力的计算过程如下：
①根据各层材料的材料参数，计算出半刚性基层开裂后，在半刚性层裂缝处AC-25层底面的应力强度因子K1＝0.1352MPa/m2，然后根据AC-25的抗反射裂缝能力疲劳方程计算出AC-25层的抗反射裂缝疲劳寿命Nf1＝11895698.66(次)；
②假设AC-25层和半刚性层在相同位置完全开裂，AC-20层和SMA-13层完整，计算出AC-20层底部在裂缝顶面处的应力强度因子K2＝0.1984MPa/m2，根据AC-20材料的抗反射裂缝能力疲劳方程计算出AC-20层的抗反射裂缝疲劳寿命Nf2＝157184.89(次)；
③假设AC-20层、AC-25层和半刚性层在相同位置处完全开裂，SMA-13层完整，计算出SMA-13层底部在裂缝顶面处的应力强度因子K3＝0.2810MPa/m2，根据SMA-13的抗反射裂缝能力疲劳方程计算出SMA-13层的抗反射裂缝疲劳寿命Nf3＝6975.29(次)；
④整个路面结构的抗反射裂缝疲劳寿命ΣNfi＝Nf1+Nf2+Nf3＝12059858(次)
⑤对于双向四车道高速公路沥青路面，可以取：DDF＝0.5，LDF＝0.75，则该路面结构可以承受的荷载作用次数为：Nf＝∑Nfi/(DDF×LDF)＝12059858/(0.5×0.75)＝32159623.57(次)
所以，如果该路的设计累积交通量大于32159623.57次，则表明该路面在设计使用期内会产生反射裂缝；如果该路的设计累积交通量小于32159623.57次，则表明该路面在设计使用期内不会产生反射裂缝。

Claims (8)

1.一种半刚性基层沥青路面结构抗反射裂缝能力的计算方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)对设计的路面结构中所涉及的各种沥青混合料成型如附图的具有不同沥青混合料层厚度的复合式试件，进行抗剪切型反射裂缝疲劳试验，得到不同厚度沥青混合料的抗反射裂缝疲劳寿命Nf；
2)采用有限元法对复合式试件初始的荷载效应进行分析，计算出裂缝顶端沥青混合料层底部的应力强度因子K；
3)通过回归分析抗反射裂缝疲劳寿命与应力强度因子之间的关系，建立不同沥青混合料的抗反射裂缝疲劳寿命方程；
4)对于拟定的沥青路面结构中的各层沥青混合料层，从下至上，依次假定该层以下的各层在相同位置处完全断裂，其上的各层保持完整，计算该层底面在裂缝处的应力强度因子Ki，然后根据该层沥青混合料的抗反射裂缝疲劳寿命方程，计算出该层的抗反射裂缝疲劳寿命Nfi；
5)将各沥青混合料层的抗反射裂缝疲劳寿命相加，就得到整个路面结构的抗反射裂缝疲劳寿命∑Nfi；
6)将∑Nfi除以考虑实际路面上行车位置的随机性的方向系数DDF、车道系数LDF，得到该路面结构的抗反射裂缝能力可以承受的交通量Nf。
2.根据权利要求1所述的半刚性基层沥青路面结构抗反射裂缝能力计算方法，其特征在于，所述步骤1)中，复合式试件由沥青混合料层(3)、水泥稳定碎石层(4)和橡胶垫层(5)所组成，如附图所示，试件长30cm，宽6cm，水泥稳定碎石层(4)厚5cm，并预制1cm宽裂缝(6)；沥青混合料层(3)可选择不同厚度；沥青混合料层(3)与水泥稳定碎石层(4)之间涂一层粘层沥青(7)，用量为1kg/m2；水泥稳定碎石层(4)下设一层2cm厚橡胶垫(5)，用以模拟土基；加载点(1)下垫一块2cm×6cm×1cm的钢块(2)，位于沥青混合料层表面对应于裂缝的一侧，对沥青混合料层底部的裂缝顶端实现剪切模式的加载。
3.根据权利要求1所述的半刚性基层沥青路面结构抗反射裂缝能力计算方法，其特征在于，所述步骤1)中，试验温度为15℃，将整个试件放入15℃的环境箱中保温2h后再进行加载试验。
4.根据权利要求1所述的半刚性基层沥青路面结构抗反射裂缝能力计算方法，其特征在于，所述步骤1)中，加载方式为：荷载大小：0.7MPa；加载波形：正弦波；加载频率：10Hz；当复合式试件的沥青混合料层顶部出现开裂时，停止加载；加载总次数作为该种沥青混合料的抗剪切型反射裂缝疲劳寿命Nf。
5.根据权利要求1所述的半刚性基层沥青路面结构抗反射裂缝能力计算方法，其特征在于，所述步骤3)中，试件的抗反射裂缝疲劳寿命Nf与初始应力强度因子K之间的相关关系可采用幂函数形式，Nf＝a(K)b。
6.根据权利要求1所述的半刚性基层沥青路面结构抗反射裂缝能力计算方法，其特征在于，所述步骤6)中，引入方向系数DDF、车道系数LDF是考虑到路面上的所有车辆并不是经过同一个点位，具有随机性。
7.根据权利要求6所述的半刚性基层沥青路面结构抗反射裂缝能力计算方法，其特征在于，所述的方向系数DDF是指道路上的断面交通量中某个方向上的车辆占总交通量的比例，宜根据不同方向上实测交通量数据确定，无实测数据时可在0.5～0.6范围内选取。
8.根据权利要求6所述的半刚性基层沥青路面结构抗反射裂缝能力计算方法，其特征在于，所述的车道系数LDF是指在单向具有多个车道的路面上，在设计车道上行驶的交通量占该方向交通量的比例，可根据现场交通量观测资料统计设计方向不同车道上的车辆的数量确定，或采用当地的经验，或采用推荐值，如单向有2个车道时，高速公路的LDF可取0.70～0.85，其它等级公路可取0.5～0.75。
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