CN110334473A - 一种基于模量衰变的沥青路面结构相对弯沉的计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于模量衰变的沥青路面结构相对弯沉的计算方法。该方法选取了沥青路面结构面层、基层和路基的初始回弹模量E₀，由疲劳试验得到了沥青路面各结构层的模量衰变规律，从模量衰变规律出发，得到了沥青路面各结构层的极限回弹模量E_min和沥青路面各结构层变形随路龄的变化规律，然后将路龄除以路面结构使用年限，从而得到了沥青路面结构相对弯沉随寿命循环比的衰变规律。本发明有以下优点：一方面从理论上创新，弥补了现有弯沉理论计算的不足，缩小了实测值与计算值的差距；另一方面将模量衰变与相对弯沉结合，更客观的揭示了沥青路面结构的弯沉演变规律，提高了弯沉演变规律的预测精度，同时也为沥青路面的结构设计提供了一定的理论依据。

Description

一种基于模量衰变的沥青路面结构相对弯沉的计算方法

技术领域

本发明涉及一种基于模量衰变的沥青路面结构相对弯沉计算方法。

背景技术

在道路运营过程中，受外界环境和交通荷载的反复作用，沥青路面结构内部将会出现损伤；随着荷载作用次数的增加，损伤将不断演化累积，路面结构与材料抵抗变形的能力亦将发生衰变，重复荷载作用下沥青路面结构的弯沉衰变规律是路面结构设计理论体系的核心内容之一。但是，路表弯沉的变化是一个多方面因素综合作用的复杂过程，在路基路面结构层的材料性质、压实程度、干湿状况、温度环境、结构类型、气候条件、交通组成、检测时的环境以及所使用的仪器设备等因素的影响下，极易出现力学计算弯沉与实测弯沉严重不符合的问题。

针对上述问题，目前现有技术中普遍使用弯沉修正系数或仪器改进等措施来努力改善实测弯沉与计算弯沉之间的吻合度以及弯沉衰变规律的可预测度。尽管经修正后的弯沉值在一定程度上吻合度和可预测度有所提高，但不同结构、不同等级、不同时期所测得的路表弯沉可比性低，路表弯沉随时间变化规律客观性不强等问题依然存在。为了抓住关键点，排除一些复杂因素的干扰，使得不同结构、不同等级、不同时期所测得的路表弯沉值具有可比性，并能比较客观地反映路表弯沉随时间的变化规律。一方面，规定以不利季节和20℃温度为弯沉测试的标准状态，非标准状态下的测试结果将修正到标准状态。同时引入相对弯沉的概念，取新建路面的代表弯沉值l₀为参考弯沉，定义竣工后各年的路段代表弯沉值l_n与新建路面标准状态下的路段代表弯沉值l₀之比为相对弯沉l，即l＝l_n/l₀。通过这种方式处理后，只要同一路段不同检测时间的条件相同(即轴载相等，弯沉仪相同)，不同检测条件下的各种路段的检测结果都具有可比性。另一方面，从本质出发，明确弯沉值、形变量和模量三者的相互关系，从模量衰变的角度深入探究路面各结构层模量变化与相应弯沉值变化之间的关系，从而能比较客观地反映路表弯沉随时间的变化规律。

发明内容

本发明旨在从模量衰变和相对弯沉角度客观揭示沥青路面结构的弯沉演变规律，并提供一种基于模量衰变的沥青路面结构的相对弯沉计算方法。

本发明提供一种基于模量衰变的沥青路面结构相对弯沉的计算方法，其中所述相对弯沉l是指将竣工后各年的路段代表弯沉值l_n除以新建路面标准状态下的路段代表弯沉值l₀，包括以下步骤：

步骤一：选取沥青路面结构面层、基层和路基的初始回弹模量E₀；

步骤二：进行沥青面层材料疲劳试验，得到不同应力水平下动模量随寿命比衰变规律；

步骤三：进行半刚性基层材料疲劳试验，得到不同龄期半刚性基层材料刚度衰变规律和半刚性基层材料模量衰变规律；

步骤四：进行疲劳试验，得到路基回弹模量和含水率变化比随循环比的变化规律，经分析后建立路基刚度衰变模型，通过计算得到路基回弹模量的衰变规律；

步骤五：对各结构层模量衰变规律进行分析，得到不同沥青路面各结构层变形随路龄的变化规律；

步骤六：将路龄除以路面结构使用年限，对横坐标进行无量纲化处理，得到路面结构相对弯沉随循环比的衰变规律。

进一步的，所述沥青路面结构面层、基层和路基的初始回弹模量E₀是在公路沥青路面设计规范给定的取值范围内选取。

进一步的，所述步骤二中，对模量衰变和循环寿命均进行归一化处理，应用如下与循环寿命比相关的幂函数进行动模量衰变的拟合：

其中0<m<1

式中：E为疲劳过程中动模量，E₀为动模量初始值，E_min为疲劳破坏时动模量的最小值，N为疲劳荷载循环次数，N_f为疲劳寿命，m为模量衰变规律的幂指数；通过计算可得

其中，E_min＝874×σ^0.32。式中：σ为疲劳试验应力水平。

进一步的，所述步骤四中，路基刚度衰变模型为：

式中：E_balance为路基含水率接近平衡含水率时的路基刚度，b为回归系数，0<b<1，其余参数与上述指代相同。

经计算，得到路基回弹模量的衰变规律：

本发明提供的一种基于模量衰变的沥青路面结构相对弯沉的计算方法，将模量衰变与相对弯沉相结合，得到了沥青路面各结构层的模量衰变规律、沥青路面各结构层变形随路龄的变化规律和沥青路面结构相对弯沉随寿命循环比的衰变规律，从而更客观的揭示了沥青路面结构的弯沉演变规律，弥补了现有弯沉理论计算的不足，提高了弯沉演变规律的预测精度。本发明能为沥青路面的研究提供新的思路和解决方案，对未来沥青路面的研究有着非常重大的意义。

附图说明

图1为本发明中沥青路面面层材料模量衰变规律

图2为本发明中半刚性基层材料模量衰变规律

图3为本发明中路基回弹模量和含水率变化比随循环比的变化规律

图4为本发明中路面结构相对弯沉随循环比的变化规律

具体实施方式

为更好地说明本发明的原理及方案，对本发明技术方案涉及的内容做出以下详细解释。更具体的技术方案，可参见实施例方案。

<相对弯沉>

本发明中所用相对弯沉是指将竣工后各年的路段代表弯沉值l_n除以新建路面标准状态下的路段代表弯沉值l₀。并规定以不利季节和20℃温度为弯沉测试的标准状态，非标准状态下的测试结果修正到标准状态。

<初始回弹模量E₀>

本发明中所用沥青路面结构面层、基层和路基的初始回弹模量E₀是在公路沥青路面设计规范给定的取值范围内进行选取的。

<模量衰变规律>

本发明通过疲劳试验得到各结构层模量衰变规律。

其中，对不同应力水平下动模量随寿命比衰变规律进行模量衰变和循环寿命的归一化处理及幂函数拟合后得到沥青面层材料模量衰变规律，幂函数如下：其中0<m<1；对路基回弹模量和含水率变化比随循环比的变化规律进行分析并建立路基刚度衰变模型后得到路基回弹模量衰变规律，刚度衰变模型如下：

<实施例>

下面将参考实施例详细说明本发明技术方案的构成，不过并不限于下列实施方式。

步骤一：选取12种典型沥青路面结构及其各结构层的初始回弹模量E₀；

步骤二：进行沥青面层材料疲劳试验，得到不同应力水平下动模量随寿命比衰变规律，为了便于比较，对模量衰变和循环寿命均进行归一化处理，应用如下与循环寿命比相关的幂函数进行动模量衰变的拟合：

式中：E为疲劳过程中动模量，E₀为动模量初始值，E_min为疲劳破坏时动模量的最小值，N为疲劳荷载循环次数，N_f为疲劳寿命，m为模量衰变规律的幂指数。

代入具体的数值后得到：

沥青路面的极限回弹模量的计算公式为：

E_min＝874×σ^0.32 (3)

式中：σ为疲劳试验的应力水平。

步骤三：进行半刚性基层材料疲劳试验，得到不同龄期半刚性基层材料刚度衰变规律(表1)和半刚性基层材料模量衰变规律(见图2)

表1不同龄期半刚性基层材料刚度衰变规律

龄期	刚度衰变规律	应力比	应力水平
				7d	E＝15000(1-N/106)<sup>0.04526</sup>	0.7	0.8253
14d	E＝17000(1-N/5461)<sup>0.02576</sup>	0.6	0.7704
				28d	E＝17600(1-N/83339)<sup>0.02468</sup>	0.5	0.8280
90d	E＝20907(1-N/11294222)<sup>0</sup>	0.45	0.8829

步骤四：进行疲劳试验，得到路基回弹模量和含水率变化比随循环比的变化规律(见图3)，经分析后建立路基刚度衰变模型：

式中：E_balance为路基含水率接近平衡含水率时的路基刚度，b为回归系数，0<b<1，其余参数与上述指代相同。

代入具体数值，得到路基回弹模量的衰变规律：

步骤五：对各结构层模量衰变规律进行分析，得到不同沥青路面各结构层变形随路龄的变化规律，见表2,3,4。

步骤六：将路龄除以路面结构使用年限，对横坐标进行无量纲化处理，得到路面结构相对弯沉随循环比的衰变规律，见图4。

本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (4)

1.基于模量衰变的沥青路面结构相对弯沉的计算方法，其中所述相对弯沉l是指将竣工后各年的路段代表弯沉值l_n除以新建路面标准状态下的路段代表弯沉值l₀，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：选取沥青路面结构面层、基层和路基的初始回弹模量E₀；

步骤二：进行沥青面层材料疲劳试验，得到不同应力水平下动模量随寿命比衰变规律；

步骤三：进行半刚性基层材料疲劳试验，得到不同龄期半刚性基层材料刚度衰变规律和半刚性基层材料模量衰变规律；

步骤四：进行疲劳试验，得到路基回弹模量和含水率变化比随循环比的变化规律，经分析后建立路基刚度衰变模型，通过计算得到路基回弹模量的衰变规律；

步骤五：对各结构层模量衰变规律进行分析，得到不同沥青路面各结构层变形随路龄的变化规律；

步骤六：将路龄除以路面结构使用年限，对横坐标进行无量纲化处理，得到路面结构相对弯沉随循环比的衰变规律。

2.根据权利要求1所述的计算方法，其特征在于，所述沥青路面结构面层、基层和路基的初始回弹模量E₀是在公路沥青路面设计规范给定的取值范围内选取。

3.根据权利要求1所述的计算方法，其特征在于，所述步骤二中，对模量衰变和循环寿命均进行归一化处理，应用如下与循环寿命比相关的幂函数进行动模量衰变的拟合：

其中0<m<1

式中：E为疲劳过程中动模量，E₀为动模量初始值，E_min为疲劳破坏时动模量的最小值，N为疲劳荷载循环次数，N_f为疲劳寿命，m为模量衰变规律的幂指数；通过计算可得

其中，E_min＝874×σ^0.32，式中：σ为疲劳试验应力水平。

4.根据权利要求1所述的计算方法，其特征在于，所述步骤四中，路基刚度衰变模型为：

式中：E_balance为路基含水率接近平衡含水率时的路基刚度，b为回归系数，0<b<1，其余参数与上述指代相同，

经计算，得到路基回弹模量的衰变规律：