CN114164721A - 一种路基路面均衡设计结构的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种路基路面均衡设计结构的方法，属于道路工程技术领域，该方法是以路床增强层厚度或深度为自变量参数，以沥青层厚度为因变量参数，基于沥青层和无机结合料稳定材料层疲劳损伤模型，以沥青层在设计年限内达到同等设计疲劳损伤为控制指标，得到满足相同疲劳损坏标准但路床增强层厚度与沥青层厚度各不相同的一组路面结构，通过经济对比取其中造价最低的路面结构作为设计路基路面结构。与现有设计方法相比，本发明解决了传统设计方法路基路面设计分离、参数互不关联的技术难题，使路基路面设计在满足性能要求的前提下达到整体经济最优，实现路基路面结构一体化设计目标，具有很好的推广应用价值。

Description

一种路基路面均衡设计结构的方法
技术领域
本发明涉及道路工程技术领域，具体地说是一种路基路面均衡设计结构的方法。
背景技术
一般的，路面结构是一种由多个层次、各层由不同类型和性质的材料组成的层状复合结构，满足同等设计损伤标准条件下的路面结构组合有多种多样，应当选择性价比最优的路面结构。然而，在现行路面结构设计规范和方法中，路基路面设计是相互分离的进行设计，现行设计方法没有充分考虑路基承载力与路面结构层厚度之间的相互影响关系，没有有效的手段获得同等性能条件下不同的路面结构组合，从而为进行经济比较创造条件，通常路面结构厚度是被动的应对既有路基承载条件进行设计，而不是主动的去对路基进行优化设计以获得整体路面结构性能和经济的最优化。
发明内容
本发明的技术任务是解决现有技术的不足，提供一种路基路面均衡设计结构的方法。
本发明的技术方案是按以下方式实现的，本发明的一种路基路面均衡设计结构的方法，该方法是以路床增强层厚度或深度为自变量参数，以沥青层厚度为因变量参数，基于沥青层和无机结合料稳定材料层疲劳损伤模型，以沥青层在设计年限内达到同等设计疲劳损伤为控制指标，得到满足相同疲劳损坏标准但路床增强层厚度与沥青层厚度各不相同的一组路面结构，通过经济对比取其中造价最低的路面结构作为设计路基路面结构。
该方法包括以下步骤：
(a)根据OD调查交通数，依据我国现行《公路沥青路面设计规范》JTGD50-2017附录A计算设计年限内标准轴载累计作用次数Ne；
步骤(a)中以沥青层和路床增强层厚度为因变量和自变量的路面结构组合指由沥青混合料层、水泥稳定碎石基层、级配碎石底基层、路床增强层(路基改善土)及土基组成的路面结构，水泥稳定碎石基层及级配碎石底基层的厚度必须满足最小施工厚度要求并作为常数保持不变；
水泥稳定碎石基层施工层厚度范围15～22cm，可选择1～4层并保持层厚和层数不变，
级配碎石层厚度15～22cm可选择1～2层并保持层厚和层数不变，
路床增强层施工层厚度20cm～30cm，通常采用石灰稳定土、水泥稳定土或碎石(级配碎石或未筛分碎石)，按照0层(指没有增强层)至6层逐级增加路床增强层厚度，分别与水泥稳定碎石基层、级配碎石底基层和沥青混合料层组成7个路面结构；
步骤(a)中所述水泥稳定碎石弯拉模量参数是变化的，对应加载次数的模量由水泥稳定碎石层疲劳分析模型计算确定；水泥稳定碎石层疲劳分析模型指重复加载作用下无机结合料稳定材料弯拉模量由弯拉应力水平和加载次数确定的函数关系式；
重复加载作用下无机结合料稳定材料弯拉模量函数关系式如下所示：
二灰碎石：
Figure BDA0003368184450000021
水稳碎石：
Figure BDA0003368184450000022
式中：N＝加载次数
EN＝加载次数为N时的弯拉模量(N不超过该应力比条件下的疲劳次数)，Mpa
Ei＝初始弯拉模量，Mpa
S＝σ/s；
(b)选择路面结构沥青层疲劳损伤标准，初拟以沥青层和路床增强层厚度为因变量和自变量的路面结构组合；
步骤(b)中所述沥青层疲劳损伤采用沥青层疲劳分析模型和迈纳Miner材料累积损伤原理计算，疲劳损伤控制取值标准为0.05～1，取低值设计偏保守，取高值设计偏风险，根据设计预期在范围中取值；
(c)以沥青层厚度作为因变量，路基改善土路床增强层的总厚度作为自变量；根据水泥稳定碎石的疲劳分析模型，计算不同设计轴载作用下水泥稳定碎石基层的疲劳模量；
(d)以沥青层在设计年限内达到同等疲劳损伤为控制指标，计算不同路床增强层厚度对应不同沥青层厚度的一组路面结构；根据拟定的路面结构组合，由公式：
Figure BDA0003368184450000023
式中：Nf＝设计轴载、ha＝沥青层厚度、hs＝改善土层厚度，
计算满足不同设计轴载下和不同改善土层厚度所需的沥青层厚度；
(e)根据结构组合确定材料设计参数；
(f)按照拟定的损伤标准，计算土基未采用改善层时满足设计要求的路面结构厚度，初步确定路面结构各层材料初始厚度；
(g)根据结构组合，按不同材料类型和功能层，分沥青层厚度、粒料类基层厚度、半刚性基层厚度、土基回弹模量作为x个因素n个水平进行正交试验设计；
通常n大于或等于5；
其中，沥青层厚度在初步设计厚度的基础上分别按1～3cm对称递增和递减达到n水平；
半刚性基层厚度在初步设计厚度的基础上分别按3～5cm对称递增和递减达到n水平；
土基模量分别按照增加1层改善层至n-1层所对应的回弹模量形成n水平，改善层厚度取值范围为18～22cm，增加改善层后的土基当量模量根据改善层模量、改善层厚度及未进行改善路基土模量，通过弹性层状理论反算得到；
(h)按照拟定的损伤标准，分别计算正交试验表中每个试验路面结构达到预定损伤标准时的当量轴载作用次数；
(i)按多项式拟合当量轴载作用次数和x个因素的关系式；
(j)最后，按照经济性能最优的原则，选择满足结构性能的设计方案。
上述方法应用在道路工程中针对路基路面设计结构或设计计算。
本发明与现有技术相比所产生的有益效果是：
本发明的一种路基路面均衡设计结构的方法与现有设计方法相比，本发明解决了传统设计方法路基路面设计分离、参数互不关联的技术难题，使路基路面设计在满足性能要求的前提下达到整体经济最优，实现路基路面结构一体化设计目标。
本发明的一种路基路面均衡设计结构的方法设计合理、路基路面均衡设计结构简单、安全可靠、使用方便、易于维护，具有很好的推广使用价值。
附图说明
附图1是本发明的不同设计轴载下改善土层厚度与沥青层厚度的关系数据图。
附图2是本发明的不同设计轴载下改善土层厚度与沥青层厚度的关系数据图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的一种路基路面均衡设计结构的方法作以下详细说明。
如附图所示，本发明的一种路基路面均衡设计结构的方法是以路床增强层厚度或深度为自变量参数，以沥青层厚度为因变量参数，基于沥青层和无机结合料稳定材料层疲劳损伤模型，以沥青层在设计年限内达到同等设计疲劳损伤为控制指标，得到满足相同疲劳损坏标准但路床增强层厚度与沥青层厚度各不相同的一组路面结构，通过经济对比取其中造价最低的路面结构作为设计路基路面结构。
a)初拟以沥青层和路床增强层厚度为因变量和自变量的路面结构组合。
以沥青层厚度作为因变量，路床增强层(路基改善土)的总厚度作为自变量。初拟7种不同的路面结构，其中改善土的厚度由120cm至20cm不等，拟定水泥稳定碎石层厚度并保持不变，将水泥稳定碎石的初始弯拉模量、设计轴载次数和应力比输入水泥稳定碎石的疲劳分析模型，计算公式如公式(2)。根据疲劳模型计算累计交通荷载作用下水泥稳定碎石基层的疲劳损伤，得到不同设计轴载作用下水泥稳定碎石基层的疲劳模量；
二灰碎石：
Figure BDA0003368184450000041
水稳碎石：
Figure BDA0003368184450000042
式中：N＝加载次数
EN＝加载次数为N时的弯拉模量(N不超过该应力比条件下的疲劳次数)，Mpa
Ei＝初始弯拉模量，Mpa
S＝σ/s；
b)以沥青层在设计年限内达到同等疲劳损伤为控制指标，计算不同路床增强层厚度对应不同沥青层厚度的一组路面结构，如图1，图2所示。根据拟定的路面结构组合，由公式2计算满足不同设计轴载下和不同改善土层厚度所需的沥青层厚度。
不同设计轴载作用下不同的路面结构所计算出的沥青层厚度如表1～表4所示。
Figure BDA0003368184450000043
式中：Nf＝设计轴载；
ha＝沥青层厚度；
hs＝改善土层厚度。
表1设计轴载3000万次时路面结构
路面结构 结构A 结构B 结构C 结构D 结构E 结构F
沥青面层/cm 11 12.2 13 14.5 16.1 18
水稳基层/cm 36 36 36 36 36 36
底基层/cm 18 18 18 18 18 18
改善土/cm 120 100 80 60 40 20
土基 － － － － － －
表2设计轴载5000万次时路面结构
路面结构 结构A 结构B 结构C 结构D 结构E 结构F
沥青面层/cm 14.5 15 16 17 18.6 19.8
水稳基层/cm 36 36 36 36 36 36
底基层/cm 18 18 18 18 18 18
改善土/cm 120 100 80 60 40 20
土基 － － － － － －
表3设计轴载10000万次时路面结构
路面结构 结构A 结构B 结构C 结构D 结构E 结构F
沥青面层/cm 18.4 18.9 19.4 21 22 24
水稳基层/cm 36 36 36 36 36 36
底基层/cm 18 18 18 18 18 18
改善土/cm 120 100 80 60 40 20
土基 － － － － － －
表4设计轴载15000万次时路面结构
路面结构 结构A 结构B 结构C 结构D 结构E 结构F
沥青面层/cm 20.5 21.3 22 23 24.4 25.5
水稳基层/cm 36 36 36 36 36 36
底基层/cm 18 18 18 18 18 18
改善土/cm 120 100 80 60 40 20
土基 － － － － － －
c)进行经济比较
表5不同结构层的造价
Figure BDA0003368184450000051
Figure BDA0003368184450000061
根据表5所示不同结构层的造价对计算出的不同厚度路面结构组合进行经济比较，得出不同设计轴载作用下7种路面结构的造价，如表6～表9所示。
表6设计轴载3000万次造价
Figure BDA0003368184450000062
表7设计轴载5000万次造价
Figure BDA0003368184450000063
表8设计轴载10000万次造价
Figure BDA0003368184450000064
表9设计轴载15000万次造价
Figure BDA0003368184450000065
不同设计轴载作用下的最优设计组合如表10所示。
表10最优设计组合
设计轴载 3000万次 5000万次 10000万次 15000万次
沥青面层/cm 13 17 19.4 23
水稳基层/cm 36 36 36 36
底基层/cm 18 18 18 18
改善土/cm 80 60 80 60
土基 － － － －
在同一设计轴载作用下对比不同的路面结构所需要的造价优选出最低造价的路面结构。
本发明解决了传统设计方法路基路面设计分离、参数互不关联的技术难题，使路基路面设计在满足性能要求的前提下达到整体经济最优，实现路基路面结构一体化设计目标。

Claims (7)

1.一种路基路面均衡设计结构的方法，其特征在于该方法是以路床增强层厚度或深度为自变量参数，以沥青层厚度为因变量参数，基于沥青层和无机结合料稳定材料层疲劳损伤模型，以沥青层在设计年限内达到同等设计疲劳损伤为控制指标，得到满足相同疲劳损坏标准但路床增强层厚度与沥青层厚度各不相同的一组路面结构，通过经济对比取其中造价最低的路面结构作为设计路基路面结构。
2.一种路基路面均衡设计结构的方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：
(a)根据OD调查交通数，计算设计年限内标准轴载累计作用次数Ne；
(b)选择路面结构沥青层疲劳损伤标准，初拟以沥青层和路床增强层厚度为因变量和自变量的路面结构组合；
(c)以沥青层厚度作为因变量，路基改善土路床增强层的总厚度作为自变量；根据水泥稳定碎石的疲劳分析模型，计算不同设计轴载作用下水泥稳定碎石基层的疲劳模量；
(d)以沥青层在设计年限内达到同等疲劳损伤为控制指标，计算不同路床增强层厚度对应不同沥青层厚度的一组路面结构；根据拟定的路面结构组合，由公式：
Figure FDA0003368184440000011
计算满足不同设计轴载下和不同改善土层厚度所需的沥青层厚度；
式中：Nf＝设计轴载、ha＝沥青层厚度、hs＝改善土层厚度；
(e)根据结构组合确定材料设计参数；
(f)按照拟定的损伤标准，计算土基未采用改善层时满足设计要求的路面结构厚度，初步确定路面结构各层材料初始厚度；
(g)根据结构组合，按不同材料类型和功能层，分沥青层厚度、粒料类基层厚度、半刚性基层厚度、土基回弹模量作为x个因素n个水平进行正交试验设计；
通常n大于或等于5；
其中，沥青层厚度在初步设计厚度的基础上分别按1～3cm对称递增和递减达到n水平；
半刚性基层厚度在初步设计厚度的基础上分别按3～5cm对称递增和递减达到n水平；
土基模量分别按照增加1层改善层至n-1层所对应的回弹模量形成n水平，改善层厚度取值范围为18～22cm，增加改善层后的土基当量模量根据改善层模量、改善层厚度及未进行改善路基土模量，通过弹性层状理论反算得到；
(h)按照拟定的损伤标准，分别计算正交试验表中每个试验路面结构达到预定损伤标准时的当量轴载作用次数；
(i)按多项式拟合当量轴载作用次数和x个因素的关系式；
(j)最后，按照经济性能最优的原则，选择满足结构性能的设计方案。
3.根据权利要求2所述的一种路基路面均衡设计结构的方法，其特征在于：
步骤(a)中所述以沥青层和路床增强层厚度为因变量和自变量的路面结构组合指由沥青混合料层、水泥稳定碎石基层、级配碎石底基层、路床增强层(路基改善土)及土基组成的路面结构，水泥稳定碎石基层及级配碎石底基层的厚度必须满足最小施工厚度要求并作为常数保持不变。
4.根据权利要求3所述的一种路基路面均衡设计结构的方法，其特征在于：
水泥稳定碎石基层施工层厚度范围15～22cm，可选择1～4层并保持层厚和层数不变，
级配碎石层厚度15～22cm可选择1～2层并保持层厚和层数不变，
路床增强层施工层厚度20cm～30cm，通常采用石灰稳定土、水泥稳定土或碎石(级配碎石或未筛分碎石)，按照0层(指没有增强层)至6层逐级增加路床增强层厚度，分别与水泥稳定碎石基层、级配碎石底基层和沥青混合料层组成7个路面结构。
5.根据权利要求2所述的一种路基路面均衡设计结构的方法，其特征在于：
步骤(b)中所述沥青层疲劳损伤采用沥青层疲劳分析模型和迈纳Miner材料累积损伤原理计算，疲劳损伤控制取值标准为0.05～1，取低值设计偏保守，取高值设计偏风险，根据设计预期在范围中取值。
6.根据权利要求2所述的一种路基路面均衡设计结构的方法，其特征在于：
步骤(a)中所述水泥稳定碎石弯拉模量参数是变化的，对应加载次数的模量由水泥稳定碎石层疲劳分析模型计算确定；水泥稳定碎石层疲劳分析模型指重复加载作用下无机结合料稳定材料弯拉模量由弯拉应力水平和加载次数确定的函数关系式；
重复加载作用下无机结合料稳定材料弯拉模量函数关系式如下所示：
二灰碎石：
Figure FDA0003368184440000031
水稳碎石：
Figure FDA0003368184440000032
式中：N＝加载次数
EN＝加载次数为N时的弯拉模量(N不超过该应力比条件下的疲劳次数)，Mpa
Ei＝初始弯拉模量，Mpa
S＝σ/s。
7.如根据权利要求2～6所述的一种路基路面均衡设计结构的方法，在道路工程中针对路基路面设计结构或设计计算上的应用。
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