CN114547902A - 一种基于车辙深度确定沥青路面累计标准轴载作用次数的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于道路沥青路面结构设计领域，具体涉及一种基于车辙深度确定沥青路面累计标准轴载作用次数的方法，该方法以既有沥青路面车辙深度为基本参数，基于以下公式计算养护设计用车辙等效累计标准轴载作用次数：
Figure DDA0003520787540000011
Figure DDA0003520787540000012
Figure DDA0003520787540000013
本发明利用既有沥青路面车辙深度数据，可准确得到既有沥青路面建成运营后所承受的累计标准轴载作用次数，进而在此基础上预估养护设计期内设计用累计标准轴载作用次数，本方法可不必进行交通量观测和轴载谱调查，为半刚性基层沥青路面养护设计车辙等效轴载作用次数确定提供了一种准确度更高、成本更低的新方法。

Description

一种基于车辙深度确定沥青路面累计标准轴载作用次数的 方法
技术领域
本发明属于道路沥青路面结构设计领域，具体涉及一种基于车辙深度确定沥青路面累计标准轴载作用次数的方法。
背景技术
沥青路面随着时间增加，路面发生不同类型病害，相应的路面性能会逐渐衰减，从而导致养护维修。在当前的道路养护设计中，既有沥青路面的交通荷载调查数据是指导养护设计的关键参数，其功能包括确定交通荷载等级和计算未来不同路面损坏对应的累计标准轴载作用次数，进而根据养护设计期内累计标准轴载作用次数，确定沥青路面养护结构形式。
目前，《公路沥青路面设计规范》(JTG D50-2017)(以下简称《规范》)中对于交通量数据调查有针对性说明，结合交通观测站进行数据采集，具体要求交通量、类型、车道系数、方向系数等；同时，针对沥青路面的养护设计，《公路沥青路面养护设计规范》(JTG 5421-2018)规定养护设计中需进行交通荷载调查，如“交通量和交通组成数据应至少包括最近3年的交通量观测资料。轴载谱数据应采用专用轴载调查设备进行连续检测”等。
然而，上述规定在很多情况下缺乏可行性。如交通观测问题，除了高速公路等高等级公路外，对于一些低等级公路，缺少交通量观测资料。此外，专用轴载调查设备成本较高且普及率较低。事实上，大量的道路沥青路面结构养护设计仅对既有路面的车辆数进行短期观测，一方面得到的交通量数据并不准确，另一方面也难以准确考虑不同车辆载重的影响，最终不能得到准确的既有路面在养护后将承担的累计标准轴载作用次数，进而影响养护设计方案的合理性。实际上，当重复荷载作用于路面结构时，结构会出现大量的永久变形(即车辙病害)，在路面结构设计中，车辙相关因素是要考虑的基本且重要的设计内容，若能有效地利用路面的既有车辙深度，依此作为基本参数实现轴载次数计算，在一定程度上节约人力、时间和经济成本外，结果也更为可靠。
因此，研发一种不必进行交通量观测和轴载谱调查，同时基于沥青路面的既有病害就能得到累计标准轴载作用次数，使得养护设计结果更为可靠和具有针对性。
目前，针对当量轴载累计作用次数相关的计算方法，我国的许多学者做了大量研究并应用到各个方面，如公开号为CN112685814A的“中运量公交专用道沥青铺面当量轴载累计作用次数计算方法”、公开号为CN113128834A的“一种国省干线重载交通数据判定及分级系统”、公开号为CN107966548B的“一种沥青路面失稳型车辙发生时间的预测方法”、公开号为CNl07190622A的“基于全温域温度分布的沥青路面永久变形快速预测方法”公开号为CN111209667A 的“一种基于沥青面层剪切疲劳等效破坏的轴载换算方法”等，上述专利或者针对特定条件下的累计轴载作用次数提出改进计算、车辙病害发生时间预测方法、系统研发，亦或者需要事先进行分析路段的交通量、车辆类型和轴载组成调查等，或未能有效利用既有路面病害(车辙病害)，或不能满足一般公路或多种交通荷载条件下的累计作用次数计算，而且上述专利所需要的技术手段或方法的实现条件较复杂、经济和时间成本较高。
此外，在众多维修工程中，针对车辙病害展开的维修工程在养护工程中占有很大的比重，而累计轴载次数又是十分重要的影响因素，且当前的调查手段成本较高。因此，针对车辙病害维修工程，有必要提出一种可以降低技术难度、节约时间和经济成本的累计轴载次数确定方法。
发明内容
针对上述不足，本发明提供了一种基于车辙深度确定沥青路面累计标准轴载作用次数的方法，利用既有沥青路面车辙深度数据，可准确得到既有沥青路面建成运营后所承受的累计标准轴载作用次数，为养护维修设计提供可靠依据，同时不需要进行累计交通量观测和轴载谱调查，时间成本、经济成本较低。
本发明具体通过以下技术方案实现：
一种基于车辙深度确定沥青路面累计标准轴载作用次数的方法，该方法以既有沥青路面车辙深度为基本参数，通过公式
Figure BDA0003520787520000031
Figure BDA0003520787520000032
Figure BDA0003520787520000033
式中，[Ra]为沥青混合料层永久变形量(mm)；Ne5为调查年设计车道当量设计轴载累计作用次数(次)；Td为设计气温(℃)；ψs为路面结构系数； Rτs为各沥青混合料层的综合贯入强度(MPa)；t1为路段已通车年限(年)； Ne为养护设计路段设计期内累计标准轴载作用次数(次)；t2为路段养护设计的设计寿命(年)；Nt1为养护设计初始年的设计车道当量设计轴载累计作用次数(次)；γ为交通量的年增长率，通过既有沥青路面建成运营后已承受的累计标准轴载作用次数，得到养护设计期内累计标准轴载作用次数。具体包括如下步骤：
S1、基本信息及车辙深度采集；
基本信息包括路段所在地、公路等级、路龄、路面类型和结构形式；根据既有路面的不同程度车辙情况，在车辙均匀变化处采集车辙深度的低、中、高点数据，车辙高中低点以车辙深度依此排序确定，分别确定既有半刚性基层沥青路面的三点的永久变形量[Ra1]、[Ra2]和[Ra3]；
S2、确定结构层厚度
在车辙均匀发生处所对应的同桩号路肩位置，钻取多个沥青混合料层和基层芯样，测量芯样各结构层厚度，包括沥青混合料面层厚度ha(mm)和无机结合料稳定基层hb(mm)；
S3、制备试验试件
试验前按层位对芯样进行切割，分层依次完成试件制备；
S4、依据《公路沥青路面设计规范》(JTG D50-2017)附录F“沥青混合料单轴贯入强度试验方法”测定沥青混合料层的综合贯入强度Rτs(MPa)；
S5、依据《公路沥青路面设计规范》(JTG D50-2017)附录E“无机结合料稳定类材料单轴压缩模量试验方法”测定半刚性基层材料的弹性模量Eb (MPa)；
S6、根据调查路段所在地区，以该地区调查年内的月平均气温大于0℃的各月份气温的平均值作为设计气温Td(℃)；
S7、调查路段已承受累计标准轴载作用次数计算
计算获取各沥青混合料层的综合贯入强度Rτs、路面结构系数ψs、第i层沥青混合料的权重ωis，并计算获取半刚性基层沥青路面调查年内已承受的累计标准轴载作用次数Ne5，计算公式如公式(1)～(5)所示；
Figure BDA0003520787520000041
Figure BDA0003520787520000042
Figure BDA0003520787520000043
Figure BDA0003520787520000044
Figure BDA0003520787520000045
式中，[Ra]为沥青混合料层永久变形量(mm)；Td为设计气温(℃)；ψs为路面结构系数；ha为沥青混合料层厚度(mm)；hb为无机结合料稳定层厚度 (mm)；Eb为无机结合料稳定层模量(MPa)；Rτs为各沥青混合料层的综合贯入强度(MPa)；Rτi为第i层沥青混合料的贯入强度(MPa)；n为沥青混合料的层数；ωis为第i层沥青混合料的权重，为第i层厚度中点剪应力与各层厚度中点剪应力之和的比值；Ne5为调查年设计车道当量设计轴载累计作用次数(次)；
根据高中低三处车辙位置得到的Ne5，取平均值作为实际路段的实际已经承受的累计标准轴载作用次数；
S8、路段通车初始年的设计车道当量设计轴载累计作用次数
根据已通车年限并结合《公路沥青路面设计规范》(JTG D50-2017)，计算路段通车初始年的设计车道当量设计轴载累计作用次数N1，计算公式如式 (6)所示；
Figure BDA0003520787520000051
式中，Ne5为调查年设计车道当量设计轴载累计作用次数(次)；t1为路段已通车年限(年)；N1为路段通车初始年的设计车道当量设计轴载累计作用次数(次)；γ为交通量的年增长率；
S9、养护设计路段设计期内累计标准轴载作用次数计算
根据路段通车初始年的设计车道当量设计轴载累计作用次数N1，路段已通车年限，得到养护设计初始年的设计车道当量设计轴载累计作用次数Nt1，进一步得到养护设计路段设计期内累计标准轴载作用次数Ne，计算公式如式(7) 所示；
Figure BDA0003520787520000052
式中，Ne为养护设计路段设计期内累计标准轴载作用次数(次)；t2为路段养护设计的设计寿命(年)；Nt1为养护设计初始年的设计车道当量设计轴载累计作用次数(次)；γ为交通量的年增长率；
S10、新建路面结构验算。
在《规范》中，要求半刚性基层沥青路面结构设计时，沥青混合料的贯入强度必须根据不同的公路等级和结构组合等满足强度容许值，车辙用当量设计轴载累计作用次数(即Ne)是影响沥青混合料贯入强度的重要因素之一。本发明的计算方法借助既有沥青路面病害得到的轴载次数反算设计轴载次数，这为养护设计提供了更真实更准确的累计标准轴载作用次数，路面结构设计更合理。
上述方案中，提出了一种养护设计用车辙等效累计轴载次数计算方法，利用既有沥青路面车辙深度数据，可准确得到既有沥青路面建成运营后所承受的累计标准轴载作用次数，可不必进行交通量观测和轴载谱调查，为半刚性基层沥青路面养护设计车辙等效轴载作用次数提供了一种准确度更高、成本更低的新方法。
附图说明
图1为本发明实施例一种基于车辙深度确定沥青路面累计标准轴载作用次数的方法的流程图；
图2为本发明实施例拟定的新建路面结构图；
图中：1-5cm SBS改性沥青混合料；2-7cm高模量沥青混合料AC-25C；3-60cm 4.5％水稳基层。
具体实施方式
为了使本发明的目的及优点更加清楚明白，以下结合实施例对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，本发明实施例提供了一种基于车辙深度确定沥青路面累计标准轴载作用次数的方法，包括如下步骤：
S1、基本信息及车辙深度采集
基本信息包括设计路段所在地、公路等级、路龄、路面类型和结构形式等；根据既有路面的不同程度(轻、中和重度)车辙情况，在车辙均匀变化处采集车辙深度的低、中、高点数据，车辙高中低点以车辙深度依此排序确定，根据高中低三处车辙位置分别得到三点相应的Ne5，取三点相应的Ne5的平均值作为实际路段的实际已经承受的累计标准轴载作用次数。确定既有半刚性基层沥青路面的永久变形量[Ra]；
S2、确定结构层厚度
在车辙均匀发生处所对应的同桩号路肩位置，钻取多个沥青混合料层和基层芯样，测量芯样各结构层厚度，包括沥青混合料面层厚度ha(mm)和无机结合料稳定基层hb(mm)；
S3、制备试验试件
在进行芯样室内试验前，须利用双面锯切割设备进行芯样切割，按层位对芯样进行切割，试件厚度取决于材料层位，分层依次完成试件制备；
S4、测定沥青混合料层的综合贯入强度Rτs。针对抗剪强度指标采用《规范》附录F“沥青混合料单轴贯入强度试验方法”进行，该法可采用现场钻取芯样进行试验。
S5、测定基层芯样模量Eb。
根据《规范》附录E“无机结合料稳定类材料单轴压缩模量试验方法”测定半刚性基层材料的弹性模量Eb。
S6、确定设计气温Td。
根据调查路段所在地区，以该地区调查年内的月平均气温大于0℃的各月份气温的平均值作为设计气温Tdo
S7、调查路段已承受累计标准轴载作用次数计算。
计算公式如公式(1)～(4)所示。
Figure BDA0003520787520000081
Figure BDA0003520787520000082
Figure BDA0003520787520000083
Figure BDA0003520787520000084
式中，[Ra]为沥青混合料层永久变形量(mm)；Ne5为调查年内设计车道当量设计轴载累计作用次数(次)；Td为设计气温(℃)；Ψs为路面结构系数； ha为沥青混合料层厚度(mm)；hb为无机结合料稳定层厚度(mm)；Eb为无机结合料稳定层模量(MPa)；Rτs为各沥青混合料层的综合贯入强度(MPa)； Rτi为第i层沥青混合料的贯入强度(MPa)；n为沥青混合料的层数；ωis为第i层沥青混合料的权重，为第i层厚度中点剪应力与各层厚度中点剪应力之和的比值，n＝1时，ω1＝1.0；n＝2时，自上而下，ω1＝0.48；ω2＝0.52；n＝3 时，自上而下，ω1＝0.35，ω2＝0.42，ω3＝0.23。半刚性基层沥青路面调查年内已承受的累计标准轴载作用次数Ne5计算方法如式(5)所示。
Figure BDA0003520787520000085
S8、路段通车初始年的设计车道当量设计轴载累计作用次数。
根据养护方案的设计寿命并结合《规范》，计算路段通车初始年的设计车道当量设计轴载累计作用次数N1，计算公式如式(6)所示；
Figure BDA0003520787520000086
式中，Ne5为调查年设计车道当量设计轴载累计作用次数(次)；t1为路段已通车年限(年)；N1为路段通车初始年的设计车道当量设计轴载累计作用次数(次)；γ为交通量的年增长率；
S9、养护设计路段设计期内累计标准轴载作用次数计算
根据路段通车初始年的设计车道当量设计轴载累计作用次数N1，路段已通车年限，计算得到养护设计初始年的设计车道当量设计轴载累计作用次数Nt1，进一步得到养护设计路段设计期内累计标准轴载作用次数Ne，公式如式(7) 所示；
Figure BDA0003520787520000091
式中，Ne为养护设计路段设计期内累计标准轴载作用次数(次)；t2为路段养护设计的设计寿命(年)；Nt1为养护设计初始年的设计车道当量设计轴载累计作用次数(次)；γ为交通量的年增长率；
S10、新建路面结构验算。
在《规范》中，要求半刚性基层沥青路面结构设计时，沥青混合料的贯入强度必须根据不同的公路等级和结构组合等满足强度容许值，车辙用当量设计轴载累计作用次数(即Ne)是影响沥青混合料贯入强度的重要因素之一。本发明的计算方法借助既有沥青路面病害得到的轴载次数反算设计轴载次数，这为养护设计提供了更真实更准确的累计标准轴载作用次数，路面结构设计更合理。
实施例
S1、采集基本信息及既有道路沥青路面行车道的车辙深度信息。
以辽宁省沈阳市黑大线为例，黑大线(四环至辽阳界段)位于沈阳市苏家屯区境内，二级公路，双向2车道，半刚性基层沥青路面。2017年，该路段进行了大修改造并通车，到路段调查时已通车4年，改造后的路面结构形式为： 5cmSBS细粒式改性沥青混合料(AC-16C)+7cm中粒式高模量改性沥青混合料 (AC-25C)+60cm 4.5％水泥稳定碎石基层。根据前述方法得到该路段永久变形量分别为7.4mm、7.6mm和7.8mm，即[Ra1]＝7.4mm、[Ra2]＝7.6mm和[Ra3]＝7.8mm。
S2、确定结构层厚度。
在车辙均匀发生处所对应的同桩号路肩位置，钻取多个沥青混合料层和基层芯样，测量芯样各结构层厚度，包括面层厚度和基层厚度，经测量，面层厚度ha＝120mm，基层厚度hb＝600mm。。
S3、制备试验试件。
在进行芯样室内试验前，利用双面锯切割设备进行路肩芯样切割，表面层试件高度为50mm，下面层试件高度为70mm，基层试件高度为600mm。
S4、测定沥青混合料抗剪强度Rτs。
采用《规范》附录F“沥青混合料单轴贯入强度试验方法”测量的抗剪强度。面层为两层改性沥青混合料，故层数n＝2，自上而下，ω1s＝0.48，ω2s＝0.52， Rτ1＝0.808MPa，Rτ2＝0.690MPa，故沥青混合料层的综合贯入强度Rτs＝0.747MPa。
计算过程如下。
Figure BDA0003520787520000101
S5、测定基层芯样模量Eb。
根据《规范》附录E“无机结合料稳定类材料单轴压缩模量试验方法”测定半刚性基层材料的弹性模量Eb＝20000MPa。
S6、确定设计气温Td。
根据调查路段所在地区为辽宁省沈阳市，该地区调查年内的月平均气温大于0℃的各月份气温的平均值为14.9℃，故设计气温Td＝14.9℃。
S7、调查路段已承受累计标准轴载作用次数计算。
计算过程如下。
Figure BDA0003520787520000111
Figure BDA0003520787520000112
Figure BDA0003520787520000113
Figure BDA0003520787520000114
Figure BDA0003520787520000115
S8、路段通车初始年的设计车道当量设计轴载累计作用次数。
根据已通车年限(4年)并结合《规范》，计算路段通车初始年的设计车道当量设计轴载累计作用次数N1，计算过程如下。
Figure BDA0003520787520000116
S9、养护设计路段设计期内累计标准轴载作用次数计算
根据路段通车初始年的设计车道当量设计轴载累计作用次数N1，路段已通车年限(4年)，得到养护设计初始年的设计车道当量设计轴载累计作用次数 Nt1，进一步得到养护设计路段设计期内累计标准轴载作用次数Ne，计算过程如下。
Figure BDA0003520787520000121
S10、路面结构验算。
拟定养护后的路面结构形式如图1所示，相关参数如表1所示，并依据《规范》进行沥青混合料贯入强度验算。
表1养护后的路面结构形式及参数
Figure BDA0003520787520000122
Figure BDA0003520787520000123
故要求路面设计中沥青混合料层的综合贯入强度应满足此要求。根据《规范》附录F“沥青混合料单轴贯入强度试验方法”进行试验，分别测得新拟路面结构表面层沥青混合料的贯入强度为0.82MPa，下面层沥青混合料的贯入强度为0.88MPa，故沥青混合料层的综合贯入强度Rτs为0.85MPa，满足要求，故沥青混合料贯入强度验算通过。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种基于车辙深度确定沥青路面累计标准轴载作用次数的方法，其特征在于，该方法以既有沥青路面车辙深度为基本参数，通过既有沥青路面建成运营后已承受的累计标准轴载作用次数，得到养护设计期内累计标准轴载作用次数，计算公式如下：
Figure FDA0003520787510000011
Figure FDA0003520787510000012
Figure FDA0003520787510000013
式中，[Ra]为沥青混合料层永久变形量(mm)；Ne5为调查年设计车道当量设计轴载累计作用次数(次)；Td为设计气温(℃)；ψs为路面结构系数；Rτs为各沥青混合料层的综合贯入强度(MPa)；t1为路段已通车年限(年)；Ne为养护设计路段设计期内累计标准轴载作用次数(次)；t2为路段养护设计的设计寿命(年)；Nt1为养护设计初始年的设计车道当量设计轴载累计作用次数(次)；γ为交通量的年增长率。
2.如权利要求1所述的一种基于车辙深度确定沥青路面累计标准轴载作用次数的方法，其特征在于，具体包括如下步骤：
S1、基本信息及车辙深度采集；
基本信息包括路段所在地、公路等级、路龄、路面类型和结构形式；根据既有路面的不同程度车辙情况，在车辙均匀变化处采集车辙深度的低、中、高点数据，车辙高中低点以车辙深度依此排序确定，分别确定既有半刚性基层沥青路面的三点的永久变形量[Ra1]、[Ra2]和[Ra3]；
S2、确定结构层厚度
在车辙均匀发生处所对应的同桩号路肩位置，钻取多个沥青混合料层和基层芯样，测量芯样各结构层厚度，包括沥青混合料面层厚度ha(mm)和无机结合料稳定基层hb(mm)；
S3、制备试验试件
试验前按层位对芯样进行切割，分层依次完成试件制备；
S4、依据《公路沥青路面设计规范》(JTG D50-2017)附录F“沥青混合料单轴贯入强度试验方法”测定沥青混合料层的综合贯入强度Rτs(MPa)；
S5、依据《公路沥青路面设计规范》(JTG D50-2017)附录E“无机结合料稳定类材料单轴压缩模量试验方法”测定半刚性基层材料的弹性模量Eb(MPa)；
S6、根据调查路段所在地区，以该地区调查年内的月平均气温大于0℃的各月份气温的平均值作为设计气温Td(℃)；
S7、调查路段已承受累计标准轴载作用次数计算
计算获取各沥青混合料层的综合贯入强度Rτs、路面结构系数ψs、第i层沥青混合料的权重ωis，并计算获取半刚性基层沥青路面调查年内已承受的累计标准轴载作用次数Ne5，计算公式如公式(1)～(5)所示；
Figure FDA0003520787510000021
Figure FDA0003520787510000022
Figure FDA0003520787510000023
Figure FDA0003520787510000024
Figure FDA0003520787510000025
式中，[Ra]为沥青混合料层永久变形量(mm)；Td为设计气温(℃)；ψs为路面结构系数；ha为沥青混合料层厚度(mm)；hb为无机结合料稳定层厚度(mm)；Eb为无机结合料稳定层模量(MPa)；Rτs为各沥青混合料层的综合贯入强度(MPa)；Rτi为第i层沥青混合料的贯入强度(MPa)；n为沥青混合料的层数；ωis为第i层沥青混合料的权重，为第i层厚度中点剪应力与各层厚度中点剪应力之和的比值；Ne5为调查年设计车道当量设计轴载累计作用次数(次)；
根据高中低三处车辙位置得到的Ne5，取平均值作为实际路段的实际已经承受的累计标准轴载作用次数；
S8、路段通车初始年的设计车道当量设计轴载累计作用次数
根据已通车年限并结合《公路沥青路面设计规范》(JTG D50-2017)，计算路段通车初始年的设计车道当量设计轴载累计作用次数N1，计算公式如式(6)所示；
Figure FDA0003520787510000031
式中，Ne5为调查年设计车道当量设计轴载累计作用次数(次)；t1为路段已通车年限(年)；N1为路段通车初始年的设计车道当量设计轴载累计作用次数(次)；γ为交通量的年增长率；
S9、养护设计路段设计期内累计标准轴载作用次数计算
根据路段通车初始年的设计车道当量设计轴载累计作用次数N1，路段已通车年限，得到养护设计初始年的设计车道当量设计轴载累计作用次数Nt1，进一步得到养护设计路段设计期内累计标准轴载作用次数Ne，计算公式如式(7)所示；
Figure FDA0003520787510000032
式中，Ne为养护设计路段设计期内累计标准轴载作用次数(次)；t2为路段养护设计的设计寿命(年)；Nt1为养护设计初始年的设计车道当量设计轴载累计作用次数(次)；γ为交通量的年增长率。
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