CN116090056A - 考虑低温温度场的lsam-50全厚式沥青路面力学计算方法 - Google Patents

考虑低温温度场的lsam-50全厚式沥青路面力学计算方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种考虑低温温度场的LSAM‑50全厚式沥青路面力学计算方法，在服役路面不同深度内埋设温度传感器，建立智能气象采集站，实时采集路面结构不同深度处的温度。以各层位最低温度作为特征温度，建立路面温度～路面深度模型，划分沥青路面结构层及结构亚层，根据路面温度～路面深度模型确定不同计算深度对应的计算温度，根据各类沥青混合料回弹模量～温度模型，确定各不同计算温度对应的不同计算回弹模量；根据确定的各结构亚层沥青混合料的回弹模量，采用双圆均布垂直荷载作用下的弹性层状连续体系理论进行路面结构力学指标计算。该方法能够更精准计算LSAM‑50全厚式沥青路面力学响应。

Description

考虑低温温度场的LSAM-50全厚式沥青路面力学计算方法
技术领域
本发明属于交通土建工程领域，特别是一种考虑低温温度场的LSAM-50全厚式沥青路面力学计算方法。
背景技术
目前，我国《公路沥青路面设计规范》(JTG D50-2017)规定应采用双圆均布垂直荷载作用下的弹性层状连续体系理论进行路面结构力学指标计算，其中对于全厚式沥青路面结构验算，结构层模量取值应采用沥青面层20℃、10Hz条件下模量，沥青类基层采用20℃、5Hz条件下模量。然而，现有设计规范对于计算LSAM-50(Large Stone Asphalt Mixture-50)全厚式沥青路面力学响应存在以下不足：
(1)在实际服役过程中，随外界气温季节性变化，沥青路面结构层内温度场变化复杂，各结构层温度分布随时间及环境发生周期性变化。沥青混合料作为典型黏弹塑性体，其回弹模量等力学性能具有较强温度依赖性，即沥青路面在实际服役过程中，各沥青混合料材料的回弹模量会随路面温度场发生变化。但现有设计规范通常以一个温度下的回弹模量经验值或代表值来表征路面材料性能，未考虑沥青路面温度场变化，不符合实际服役过程。
(2)LSAM-50全厚式沥青路面力学强度及疲劳开裂具有较强温度敏感性。但现有设计规范未考虑路面结构不同温度下的疲劳开裂，即现有规范未考虑LSAM-50全厚式沥青路面温度敏感性。
发明内容
针对上述现有设计规范存在的技术问题，本发明的目的在于，提供一种考虑低温温度场的LSAM-50全厚式沥青路面力学计算方法。
为了实现上述任务，本发明采取如下技术解决方案：
一种考虑低温温度场的LSAM-50全厚式沥青路面力学计算方法，其特征在于，该方法考虑实际路面低温温度场，相比于现有设计规范，可以更精准计算LSAM-50全厚式沥青路面力学响应，具体按照以下步骤进行：
步骤1：采集服役路面温度场
为研究LSAM-50全厚式沥青路面温度场分布状况，选择测试温度范围不小于-50℃～130℃、测试精度不小于0.1℃的温度传感器及温度数据采集仪，综合考虑地形、地貌、光线、风速、风向各因素，选择合适的地点建立智能气象站；根据路面结构层位及力学计算需求，设计温度传感线埋设深度。利用智能气象站，实时采集路面结构不同深度处的温度。
步骤2：构建服役路面低温温度场随路面深度变化模型
选取每年12月至次年1月最低温作为低温代表期，进行沥青路面低温温度场分析。根据智能气象站所记录不同层位的低温数据，按最不利情况考虑，以各层位最低温度作为特征温度，建立路面温度～路面深度模型，所构建模型采用线性模型，R2不小于0.90。
步骤3：测试不同温度下沥青混合料室内回弹模量
在室内成型沥青混合料圆柱体试件，所采用的沥青混合料分别与沥青面层及LSAM-50柔性基层材料一致，测试沥青混合料在不同温度下的回弹模量值，建立不同沥青混合料回弹模量～温度依赖模型，所构建模型采用指数模型，R2不小于0.90。
步骤4：划分沥青路面结构层及结构亚层
LSAM-50全厚式沥青路面结构层可划分为表面功能层、联结层及LSAM-50柔性基层，其中表面功能层划分厚度为2-4cm，联结层划分厚度为6-8cm，LSAM-50柔性基层厚度较大，其结构内部温度和模量差异较大，将LSAM-50柔性基层划分结构亚层，每一结构亚层厚度为5-10cm。
步骤5：确定结构层及结构亚层温度及力学参数
根据步骤2构建的路面温度～路面深度模型，表面功能层以层中距路表深度为计算深度，联结层及LSAM-50柔性基层各结构亚层以层顶距路表深度为计算深度，根据步骤2中的模型，确定不同计算深度对应的计算温度；根据步骤3构建的各类沥青混合料回弹模量～温度模型，代入各计算温度，确定各计算温度对应的计算回弹模量。
步骤6：进行LSAM-50全厚式沥青路面力学响应计算
根据步骤5确定的各结构亚层回弹模量，采用双圆均布垂直荷载作用下的弹性层状连续体系理论进行路面结构力学指标计算。
本发明的考虑低温温度场的LSAM-50全厚式沥青路面力学计算方法，由于考虑实际服役过程中LSAM-50全厚式沥青路面内部温度场分布，从而进行更精准的LSAM-50全厚式沥青路面力学响应计算。
附图说明
图1为路面深度～路面温度模型；
图2为沥青混合料回弹模量～温度依赖模型，其中，(a)图表示AC-13回弹模量温度依赖模型，(b)图表示AC-20回弹模量温度依赖模型，(c)图表示LSAM-50回弹模量温度依赖模型；
图3为双圆均布垂直荷载示意图；
图4为路面低温力学响应，其中，(a)图表示层底最大拉应力～路面深度关系，(b)图表示层底最大拉应变～路面深度关系；
图5为不同LSAM-50柔性基层厚度路面低温力学响应，其中，(a)图表示层底最大拉应力～LSAM-50柔性基层厚度关系，(b)图表示层底最大拉应变～LSAM-50柔性基层厚度关系；
图6为不同土基回弹模量路面低温力学响应，其中，(a)图表示层底最大拉应力～土基回弹模量关系，(b)图表示最大拉应变～土基回弹模量关系。
以下结合附图和实施例对本发明作进一步地详细说明。
具体实施方式
本实施例依托G347新建工程铺筑超大粒径LSAM-50柔性基层沥青路面试验段，给出考虑低温温度场的LSAM-50全厚式沥青路面力学计算方法，该方法考虑实际路面低温温度场，相比于现有设计规范，可以更精准计算LSAM-50全厚式沥青路面力学响应，具体按照以下步骤进行：
步骤1：采集服役路面温度场
为研究LSAM-50全厚式沥青路面温度场分布状况，选择测试温度范围不小于-50℃～130℃、测试精度不小于0.1℃的温度传感器及温度数据采集仪，综合考虑地形、地貌、光线、风速、风向等因素，选择合适的地点建立智能气象站。根据路面结构层位及力学计算需求，拟定温度传感线埋设深度分别为2cm、7cm、12cm、17cm、22cm、27cm、32cm、37cm、44cm、51cm的路肩处。利用智能气象站，实时采集路面结构不同深度处的温度。
步骤2：构建服役路面低温温度场随路面深度变化模型
沥青路面温度在冬季时温度最低，本实施例选取G347试验段2021年12月至次2022年1月最低温作为低温代表期，进行沥青路面低温温度场分析。根据智能气象站所记录不同层位的低温数据，按最不利情况考虑，以各层位最低温度作为特征温度，建立路面温度～路面深度模型，所构建模型采用线性模型，R2为0.9643。路面温度～路面深度之间关系见图1。
步骤3：测试不同温度下沥青混合料室内回弹模量
G347新建工程LSAM-50全厚式沥青路面表面功能层采用AC-13沥青混合料，联结层采用AC-20沥青混合料，LSAM-50柔性基层采用LSAM-50沥青混合料。在室内成型沥青混合料圆柱体试件，所采用的沥青混合料分别与沥青面层及LSAM-50柔性基层材料一致，测试沥青混合料在不同温度下的回弹模量值，建立不同沥青混合料回弹模量～温度依赖模型，所构建模型采用指数模型，R2均不小于0.90。AC-13、AC-20及LSAM-50回弹模量温度依赖模型见图2。
步骤4：划分沥青路面结构层及结构亚层
G347新建工程LSAM-50全厚式沥青路面划分结构层为表面功能层、联结层及LSAM-50柔性基层，其中表面功能层为4cm AC-13，联结层为6cm AC-20，LSAM-50柔性基层厚度为40cm，其结构内部温度和模量差异较大，将LSAM-50柔性基层划分结构亚层，每一结构亚层厚度为5cm。路面结构层位和计算模型分层结果见表1。
表1：路面结构层位和计算模型分层
Figure BDA0004048678490000041
步骤5：确定结构层及结构亚层温度及力学参数
根据步骤2构建的路面温度～路面深度模型，表面功能层以层中距路表深度为计算深度，联结层及LSAM-50柔性基层各结构亚层以层顶距路表深度为计算深度，根据步骤2中的模型，确定不同计算深度对应的计算温度；根据步骤3构建的各类沥青混合料回弹模量～温度模型，代入各计算温度，确定各计算温度对应的计算回弹模量。各计算深度、计算温度及计算回弹模量见表2。
表2：路面结构层及结构亚层温度及力学参数
Figure BDA0004048678490000042
Figure BDA0004048678490000051
步骤6：进行LSAM-50全厚式沥青路面力学响应计算
根据步骤5确定的各结构亚层回弹模量，采用双圆均布垂直荷载作用下的弹性层状连续体系理论进行路面结构力学指标计算。
《公路沥青路面设计规范》(JTG D50-2017)规定应采用双圆均布垂直荷载作用下的弹性层状连续体系理论进行路面结构力学指标计算，双圆均布垂直荷载示意图见图3，x轴为行车方向。两轮中心距为319.5mm，标准轴载BZZ-100作用下A点、B点、C点、D点和E点的坐标见表3，荷载圆半径为106.5mm，计算点坐标单位为m。
表3：BZZ-100荷载作用下各计算点位坐标
计算参数 A点坐标 B点坐标 C点坐标 D点坐标 E点坐标
参数值 (0,0) (-0.0266,0) (-0.0533,0) (-0.1598,0) (-0.2663,0)
路面结构力学计算指标选取层底拉应力及层底拉应变。
本实施例从以下三方面进行LSAM-50全厚式沥青路面力学响应计算：
①不同计算点位应力随深度变化规律；
②低温条件下LSAM-50柔性基层厚度对路面结构力学响应的影响；
③低温条件下土基回弹模量对路面结构力学响应的影响。
第一，本实施例对LSAM-50柔性基层厚度为40cm，土基回弹模量为60MPa的路面结构在低温温度场下的力学响应进行计算，得到不同计算点位应力随深度变化规律见图4。由图4(a)可知，路面深度≤25cm时，荷载作用下路面水平受压，且应力最大值(＜0.6MPa)出现在路表处；随深度增大，各计算点位应力值趋于相同且应力经历了从压至拉的变化，A点的沥青层底是拉应力最大的点位，层底最大水平拉应力可达0.25MPa。由图4(b)可知，不同点位的拉应变随深度的变化规律与水平拉应力变化规律大致相当，路面深度≤15cm时，荷载作用下路面产生压应变；继续增大深度，各计算点位应变值趋于相同且应变经历了从压至拉的变化；A点的沥青层底是拉应变最大的点位，层底最大水平拉应变可达55με。水平拉应力与拉应变的最大值均为A点柔性基层层底。
第二，本实施例为探究低温条件下LSAM-50柔性基层厚度对路面结构力学响应的影响，拟采用LSAM-50柔性基层厚度为10cm、15cm、20cm、25cm、30cm、35cm、40cm和50cm，路面力学响应见图5。由图5(a)可知，低温条件下，增大LSAM-50柔性基层厚度可显著降低路面最大拉应力和最大拉应变。路面最大拉应力和最大拉应变随LSAM-50柔性基层厚度的变化呈负指数函数变化，厚度较小时拉应力与拉应变降低幅度较大。LSAM-50柔性基层厚度从10cm增大至15cm，最大拉应力从0.99MPa降低至0.73MPa，降幅达26％。LSAM-50柔性基层厚度增加至40cm后，路面最大拉应力仅为10cm的23.7％。由图5(b)可知，拉应变的变化规律与拉应力相似，LSAM-50柔性基层厚度增加至40cm后，路面最大拉应变仅为10cm的24.2％。低温条件下开裂破坏是主要破坏形式，控制好低温路面拉应力与拉应变是长寿命沥青路面的主要依据。
第三，本实施例为探究低温条件下土基回弹模量对路面结构力学响应的影响，拟采用土基回弹模量为10MPa、20MPa、30MPa、40MPa、50MPa、60MPa、70MPa和80Mpa，路面力学响应见图6。由图6(a)可知，低温条件下，增大土基回弹模量可显著降低路面最大拉应力和最大拉应变。路面最大拉应力和最大拉应变随土基回弹模量的变化呈负指数函数变化，土基回弹模量较低时拉应力与拉应变降低幅度较大。土基回弹模量从10MPa增大至20MPa，最大拉应力从0.32MPa降低至0.29MPa。土基回弹模量增加至60MPa后，路面最大拉应力仅为10MPa的70％。由图6(b)可知，拉应变的变化规律与拉应力相似，土基回弹模量增加至60MPa后，路面最大拉应变仅为10MPa的74％。低温条件下开裂破坏是主要破坏形式，控制好低温路面拉应力与拉应变是长寿命沥青路面的主要依据。
以上内容是结合具体的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为落入本发明权利要求书限定的保护范围。

Claims (2)

1.一种考虑低温温度场的LSAM-50全厚式沥青路面力学计算方法，其特征在于，具体按照以下步骤进行：
步骤1：采集服役路面温度场
选择测试温度范围不小于-50℃～130℃、测试精度不小于0.1℃的温度传感器及温度数据采集仪，综合考虑地形、地貌、光线、风速、风向各因素，选择合适的地点建立智能气象站；根据路面结构层位及力学计算需求，设计温度传感线埋设深度，利用智能气象站，实时采集路面结构不同深度处的温度；
步骤2：构建服役路面低温温度场随路面深度变化模型
选取每年12月至次年1月最低温作为低温代表期，进行沥青路面低温温度场分析，根据智能气象站所记录不同层位的低温数据，按最不利情况考虑，以各层位最低温度作为特征温度，建立路面温度～路面深度模型，所构建模型采用线性模型，R2(相关性系数)不小于0.90；
步骤3：测试不同温度下沥青混合料室内回弹模量
在室内成型沥青混合料圆柱体试件，所采用的沥青混合料分别与沥青面层及LSAM-50柔性基层材料一致，测试沥青混合料在不同温度下的回弹模量值，建立不同沥青混合料回弹模量～温度依赖模型，所构建模型采用指数模型，R2(相关性系数)不小于0.90；
步骤4：划分沥青路面结构层及结构亚层
LSAM-50全厚式沥青路面结构层可划分为表面功能层、联结层及LSAM-50柔性基层，其中，表面功能层划分厚度为2cm～4cm，联结层划分厚度为6cm～8cm，LSAM-50柔性基层厚度较大，其结构内部温度和模量差异较大，将LSAM-50柔性基层划分结构亚层，每一结构亚层厚度为5cm～10cm；
步骤5：确定结构层及结构亚层温度及力学参数
根据步骤2构建的路面温度～路面深度模型，表面功能层以层中距路表深度为计算深度，联结层及LSAM-50柔性基层各结构亚层以层顶距路表深度为计算深度，根据步骤2中的模型，确定不同计算深度对应的计算温度；根据步骤3构建的各类沥青混合料回弹模量～温度模型，代入各计算温度，确定各计算温度对应的计算回弹模量；
步骤6：进行LSAM-50全厚式沥青路面力学响应计算。
根据步骤5确定的各结构亚层回弹模量，采用双圆均布垂直荷载作用下的弹性层状连续体系理论进行路面结构力学指标计算。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述表面功能层采用AC-13沥青混合料，联结层采用AC-20沥青混合料。
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