CN116956582A - 基于足尺沥青路面全寿命周期试验的弯沉演化转换点确定方法 - Google Patents

基于足尺沥青路面全寿命周期试验的弯沉演化转换点确定方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于足尺沥青路面全寿命周期试验的弯沉演化转换点确定方法，属于道路工程技术领域，本发明的方法，基于足尺沥青路面全寿命周期试验，通过弯沉数据与当量设计轴载累计作用次数之间的相关关系，发现沥青路面在全寿命周期内服役性能损伤演化过程中的转换点，在服役性能损伤衰变即将进入加速期时，采取有效的养护维修措施改善路面使用状况，可以大大延长沥青路面的使用寿命和服役年限，对于提高路面耐久性、降低全寿命周期内的使用成本等具有重要的现实意义。

Description

基于足尺沥青路面全寿命周期试验的弯沉演化转换点确定 方法
技术领域
本发明涉及道路工程技术领域，特别涉及一种基于足尺沥青路面全寿命周期试验的弯沉演化转换点确定方法。
背景技术
在沥青路面全寿命周期服役过程中，随着车辆荷载与自然环境的长期作用，路面结构与材料的长期服役性能会逐渐出现损伤衰变并不断累计。当服役性能的损伤衰变累计到一定程度时，沥青路面将最终出现破坏，导致其无法继续服役。在全寿命周期内，如果能够及时发现沥青路面服役性能损伤演化过程中的转换点，在服役性能损伤衰变即将进入加速期时，采取有效的养护维修措施改善路面使用状况，可以大大延长沥青路面的使用寿命和服役年限，对于提高路面耐久性、降低全寿命周期内的使用成本等具有重要的现实意义。沥青路面的全寿命周期，一般是指路面建成到最后破坏的全过程，按照我国设计规范中的相关规定，对于高速公路而言，至少要达到15年的使用寿命，或者相当于5000万次的当量设计轴载累计作用次数。
在评价沥青路面服役性能的各类指标中，弯沉不仅是表征沥青路面结构性能的关键指标，也是我国各等级公路沥青路面设计和验收的主要依据。但目前在道路工程技术领域，对于全寿命周期内沥青路面弯沉演化过程中的服役性能转换点，仍缺少相应的确定方法，无法准确找到弯沉损伤衰变即将进入加速期的时机，也不能及时采取有效的养护维修措施来改善路面使用状态。此外，但这些方法一般多基于沥青路面建成初期几年内(2-7年)的试验检测数据而提出，预测沥青路面短期内的服役性能尚可，但由于缺少全寿命周期内服役性能的演化数据，预测方法的外延性较差，用于预测沥青路面的长期性能是不可靠的，特别是无法准确预测沥青路面从建成到使用末期的全寿命周期服役性能演化的全过程。
因此，为了能够延长在役沥青路面的服役寿命，在弯沉损伤衰变即将进入加速期时及时采取有效的养护维修措施来改善路面状态，有必要寻找到沥青路面全寿命周期弯沉损伤演化过程中的服役性能转换拐点。与此同时，为了保证获得准确、完整的沥青路面全寿命周期内的弯沉演化行为，应在实际尺寸或足尺的道路结构、实际服役的自然与荷载环境、以及可覆盖全寿命周期的试验条件下进行弯沉试验，使得弯沉服役性能演化过程与实际路面结构的弯沉损伤演化行为相符并具有一致性，在此基础上建立弯沉演化转换点，才能保证结果的准确性和可靠性。
发明内容
针对上述问题，本发明提出了一种基于足尺沥青路面全寿命周期试验的弯沉演化转换点确定方法，用于确定沥青路面全寿命周期弯沉演化过程中的关键节点，及时采取有效的养护维修措施改善路面使用状况，提高路面耐久性、延长服役年限、降低全寿命周期内的使用成本。
基于足尺沥青路面全寿命周期试验的弯沉演化转换点确定方法，包括如下步骤：
1)根据拟进行弯沉损伤演化过程评价道路的基本情况，确定该道路的公路等级、设计使用年限、交通荷载等级、符合沥青路面全寿命周期要求的设计使用年限内当量设计轴载累计作用次数，以及沥青路面结构型式及各结构层的材料类型；
2)在露天的自然环境中修建与拟评价道路的结构及材料完全相同的足尺路面，其中，足尺路面的宽度至少为2条车道的宽度7.5m，足尺路面长度至少为50m，足尺路面各结构层厚度与拟评价道路的各层厚度完全相同，路面材料采用正常的施工工艺进行施工；
3)采用实际车辆作为试验加载装置，车型为二轴以上货车，采取单向、渠化交通的荷载方式进行加载，车辆运行速度为60-80km/h，采用式(1)将加载货车各轴的轴载换算成当量设计轴载作用次数，加载货车的数量不少于4辆。
式中：Ni——加载货车第i个轴的当量设计轴载作用次数；
C1——轴组系数，前后轴间距大于3m时分别按单个轴计算，当轴间距小于3m时，双联轴取2.1，三联轴取3.2；
C2——轮组系数，双轮组取1，单轮组取4.5；
Pi——加载货车第i个轴的轴重，单位为kN；
4)在足尺路面所处的露天自然环境中设置气象站或温度传感器，对大气温度进行连续观测，观测频率为每5-15分钟观测1次。
5)在足尺路面上利用试验加载装置开展长期加载试验。
6)每完成约1-120万当量设计轴载累计作用次数时，采用落锤式弯沉仪对足尺路面的结构弯沉进行1次检测，沿行车方向每隔10m作为一个弯沉监测点，每次检测时每个弯沉监测点开展50kN落锤荷载下的弯沉检测得到弯沉盆面积；
7)收集步骤6)中每完成约1-120万当量设计轴载累计作用次数时，通过气象站或温度传感器观测的所有大气温度数据，求这些数据的平均值作为大气温度的代表值；
8)当完成符合沥青路面全寿命周期要求的当量设计轴载累计作用次数时，暂时停止加载；
9)汇总整理足尺路面在全寿命周期加载试验过程中，落锤荷载下的全部结构弯沉检测数据、当量设计轴载累计作用次数和大气温度代表值；
10)采用下述方法将步骤9)中的弯沉检测数据，修正为基准温度下的弯沉数据；
①.采用式(2)回归分析步骤9)中的大气温度代表值与弯沉数据之间的相关关系；
l＝a·ebT (2)
式中：l——结构弯沉，单位为0.01mm；
T——大气温度代表值，单位为℃；
a、b——回归参数；
②.选择基准温度T0，采用公式(2)计算基准温度时的FWD弯沉计算值lT0；
③.计算步骤9)中的各弯沉实测值li与基准温度下弯沉计算值lT0之间的比值Ki；
④.回归分析Ki与历次FWD检测的大气温度代表值之间的相关关系，得到公式(5)；
式中a1、b1——回归参数。
⑤.将式(4)代入式(5)中，即得到弯沉的温度修正公式，按此将步骤9)中的弯沉检测数据，修正为基准温度下的弯沉数据；
11)按照式(6)和式(7)分别建立步骤10)中经过温度修正后的弯沉数据与当量设计轴载累计作用次数之间的相关关系，通过拟合确定回归系数；
式中：y——经过荷载与温度修正后的弯沉盆面积，单位为mm2；
x——当量设计轴载累计作用次数；
k1、k2、k3、k4——回归系数；
13)按照式(8)求式(6)和式(7)的交点，即为弯沉演化转换点，
该转换点后的弯沉损伤进入加速发展阶段，可作为沥青路面即将采取养护维修决策的时间。
所述步骤6)的每完成约60-120万当量设计轴载累计作用次数时，采用落锤式弯沉仪对足尺路面的结构弯沉进行1次检测。
所述试验加载装置为采用四轴、五轴或六轴拖挂车。
所述试验加载装置通过在货车车斗内增加配重块的方式提高货车轴载至设计轴载的1.5-2倍。
所述步骤6)的检测，开展3次以上的平行试验，取弯沉盆面积平均值作为该点的结构弯沉。
所述足尺路面宽为9m，从左至右采用标线分别划分为：宽1m的左路肩、宽3.75m的超车道、宽3.75m的行车道、宽1m的右路肩，行车道作为试验加载车道，超车道作为试验对比车道；足尺路面长度为60m。
利用本发明的方法，能够及时发现沥青路面在全寿命周期内服役性能损伤演化过程中的转换点，在服役性能损伤衰变即将进入加速期时，采取有效的养护维修措施改善路面使用状况，可以大大延长沥青路面的使用寿命和服役年限，对于提高路面耐久性、降低全寿命周期内的使用成本等具有重要的现实意义。
附图说明
图1为某高速公路沥青路面结构及材料示意图，
图2为足尺路面车道划分示意图，
图3为沥青路面全寿命周期弯沉演化曲线。
具体实施方式
以某高速公路沥青路面弯沉演化过程的评价需求为例，简述本发明的具体实施方式。
1)从该高速公路设计与施工的相关技术文件可知，拟进行弯沉损伤演化过程评价道路的基本情况可以确定为：道路等级为高速公路，设计使用年限为15年，交通荷载等级为特重交通，符合沥青路面全寿命周期要求的设计使用年限内当量设计轴载累计作用次数为不小于5000万次。沥青路面结构型式及各结构层的材料类型如图1所示，自下而上分别为：一层厚度为20cm的水泥稳定土底基层、一层厚度为20cm的水泥稳定碎石基层、一层厚度为18cm的水泥稳定碎石基层、一层厚度为8cm的A70号沥青混凝土下面层、一层厚度为6cm的SBS改性沥青混凝土中面层、一层厚度为4cm的SBS改性沥青混凝土上面层，路面结构总厚度为76cm。
2)在露天的自然环境中修建与图1中沥青路面结构及材料完全相同的足尺路面。足尺路面宽度为9.5m，如图2所示，从左至右采用标线分别划分为：宽1m的左路肩、宽3.75m的超车道、宽3.75m的行车道、宽1m的右路肩，行车道作为试验加载车道，超车道作为试验对比车道。足尺路面长度为60m。足尺路面各结构层厚度与图1中拟评价道路的各层厚度完全相同。修建时采用沥青拌合站和水稳拌合站生产路面材料，采用摊铺机和压路机进行现场施工。
3)采用六轴拖挂车辆作为试验加载装置，荷载方式为单向、渠化交通，车辆运行的平均速度为70km/h。为了提高试验加载效率，采用6辆加载货车同时进行全天候加载，在六轴拖挂车辆的车斗内使用预制的水泥混凝土标准配重块进行配重，每个配重块干燥时质量为1吨，配重块总数为65块。根据式(1)可换算出每辆加载货车经过足尺路面时的当量设计轴载累计作用次数约为72次。
4)在足尺路面所处的露天自然环境中设置小型气象站，对大气温度进行连续观测，每10分钟观测1次大气温度并进行实时存储。
5)在足尺路面上采用六轴拖挂车辆开展长期加载试验。
6)每完成约80万当量设计轴载累计作用次数时，采用落锤式弯沉仪对足尺路面的结构弯沉进行1次检测，沿行车方向每隔10m作为一个弯沉监测点，每次检测时每个弯沉监测点分别开展50kN、70kN、90kN、110kN四种落锤荷载下的弯沉检测得到弯沉盆面积，每种荷载下开展3次以上的平行试验，取弯沉盆面积平均值作为该点的结构弯沉。
6)当完成符合拟评价道路结构的沥青路面全寿命周期要求的当量设计轴载累计作用次数时暂时停止加载试验，具体的次数为5037万次。
7)收集步骤6)中每完成约80万当量设计轴载累计作用次数时，通过气象站观测的所有大气温度数据，求这些数据的平均值作为大气温度的代表值。
8)当完成符合拟预测结构的沥青路面全寿命周期要求的当量设计轴载累计作用次数时暂时停止加载试验，具体的次数为5037万次。
9)汇总整理足尺路面在全寿命周期加载试验过程中，四种落锤荷载下的全部结构弯沉检测数据、当量设计轴载累计作用次数和大气温度代表值，见表1所示。
表1足尺路面全寿命周期的结构弯沉试验数据
10)按照式(2)至式(5)，将表1中的弯沉检测数据，修正为基准温度下的弯沉数据。本实施案例，基准温度选择20℃，修正后的弯沉数据见表2和图3所示。
表2足尺路面全寿命周期的结构弯沉试验数据(温度修正后)
12)按照式(6)和式(7)分别拟合表2中各数据之间的相关关系，得到回归系数k1、k2、k3、k3的数值分别为：31.736、0.1218、66.073、0.00008。
13)将12)中的回归系数代入式(8)中并对其进行求解，可以得到弯沉演化转换点，该点的自变量x的根为3105万次，可作为沥青路面即将采取养护维修决策的时间。

Claims (6)

1.基于足尺沥青路面全寿命周期试验的弯沉演化转换点确定方法，包括如下步骤：
1)根据拟进行弯沉损伤演化过程评价道路的基本情况，确定该道路的公路等级、设计使用年限、交通荷载等级、符合沥青路面全寿命周期要求的设计使用年限内当量设计轴载累计作用次数，以及沥青路面结构型式及各结构层的材料类型；
2)在露天的自然环境中修建与拟评价道路的结构及材料完全相同的足尺路面，其中，足尺路面的宽度至少为2条车道的宽度7.5m，足尺路面长度至少为50m，足尺路面各结构层厚度与拟评价道路的各层厚度完全相同，路面材料采用正常的施工工艺进行施工；
3)采用实际车辆作为试验加载装置，车型为二轴以上货车，采取单向、渠化交通的荷载方式进行加载，车辆运行速度为60-80km/h，采用式(1)将加载货车各轴的轴载换算成当量设计轴载作用次数，加载货车的数量不少于4辆；
式中：Ni——加载货车第i个轴的当量设计轴载作用次数；
C1——轴组系数，前后轴间距大于3m时分别按单个轴计算，当轴间距小于3m时，双联轴取2.1，三联轴取3.2；
C2——轮组系数，双轮组取1，单轮组取4.5；
Pi——加载货车第i个轴的轴重，单位为kN；
4)在足尺路面所处的露天自然环境中设置气象站或温度传感器，对大气温度进行连续观测，观测频率为每5-15分钟观测1次；
5)在足尺路面上利用试验加载装置开展长期加载试验；
6)每完成1-120万当量设计轴载累计作用次数时，采用落锤式弯沉仪对足尺路面的结构弯沉进行1次检测，沿行车方向每隔10m作为一个弯沉监测点，每次检测时每个弯沉监测点开展50kN落锤荷载下的弯沉检测得到弯沉盆面积；
7)收集步骤6)中每完成1-120万当量设计轴载累计作用次数时，通过气象站或温度传感器观测的所有大气温度数据，求这些数据的平均值作为大气温度的代表值；
8)当完成符合沥青路面全寿命周期要求的当量设计轴载累计作用次数时，暂时停止加载；
9)汇总整理足尺路面在全寿命周期加载试验过程中，落锤荷载下的全部结构弯沉检测数据、当量设计轴载累计作用次数和大气温度代表值；
10)采用下述方法将步骤9)中的弯沉检测数据，修正为基准温度下的弯沉数据；
①.采用式(2)回归分析步骤9)中的大气温度代表值与弯沉数据之间的相关关系；
l＝a·ebT(2)式中：l——结构弯沉，单位为0.01mm；
T——大气温度代表值，单位为℃；
a、b——回归参数；
②.选择基准温度T0，采用公式(2)计算基准温度时的FWD弯沉计算值lT0；
③.计算步骤9)中的各弯沉实测值li与基准温度下弯沉计算值lT0之间的比值Ki；
④.回归分析Ki与历次FWD检测的大气温度代表值之间的相关关系，得到公式(5)；
式中a1、b1——回归参数；
⑤.将式(4)代入式(5)中，即得到弯沉的温度修正公式，按此将步骤9)中的弯沉检测数据，修正为基准温度下的弯沉数据；
11)按照式(6)和式(7)分别建立步骤10)中经过温度修正后的弯沉数据与当量设计轴载累计作用次数之间的相关关系，通过拟合确定回归系数；
式中：y——经过荷载与温度修正后的弯沉盆面积，单位为mm2；
x——当量设计轴载累计作用次数；
k1、k2、k3、k4——回归系数；
13)按照式(8)求式(6)和式(7)的交点，即为弯沉演化转换点，
该转换点后的弯沉损伤进入加速发展阶段，可作为沥青路面即将采取养护维修决策的时间。
2.根据权利要求1所述的确定方法，所述步骤6)的每完成60-120万当量设计轴载累计作用次数时，采用落锤式弯沉仪对足尺路面的结构弯沉进行1次检测。
3.根据权利要求1所述的确定方法，所述试验加载装置为采用四轴、五轴或六轴拖挂车。
4.根据权利要求1所述的确定方法，所述试验加载装置通过在货车车斗内增加配重块的方式提高货车轴载至设计轴载的1.5-2倍。
5.根据权利要求1所述的确定方法，所述步骤6)的检测，开展3次以上的平行试验，取弯沉盆面积平均值作为该点的结构弯沉。
6.根据权利要求1所述的确定方法，所述足尺路面宽为9m，从左至右采用标线分别划分为：宽1m的左路肩、宽3.75m的超车道、宽3.75m的行车道、宽1m的右路肩，行车道作为试验加载车道，超车道作为试验对比车道；足尺路面长度为60m。
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