專利名稱：永久性路面設計方法
技術領域：
本發明涉及道路工程領域，具體提供一種永久性路面設計方法。
背景技術：
我國現行的高速公路路面結構以半剛性基層瀝青路面為主，設計壽命為15年。以 設計交通荷載(當量軸載)條件下路面結構總體剛度(承載能力)以及瀝青層和半剛性層 疲勞開裂損壞為設計指標。基于目前的設計理念，使用末期路面因結構性疲勞損壞而需要 重建。由于交通量不斷增加，重載超載現象嚴重，現役路面常達不到設計年限就出現了早期 損壞，高速公路維修造成的污染和交通擁堵也日益突出。準確設計與預測路面使用壽命已 成為我國和國際上許多國家研究的熱點問題，而重載條件下延長路面使用壽命已成為熱點 中的難點。 目前國內外對重載作用下的路面設計方法研究的基礎是建立在室內試驗的基礎 上的，對于實際重載交通條件下路面的力學響應研究甚少。傳統的路面結構設計方法主要 用當量標準軸次和當量溫度表征交通和環境對路面結構損傷的影響。用當量的方法，無法 真實反映路面實際的交通和環境條件，影響路面設計可靠度。在材料參數方面，傳統設計 方法用靜態模量表達材料的物理力學性質，靜態模量無法反映車輛動荷載對路面作用的本 質，無法反映實際的力學響應狀態。
發明內容
本發明的技術任務是針對上述現有技術的不足，提供一種永久性路面設計方法。 利用該方法設計的路面不易發生結構性損壞，可保持路面結構的長久持續使用。
本發明的永久性路面設計方法以瀝青混合料極限拉應變為設計指標，以車輛軸載 譜、路面溫度場、路面材料動態模量作為設計參數，用計算機仿真技術與彈性層狀力學理論 計算模型相結合，得到接近真實狀態的路面結構應變分布，從而可準確預估路面壽命和設 計長壽命的路面結構。基于消除路面結構性疲勞損壞的路面結構新理念，要求所設計的瀝 青路面采用合理的路面結構組合和厚度，降低或消除瀝青層底疲勞開裂。具體設計過程 為 永久性瀝青路面是基于 a)確定瀝青層底部極限應變標準 所述極限應變以低應變疲勞試驗得到的應變水平為準，低應變疲勞試驗加載次數 大于1000萬次，在該加載次數下試件不破壞的最大應變為該瀝青混合料的極限應變；
b)構建輸入參數的統計模型 收集或實測道路所在地的交通、氣候、材料參數資料，對車輛軸載、路面溫度場、路
面厚度、材料模量參數進行統計分析，建立輸入參數的概率分布函數模型， 其中，軸載和路面溫度場為離散型分布，路面厚度和材料模量參數為連續正態分
布；
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c)計算瀝青層底部彎拉應變分布 利用蒙特卡羅法計算機仿真技術對輸入參數統計模型進行隨機抽樣，獲得每一個 變量的樣本值；將抽樣參數值代入彈性層狀力學理論模型計算瀝青層底部拉應變；按照上 述步驟反復進行隨機抽樣和計算達到足夠大的次數，即可得到瀝青層底部的應變分布；
d)分析設計結果 將步驟c所得應變分布轉化成從小到大的累積百分比排位，分析設計指標對應的 累計百分率是否大于設計可靠度， 如果設計指標對應的累計百分率大于設計可靠度，則設計完成，如果不是，改變瀝
青層結構組合或提高材料性能重新進行設計，如此反復迭代，直到滿足設計要求為止， 所述設計可靠度取值不小于90%。設計可靠度越大，預期設計結果越可靠。 申請人:在進行了大量試驗后得出，步驟a中的瀝青混合料的極限應變為 普通瀝青混合料、大粒徑瀝青碎石混合料為70ii e ; 改性瀝青細級配混合料為100 ii e 。 步驟b)中所述輸入參數的概率分布函數模型為 軸載以軸載譜表示，指各種車輛不同軸重的概率分布； 路面溫度場以溫度頻率表示，指以1年為周期路面不同溫度的概率分布； 路面厚度模型以正態分布表示，指路面厚度變異的概率分布； 材料模量參數以正態分布表示，指材料模量變異的概率分布。 在材料模量參數中，瀝青混合料和半剛性材料優選以10Hz頻率的連續半正弦波 加載的動態抗壓模量為參數；土基和粒料優選以0. 1秒加載、0. 9秒間歇的間歇半正弦波加 載得到的回彈模量作為參數。 為了滿足應變分布仿真的精度要求，步驟c)中反復進行隨機抽樣計算的次數不 少于5000次。 本發明的永久性路面設計方法與現有技術相比具有以下突出的有益效果( — )該方法以瀝青混合料的極限應變為指標，遵循材料不發生疲勞損壞的基本
原理，從而避免結構性的損壞，達到路面結構長久可持續使用的目標； ( 二 )利用計算機仿真技術對分析統計得出的輸入參數模型進行隨機抽樣，克服 了現有技術中用當量方法無法真實反映路面實際的交通和環境條件的不足，保證了路面設 計的可靠度；(三)用材料的動態模量作為參數，可準確反映車輛動荷載作用下的路面力學響 應；(四)利用方法方法設計的永久性瀝青路面理論上能夠使用40年以上，可大量節 約資源，消除維修造成的交通壓力。
附圖1是本發明永久性路面設計方法的設計過程框圖；
附圖2是普通密級配瀝青混合料AC-25疲勞試驗勁度模量曲線；
附圖3是軸載譜概率統計模型圖；
附圖4是路面溫度場概率分布4
附圖5是瀝青層厚度概率模型； 附圖6是瀝青層動態模量概率模型； 附圖7是三聯軸軸載譜蒙特卡羅模擬結果； 附圖8是應變分布蒙特卡羅模擬結果； 附圖9是應變累計百分率圖。
具體實施例方式
參照說明書附圖以具體實施例對本發明的永久性路面設計方法作以下詳細地說 明。
實施例 永久性路面設計過程如附圖1所示
a)確定瀝青層底部極限應變標準 試驗方法標準的矩形梁三分點彎曲疲勞試驗方法AASHTO T 321 (美國道路工作 協會瀝青混合料三分點彎曲疲勞試驗規程) 對設計瀝青混合料進行不同應變水平的疲勞試驗比較，當應變水平為70i！ e時， 加載超過1000萬次，勁度模量曲線為一水平漸近線(如附圖2所示)，說明在該應變水平 下，瀝青混合料不發生疲勞損壞，因此確定極限應變為70ii e 。 在實際操作中，由于典型瀝青混合料的疲勞極限已經經申請人進行大量試驗驗證 過，故按照以下情況確定疲勞應變標準。 普通瀝青混合料、大粒徑瀝青碎石混合料的極限應變為70ii e ;
改性瀝青細級配混合料的極限應變為lOOii e。
b)構建輸入參數的統計模型 收集或實測道路所在地的交通、氣候、材料參數資料，對車輛軸載、路面溫度場、路
面厚度、材料模量參數進行統計分析，建立輸入參數的概率分布函數模型。
其中， 軸載以軸載譜表示，指各種車輛不同軸重的概率分布(離散型分布)； 路面溫度場以溫度頻率表示，指以1年為周期路面不同溫度的概率分布(離散型
分布)； 路面厚度模型以正態分布表示，指路面厚度變異的概率分布(連續正態分布)；
材料模量參數以正態分布表示，指材料模量變異的概率分布(連續正態分布)。
在材料模量參數中，瀝青混合料和半剛性材料以10Hz頻率的連續半正弦波加載 的動態抗壓模量為參數；土基和粒料優選以0. 1秒加載、0. 9秒間歇的間歇半正弦波加載得 到的回彈模量作為參數。 例如經調查和實測，濱大高速公路的軸載譜、路面溫度場、路面厚度變異、瀝青混 合料模量參數概率分布圖或函數如附圖3-6所示。 軸載譜概率統計模型如圖3所示，圖a、 b、 c分別對應單軸、雙聯軸及三聯軸。
路面溫度場概率分布如圖4所示，為全年路表小時溫度分布圖。
瀝青層厚度概率模型如圖5所示。 瀝青層動態模量概率模型如圖6所示(4(TC， 10Hz加載))。
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c)計算瀝青層底部彎拉應變分布 利用蒙特卡羅法計算機仿真技術對輸入參數統計模型進行隨機抽樣，獲得每一個 變量的樣本值；將抽樣參數值代入彈性層狀力學理論模型計算瀝青層底部拉應變；按照以 上方法反復進行抽樣計算5000次以上，即可得到瀝青層底部的應變分布；(蒙特卡羅法抽 樣數量同計算成果的精度有關，抽樣數量越大，誤差越小，研究表明5000次蒙特卡羅循環 對大多數路面設計環節是足夠的。) 輸入參數中，三聯軸軸載譜蒙特卡羅模擬的結果如圖7所示，其它輸入參數的蒙 特卡羅模擬結果與之相似。 經過10000次對參數進行抽樣并代入彈性層狀理論模型計算應變后的應變分布 仿真與實測應變的比較如附圖8所示(計算應變后的應變分布仿真與實測應變分布滿足方 差分析顯著性水平為a = 0. 05的臨界值的精度要求)。
d)分析設計結果 將步驟c所得應變分布轉化成從小到大的累積百分比排位，分析設計指標對應的 累計百分率是否大于設計可靠度， 如果設計指標對應的累計百分率大于設計可靠度，則設計完成，如果不是，改變瀝
青層結構組合或提高材料性能重新進行設計，如此反復迭代，直到滿足設計要求為止， 設計可靠度取值不小于90%。設計可靠度越大，預期設計結果越可靠。 根據圖8轉化成累計百分比排位，如圖9，可知極限應變對應的累計百分率為
99.9%大于設計可靠度90%，故設計的路面滿足永久性路面結構力學響應及指標要求，設
計完成。
權利要求
永久性路面設計方法，其特征在于包括以下步驟a)確定瀝青層底部極限應變標準所述極限應變以低應變疲勞試驗得到的應變水平為準，低應變疲勞試驗加載次數大于1000萬次，在該加載次數下試件不破壞的最大應變為該瀝青混合料的極限應變；b)構建輸入參數的統計模型收集或實測道路所在地的交通、氣候、材料參數資料，對車輛軸載、路面溫度場、路面厚度、材料模量參數進行統計分析，建立輸入參數的概率分布函數模型；c)計算瀝青層底部彎拉應變分布利用蒙特卡羅法計算機仿真技術對輸入參數統計模型進行隨機抽樣，獲得每一個變量的樣本值；將抽樣參數值代入彈性層狀力學理論模型計算瀝青層底部拉應變；按照上述步驟反復進行隨機抽樣和計算達到足夠大的次數，即可得到瀝青層底部的應變分布；d)分析設計結果將步驟c所得應變分布轉化成從小到大的累積百分比排位，分析設計指標對應的累計百分率是否大于設計可靠度，如果設計指標對應的累計百分率大于設計可靠度，則設計完成，如果不是，改變瀝青層結構組合或提高材料性能重新進行設計，如此反復迭代，直到滿足設計要求為止，所述設計可靠度取值不小于90％。
2. 根據權利要求l所述的永久性瀝青路面設計方法，其特征在于，步驟a)中所述極限 應變標準為普通瀝青混合料、大粒徑瀝青碎石混合料為70ii e ; 改性瀝青細級配混合料為100 ii e 。
3. 根據權利要求l所述的永久性瀝青路面設計方法，其特征在于，步驟b)中所述輸入 參數的概率分布函數模型為軸載以軸載譜表示，指各種車輛不同軸載的概率分布； 路面溫度場以溫度頻率表示，指以1年為周期路面不同溫度的概率分布； 路面厚度模型以正態分布表示，指路面厚度變異的概率分布； 材料模量參數以正態分布表示，指材料模量變異的概率分布。
4. 根據權利要求3所述的永久性瀝青路面設計方法，其特征在于，在材料模量參數中， 瀝青混合料和半剛性材料以10Hz頻率的連續半正弦波加載的動態抗壓模量為參數；土基 和粒料以0. 1秒加載、0. 9秒間歇的間歇半正弦波加載得到的回彈模量作為參數。
5. 根據權利要求l所述的永久性瀝青路面設計方法，其特征在于，步驟c)中反復進行 隨機抽樣計算的次數不少于5000次。
全文摘要
本發明公開了一種永久性路面設計方法，屬于道路工程領域。該方法以瀝青混合料極限拉應變為設計指標，以車輛軸載譜、路面溫度場、路面材料動態模量作為設計參數，用計算機仿真技術與彈性層狀力學理論計算模型相結合，得到接近真實狀態的路面結構應變分布，從而可準確預估路面壽命和設計長壽命的路面結構。與現有設計方法相比，本發明解決了傳統設計方法設計的路面結構需要周期性重建的重大技術難題，實現了路面結構設計耐久、經濟、環保的目標，具有很好的推廣應用價值。
文檔編號E01C7/18GK101792992SQ200910229879
公開日2010年8月4日 申請日期2009年11月17日 優先權日2009年11月17日
發明者楊永順, 王曉燕, 王林, 韋金城, 馬士杰, 高雪池 申請人:山東省交通科學研究所