第三章 不同结构模型下路面响应的敏感性分析和AASHO路.doc

第三章 不同结构模型下路面响应的敏感性分析和AASHO路面评价方法的比较3.1引言这一章包括了粒料层的各向同性与各向异性的非线性模型方法计算路面弯沉，和AASHO路面测试的原位弯沉测试方法的比较。这个比较是基于弯沉测试的，而不是基于性能的评价，这样的话，不至于受到经验假设的影响，尤其是在性能预测上。沥青层是假设为线性的，各向同性的，而基层、底基层的模型则采用非线性-各向同性和非线性-各向异性的属性。这次分析，包括了一共246段不同层厚的路段。AASHO测试采用的荷载范围是600030000psi（单轴荷载）。各结构层的材料属性均通过Finn8试验来获得。3.2 AASHO道路测试3.2.1AASHO道路测试背景AASHO道路测试的地方，接近渥太华，伊利诺伊斯州，花费了超过两年的时间，目的是完善沥青和水泥路面的设计方法27，28。测试的设施包括编号从36的4个大的主环道和2个小环道。6个环道的任何一个交通车道上的所有的车辆都是相同的轴载组合。主环道所用的相同的材料列于表3.1。表3.1 AASHO道路测试主环道所用材料情况层位材料热伴沥青预先压碎的石灰石，粗糙天然硅酸砂，粗糙矿粉（石灰石的粉）贯入式沥青混凝土（85-100pen）基层压碎的石灰石，含白云石底基层砂砾稳定路基A-6这些环道承受交通荷载两年多。车辆每天35英里/时的速度在测试段落上跑18个小时，每跑一圈是40分钟，一周6天。1960年前6个月则是增加到一周7天。主环道总共包括468个路段。每个测试段落是12英尺宽，大多为100或160英尺长。每个环道包括的路段，有三种不同厚度的沥青混凝土面层，三种不同厚度的碎石基层，三种不同厚度的砂砾底基层。在第二环道的测试段落所用的轴载，一个车道是单轴2000lb，另一个车道是单轴6000lb。在第六环道则是，一个车道是单轴30000lb，另一个车道是一前一后双轴48000lb。表3.2总结了主要段落的轴载变化。表3.2 AASHO测试中所用的材料和荷载项目条款环道编号1 2 3 4 5 6 测试轴载 (Ib) 无交通 2,000 单 12,000单18,000单 22,400单 30,000单 6,000 单 24,000 双 32,000 双 40,000 双 48,000 双 析因测试路段48 44 60 60 60 60 特殊研究路段16 24 24 24 24 24 沥青混凝土铺面厚度 (in) 1,3,5 0,1,2,3 2,3,4 3,4,5 3,4,5 4,5,6 基层厚度 (in) 0,6 0,3,6 0,3,6 0,3,6 3,6,9 3,6,9 底基层厚度 (in) 0,8,16 0,4 0,4,8 4,8,12 4,8,12 8,12,16 3.2.2现场弯沉测试和材料属性3.2.2.1现场弯沉测试路表的弯沉测试对于柔性路面结构和刚性路面传荷性能的评价十分重要。路表弯沉是路面设计中涉及的很多参数共同作用的结果，比如交通（类型和量），路面结构截面，温度，水份湿气。因此，柔性路面的很多特性可以通过测试路面的荷载弯沉响应来判断。相比较解析法而言，利用弯沉的优点在于比较的过程中没有夹杂类似于性能预测这样的需要通过经验转换的东西。路表弯沉是用路表的垂直位移来测定的，这是施加荷载（静态或者动态）的结果。在AASHO测试中，路表弯沉是通过贝克曼梁，在车轮下，以很慢的速度（大约2英里/时）来测量的。贝克曼梁由一根水平梁以及作为支撑的3根支腿组成（图3.1）。与贝克曼梁配合使用的是满载的卡车-标准的是80KN（18000lb），单轴双轮，胎压在180550kPa（7080psi）。测量臂的顶端被置于卡车一侧双轮之间。当卡车很慢的移动，设备就可以记录路表的回弹弯沉。每次测试的弯沉包括四个测量值的平均数：轮迹内外侧各两个。图3.1 贝克曼梁示意图两系列的弯沉测量数据被AASHO道路测试采用。第一系列的是1958年秋季测试的弯沉，第二系列则是1959年春天的数据。秋季的数据被采用，因为那个时候环道刚刚完工并开放交通；春季的数据被采用，因为春季时基层和底基层存在大量的水气，很可能造成各种病害。表3.3显示了弯沉测量时候的荷载。表3.3 弯沉研究采用的荷载环道编号车道单轴荷载 (Kips)21-2631122124112,182125112, 22.42126112,302123.2.2.2 季节性材料特性由于路面的性能随着季节而变化，所以很有必要在不同的季节进行AASHO测试的分析29。Finn8研究了AASHO测试的材料性质，包括面层，基层，底基层和路基。季节性的材料属性的评价采用实验室的三轴试验。对应于基层和底基层材料的回弹模量是以常量应力为表征的，而路基材料则是变量。AASHO路面测试中，沥青混凝土的模量是在平均温度下进行的。基层材料的回弹模量是安装建设期的密度进行测试的，并且在考虑季节性变化时候采用了三种不同的含水量（4.2%，5.6%，1.5%）。路基材料的模量是在最佳含水量（3.8%）和饱和含水量（6.4%）下测量的。路基模量的确定是通过一个试验和误差分析实现的，用一个线弹性程序来计算面层模量，和实测弯沉对比，求最小误差下的模量。材料的模量列于表3.4。泊松比假定为常量，表3.5展示了各层的泊松比。表3.4 AASH路面测试材料的弹性模量季节材料模量沥青混凝土基层底基层路基psi (kPa)psi (kPa)psi (kPa)psi (kPa)春季0.71106 (4.9106)32000.6 (69000.6 )46000.6 (100000.6 )8000d 1.06 (427000 1.06d )秋季0.45106 (3.1106)40000.6 (87000.6 )54000.6 (117000.6 )27000d 1.06 (1440000d 1.06 )夏季0.23106 (1.6106)36000.6 (78000.6 )50000.6 (108000.6 )18000 d 1.06(96