基于经验分析法的沥青路面车辙预估模型研究

基于经验分析法的沥青路面车辙预估模型研究

0车辙预充模型为了延迟半刚性基地反射裂缝到沥青路面的时间，减少沥青路面的裂缝，在沥青路面的结构设计中，沥青路的厚度有增加的趋势。一些沥青路的厚度达到30cm。随着沥青路面厚度的增加，沥青路面很容易出现车节疾病。在山西省的严重焦化区，沥青路面的厚度加剧了车节疾病。如何有效的预估车辙量,以便针对性设计既能延缓沥青面层反射裂缝,又能有效控制车辙病害的路面结构极其重要。为合理、正确预估车辙病害,本文进行了国内外车辙预估模型调研。车辙预估方法分为理论分析法、半理论半经验分析法以及经验分析法3类,典型的理论分析法有shell模型、Huschek模型、Verstvaeten模型,该类方法求解困难,与材料设计性能评价关联度差,难以实际应用;典型的半理论半经验方法有VESYS模型、JacobUzan模型以及东南大学李一鸣建立的模型,该类模型考虑了路面结构的整体效应,但应用的力学理论不尽合理,有些计算参数确定很不方便,有的模型车辙预估结果严重偏小。经验分析方法是一种以试验路或者野外道路大量调查资料为基础,结合室内试验并考虑路面实际情况,通过统计回归分析得到的车辙预估方法,同济大学曹林涛、李立寒等人提出的车辙预估模型就是一种典型的经验分析法预估模型,该模型预估结果得到了ALF试验路验证及修正,试验路路面结构为8cmAC-20沥青层+30cm水泥稳定碎石基层,但该模型修正缺乏丰富的路面材料和结构类型支撑,本文调研了山西省3种不同沥青路面结构、材料以及对应的现场车辙数据对曹林涛、李立寒等人提出的预估模型进行验证,增加了沥青路面结构、材料类型,并对预估模型涉及的影响参数进行敏感性分析。结果表明,该预估模型预估的沥青面层车辙总变形与实测值相差不大,可用作沥青路面车辙病害预估,可有效指导沥青路面结构、材料设计。1车辙量的预压电导率测试同济大学曹林涛、李立寒等人提出的经验法车辙预估模型如式(1)所示:式中:P、T、N、di分别为需预估车辙量的沥青路面层顶压应力、温度、累计轴载作用次数以及沥青面层厚度;P0、T0、N0、d0分别为室内车辙试验对应的标准试验条件,其中:P0为0.7MPa、T0为60℃、N0为2520次;R0为标准试验条件下的车辙深度;kH为试验室与现场加载间的车辙深度修正系数。2确认数据2.1车辙验证材料分别收集山西省3条典型高速公路沥青路面结构、材料与实测车辙数据作为验证材料。3条高速公路分别为离石～军渡、太原～长治、祁县～临汾高速公路,路面结构及材料见表1。2.2车辙试验件设计对山西省离军、太长、祁临高速公路进行车辙调查,并收集3条高速路面材料在室内成型车辙试件,标准条件下作车辙试验。验证路段现场实测车辙数据以及对应面层材料室内车辙试验数据如表2所示,表中Ri为现场实测车辙数据。2.3模型计算层结果为获得沥青路面面层的温度,从“中国国家气象资源数据库”中收集验证路段途径地区的30a的月平均气温,太长高速验证路段收集榆社县、离军高速验证路段选取离石市、祁临高速验证路段选取介休市30a的月平均气温用于预估模型计算,3条道路30a的月平均气温见表3。为获得沥青面层各层车辙预估值,必须知道沥青面层各亚层气温,本文沥青路面面层各亚层温度采用美国地沥青协会AI推荐的Witczak公式进行估算,如式(2)。温度计算点选取沥青面层各亚层的1/3厚度处的温度作为该亚层的代表温度。式中:MMAT为月平均气温;z为路表下的深度。计算得到沥青路面面层各亚层月平均气温如表4所示。2.4轴载功能时间调研收各验证路段交通量资料,统计得到各验证路段累计轴载作用次数见表5。2.5不同模量下的分压应力分布采用BISAR3软件计算沥青层每层的层顶应力,由于沥青混凝土为温感性材料,其模量随温度升高而降低,模量变化直接影响层顶压应力计算结果的准确性。为此,首先分析温度对沥青层层顶压应力的影响幅度。本文以离军高速路面结构为代表,采用ABAQUS有限元软件分析不同模量下各亚层层顶压应力的变化,该路面结构和沥青层材料模量如表6所示。将车轮荷载换算为矩形荷载,轮宽18.6cm,轮间距12.8cm。图1为20℃模量时ABAQUS计算得到的压应力云图。计算得到的不同模量下面层双轮中心不同深度处应力分布见图2。从图2可以看出:①随着深度的增加,压应力逐渐扩散减小。②路面温度由15℃变化至60℃,材料模量值产生较大的变化时,路表下相同深度处的压应力变化不大,且距离路表越近,差异越小。也就是说,在预估模型中,路面温度变化时,各亚层层顶压应力变化较小。因此,在应力分析时,为了简化计算,取20℃下模量作为代表模量,表7为个亚层层顶应力计算结果。取20℃下材料模量,采用BISAR3软件计算沥青层各层的层顶应力,计算结果见表7。3车辙期望预测与实测值对比将得到沥青层各亚层温度、累计轴载作用次数、各亚层层顶压应力以及各亚层层厚代入到公式(1)中进行车辙预估,为简化计算,将每年累积轴载作用次数平分到12个月,以每月累计轴载作用次数代入计算,再将逐月预测结果进行叠加,得到车辙预估值。车辙预估值与实测值对比结果见表8。从表中可看出,各亚层模型预估值与实测值存在一定的差异且规律不统一,但沥青路面面层总永久变形预估值与实测值较为接近,祁临高速公路偏差15.8%,离军高速公路偏差仅为9.0%,表明利用该模型来预估面层总体永久变形具有较高的精度。4车辙深度的确定通过式(1)分析路面温度、接触应力、轴载作用次数对永久变形车辙量的影响,如图3所示。其中参数范围分别为:温度2.8℃～27.9℃;接触压力0.35～0.84MPa;轴载作用次数461135～2651357次。由图可以看出:标准试验条件下的车辙深度R0为定值时,温度、接触压力和轴载作用次数对于永久变形R均有一定的影响,温度对于永久变形的影响最为显著。假设R0为1mm,在2.8℃附近,预估路面车辙约为0.0003mm,温度升至27.9℃永久变形增至0.133mm,增长约428倍。而在接触压力和轴载作用次数变化范围内,永久变形分别增长9.3倍和2.4倍,相比之下并不明显。5基于模型的法车辙估计结果本文调研了山西省3条典型沥青路面结构、材料以及对应的现场实测车辙数据,并在室内成型同种材料车辙试件得到室内车辙结果,对由同济大学曹林涛、李立寒等人提出的经验分析法车辙预估模型进行验证,得到如下结论:①车辙预估模型预估的面层各亚层车辙结果与实测值相差较大;沥青面层总预估值与实测值较为接近,祁临高速公路偏差15.8%,离军高速公路偏差仅为9.