多指标沥青路面结构设计.ppt
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1、,多指标沥青路面结构设计方法 研究成果介绍 2012.5,1.技术方案2.路面结构层组合方案和损坏类型3.使用性能标准、设计寿命和设计可靠度 4.交通荷载作用 5.环境因素影响 6.材料性质参数 7.路面结构使用性能8.各类路面结构使用性能分析9.结论、创新点、今后研究,1.技术方案,(1)遵循力学-经验法(2)多个单项设计指标控制对应的路面损坏(3)损坏模型建立以室内试验为主,现场试验和性 能观测数据标定(4)当量损伤法计量交通荷载的累积损伤(5)材料力学性质指标和试验方法(6)参数确定分三个层次(7)以弹性层状体系解分析力学响应,2.路面结构层组合方案和损坏类型,2.1 路面结构层 面层表
2、面功能为主 基层承载为主 底基层基层与路基间的过渡 特定功能层排水层、应力吸收层、夹层、封层、隔离层等 2.2 结构层材料 沥青结合料类 无机结合料类 无结合料类,2.3结构层组合方案 无机结合料类基层沥青路面 沥青结合料类基层沥青路面 无结合料(粒料)类基层沥青路面 复合式沥青路面,无机结合料类基层沥青路面组合方案,沥青结合料类基层沥青路面组合方案,粒料类基层沥青路面组合方案,复合式沥青路面结构层组合方案,2.4 损坏类型 沥青结合料类结构层的疲劳开裂 无机结合料类结构层的疲劳开裂 沥青面层的永久变形 粒料层和路基的永久变形 沥青面层的低温缩裂 沥青层的反射裂缝,损坏类型,3.使用性能标准、
3、设计寿命和设计可靠度,3.1 使用性能标准沥青层疲劳 轮迹带开裂率10%(试验路)裂缝密度1.0m/m2(加速加载试验)无机结合料层疲劳 试件断裂、裂缝向层顶扩展,路表永久变形(车辙)量:1025mm 高速和一级公路:1015mm 二级公路:1520mm 三级和四级公路:2025mm 永久变形量各层比例(非无机结合料类基层),低温缩裂,设计标准,分级,3.2 设计寿命和设计分析期设计年限 现行规范规定 不反映交通荷载繁重程度,实际使用年限偏离设计年限 不明确损坏类型及结构层次 未结合设计思想设计寿命 设计轴载累计轴次 年平均日货车交通量,设计分析期是对各路面结构设计方案分析评价采用的时间段。设
4、计分析期应至少包含一次或一次以上的路面改建活动。设计寿命为10年及以上的路面,分析期一般取为3040年,长寿命路面的分析期可取为50年。,设计分析期,3.3 设计可靠度,概念 设计使用性能满足预定使用性能标准的概率 各类损坏的设计可靠度=损坏预估的均值+s,结构损坏设计可靠度 沥青层疲劳开裂、无机结合料层疲劳开裂、路基永久变形,3.4 路面结构使用性能评定,4.交通荷载作用,0.50.6,4.1 交通参数,方向系数,车道分布系数(货车交通),横向分布系数,4.2 轴重参数,车辆分类,公路货车交通分类(TTC),轴数系数,4.3 设计轴重 规范轴重 现行规范:单轴-双轮 100kN单轴 修改方案
5、:,(1)路上行驶的主要重型车的轴重作为设计轴重;(2)按行驶车辆的轴型和轴载谱,计算分析与其疲劳损伤当量的轴重作为设计轴重;等等。,轴重当量换算,式中:i、s轴载Pi和设计轴载Ps所产生的应力或应变变量,如沥青层底 面拉应变、无机结合料结构层底面拉应力、路基顶面压应变等;b各类损坏预估模型中应力或应变变量项的乘幂数,对沥青层疲 劳,b=3.97,对水泥稳定碎石层疲劳,b=12,对路基顶面 压应变时,b=4.30等;a1轮组系数,与轮组类型和结构层厚度有关的参数;a2轴型系数,与轴型和结构层厚度有关的参数。,路基湿度指标 饱和度,采用稠度表征路基的湿度,无法反映非粘性土的湿度状态,单以含水率表
6、征湿度,也无法准确反映它对回弹模量的影响,因为含水率变化会同时引起土密实度发生变化,而后者也是影响回弹模量的一项主要因素。土的饱和度反映了含水率及密实度的影响。饱和度按下式确定:,或,式中:S饱和度(%);w v体积含水率(%);w质量含水率(%);s、w土的干密度和水的密度(g/cm3)Gs土的相对密度。,5.环境因素影响,5.1 路基湿度与基质吸力,或,土水特性曲线 非饱和土的基质吸力与含水率关系试验曲线(1)塑性指数PI大于0的塑性土 采用指标:0.075筛通过率P0.075和塑性指数PI乘积 wPI(2)塑性指数PI等零的非塑性土 采用指标:通过率60对应的土颗粒直径D60,土的基质吸
7、力 路基湿度决定于土吸持水分的能力,归之于土颗粒的分子引力作用和孔隙的毛细管力作用,即土的基质吸力。,5.2 路基湿度类型,平衡湿度状态,路基湿度类型 潮湿类:地下水位控制 干燥类:气候因素控制 中湿类:兼有二者影响,5.3 潮湿类路基 行车道下路基含水率沿深度变化(例:沪宁路),基质吸力与地下水位 路基土基质吸力hm与地下水位y之间关系,土-水特性曲线 Fredlund&Xing模型 粤、苏、豫、冀、渝12个路段土样标定,平衡湿度 由地下水位高度土的基质吸力 土-水特性曲线饱和度和含水率 各类土距地下水位不同距离处的平衡湿度(%),5.4 干燥类路基湿度指数(TMI)气候因素指标 式中:Ry
8、y年的水径流量(cm);DFyy年的水不足量(cm);PEyy年的潜在蒸散量(cm)。TMI计算以年为周期,逐月计算累加得到。各月降水量减去蒸散量为正时,多余水被土层存储。当蒸散量大于降水量时,缺少的水从土层储存水中提取出,其余量即为土层的含水率;当土层内储水量不能满足提取数量要求时,不满足部分即为不足量DF。,400个气象站降水量与蒸发量资料计算分析 各公路自然区划的TMI值,土基质吸力与湿度指数TMI关系粤、苏、豫、冀、渝12个路段土样和TMI值与Perera44个数据,标定曲线;川、渝疆12个路段验证,土基质吸力与湿度指数TMI关系式 式中:、模型回归系数,与土的性质有关。,TMI与土基
9、质吸力,干燥类路基的平衡湿度 由TMI值和土参数土的基质吸力 土-水特性曲线饱和度和含水率 各类土在不同TMI值时的平衡湿度(%),5.5 中湿类路基,6.环境因素影响6.1 沥青路面温度,路面温度观测站结构与数据信息,6.1.1 沥青路面温度场及温度特征值,温度场观测,温度观测站的路面结构与温度传感器埋设示意图,路面结构的日温度极值的理论-经验模型 路表日最高温度,路面温度特征值,路表日最高温度实测值与估算值,路表日最低温度,路表日最低温度实测值与估算值,路表温度日变化规律,路表温度日变化采用二阶段法拟合。白天升温过程及高温区段采用余弦函数,降温过程采用负指数函数表征。,路表温度日变化拟合示
10、意图,多云天气修正修正后的路表日最高温度,的计算式为:,多云天气修正系数可用日照率S来表达:,式中:S为日照率:,式中:tsun为实际日照时间,h;td为日长,h.,与路表温度日变化规律类似,不同深度处的路面温度日变化T(t,z)也可用二阶段模型拟合。但路面结构的日最低温度出现时刻tl、日最高温度出现时刻th,二阶段分界时刻tc均比路表温度的ts.l、ts.h、ts.c 延后,可近似表示为:,不同深度处的路面温度日变化规律,式中:t(z)为理论滞后时间。,路面温度日变化拟合图(宁波站,沥青路面,2009-7-17),晴天时沥青路面结构各深度处的实测温度与拟合曲线,沥青层平均温度和温度梯度分布频
11、谱,沥青面层厚度h,时刻 t 沿厚度方向的平均温度,沥青面层内的温度梯度,详细分析98个地区的沥青路表年均温与当地众多气象年均参数之间关系发现,沥青路表年均温Ts与月平均气温的年极差及一些气象参数之间具有良好地相关关系,在已知太阳辐射量情况下,路表年均温Ts与温度年标准差Ts可表示为:式中:Ta年均气温,C;Ta月平均气温的年极差,;年平均日太阳辐射量,kJ/m2/d.,依据一维热传导偏微分方程和路表热流函数,采用有限差分法求解沥青路面的温度场,建立沥青层表面日最高温度和日最低温度估算模型,用于估计沥青层不同深度的温度特征值。模型估算值与大同、宁波和广州三地温度观测站的实测值相对比,二者具有较
12、好的一致性,其偏差的平均值和标准差相应为0.4和3.3。对沥青层表面和不同深度的温度日变化规律进行了拟合。在此基础上,利用全国各地98个有日辐射观测资料的气象站的气象资料,计算各地不同厚度沥青层(6、12、18、24cm)的平均温度和温度梯度,并给出了全国95个地区相应的分布频谱表。,沥青路面温度分布频谱的计算步骤:(1)根据气温、太阳辐射、湿度、风速,求路表日最高温度Ts.h,路表日最低温度Ts.l(2)对多云天气的路表日最高温度进行修正;(3)求不同深度z处的路面日最高温度和日最低温度。(4)求任一时刻的路表温度,及任一时刻不同深度z处的路面温度;(5)求出给定沥青面层厚度(分四档00.0
13、6,00.12,00.18,00.24m)条件下,任一时刻的沥青层平均温度和温度梯度;(6)计算给定沥青面层厚度温度和温度梯度分布频谱表。,全国沥青路表温度年均值等值线图 C,沥青混合料模量具有强烈温度依赖性。沥青层的使用性能和使用寿命也与温度状况密切相关。现行规范统一采用20C(计算弯沉时)和15C(验算弯拉应力时)。在结构设计方法中,对于温度影响的考虑可采用增量损伤法,或当量损伤法。增量损伤法美国力学经验法路面设计指南采用,在其系统软件内包含全国近800个气象站的有关数据。当量损伤法需要选择典型状况和条件事先进行大量运算分析,提出相应的温度当量系数。该方法可减轻设计人员的资料收集和运算工作
14、,并与轴载当量系数的考虑方法相对应。,6.1.2 温度当量换算系数 温度当量系数,参照温度主要用作沥青混合料性质测试时的标准试验温度,或者在结构分析时用于选取与该温度相对应的沥青混合料性质参数值。对于我国情况,疲劳分析时可选用20C,永久变形分析时可选用35C。按照沥青路面结构设计指标,分别有相应当量损伤的温度当量系数。,TEFi=Ns/Ni,温度当量系数的定义,某时刻 i 温度 Ti 的设计轴载作用次数Ni,按损伤相当的原则转换成某参照温度Ts的设计轴载作用次数Ns的乘数,即为:,温度当量系数的具体分析步骤(以沥青结合料类结构层疲劳开裂指标为例):(1)分析时,假设轴载随时间为均匀分布。(2
15、)按所在地区和沥青层厚度,选取相应的沥青层平均温度和温度梯度分布频谱表。将沥青层分为若干个亚层。由频谱表确定各个频段每个亚层的温度。(3)利用沥青混合料动态模量与温度的经验关系式,由不同时段各亚层的温度值得到相应的动态模量值。然后应用弹性层状体系程序,依据动态模量值计算得到沥青层底面的拉应变值。再利用沥青层疲劳寿命预估模型,由层底拉应变和动态模量值计算得到各个频段的疲劳寿命Nti,并算出对应的疲劳损伤率Dti=1/Nti。(4)累计各个频段的疲劳损伤率得到平均损伤率Dt,并进而得到平均疲劳作用次数Nt=1/Dt。(5)计算沥青层平均温度(参照温度)20C时,相应的沥青混合料动态模量、层底拉应变
16、和疲劳寿命,得到参照温度下的总疲劳作用次数Nts。(6)二者相比,即得到温度当量系数kt=Nts/Nt。(7)按参照温度20C计算得到的疲劳寿命,乘以与设计路面所在地相应的温度当量系数,即可得到该地设计路面结构的疲劳寿命Nf。对于其它几项设计指标,也采用相似的分析步骤,只是将沥青层层底拉应变改为其他设计指标。,依据损伤等效原则,推演出三种情况下的沥青层等效温度计算式,并按全国95个地区的沥青层温度分布频谱提出相应的沥青层等效温度。后图为标准工作状态下沥青层疲劳、永久变形及无机结合料稳定层疲劳等效温度全国等值线图。,路面等效温度 沥青层疲劳等效温度 无机结合料稳定层疲劳等效温度 沥青层永久变形等
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- 指标 沥青路面 结构设计
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