專利名稱：半剛性基層瀝青路面控制疲勞設(shè)計(jì)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及道路工程領(lǐng)域，具體提供一種半剛性基層浙青路面控制疲勞設(shè)計(jì)方法。
背景技術(shù)：
半剛性基層浙青路面是我國高等級公路主要路面結(jié)構(gòu)形式。隨著交通量和車輛軸載的不斷增加，半剛性基層浙青路面疲勞破壞問題日益嚴(yán)重。如何有效控制路面結(jié)構(gòu)疲勞損傷，成為半剛性基層浙青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)亟待解決的技術(shù)難題。半剛性材料層(水泥穩(wěn)定碎石、石灰-粉煤灰碎石等)在車輛荷載反復(fù)作用下其模量有不斷衰減的特性，由于沒有構(gòu)建與疲勞預(yù)估模型力學(xué)指標(biāo)相關(guān)的半剛性材料模量衰減模型，現(xiàn)行浙青路面設(shè)計(jì)方法無法考慮這種模量的衰減對浙青層疲勞損傷的影響(如我國以彎沉為指標(biāo)的設(shè)計(jì)方法)。而用一個(gè)不變的初始模量代替整個(gè)基層疲勞損傷過程的模量水平，無法反映路面結(jié)構(gòu)實(shí)際的受力和損傷狀態(tài)，這就大大降低了浙青路面設(shè)計(jì)的可靠性，導(dǎo)致設(shè)計(jì)過于保守或趨于風(fēng)險(xiǎn)，對路面結(jié)構(gòu)疲勞起不到有效的控制作用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的技術(shù)任務(wù)是針對上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種半剛性基層浙青路面疲勞控制設(shè)計(jì)方法。利用該方法設(shè)計(jì)的路面不易發(fā)生過早結(jié)構(gòu)疲勞損壞，可在設(shè)計(jì)期內(nèi)將疲勞開裂有效控制在容許的范圍內(nèi)。本發(fā)明的半剛性基層浙青路面疲勞控制設(shè)計(jì)方法，以浙青層累積疲勞損傷為設(shè)計(jì)指標(biāo)，將模量衰減模型與疲勞預(yù)估模型相結(jié)合，基層模量衰減過程納入浙青層的疲勞分析中，從而在設(shè)計(jì)期內(nèi)有效控制疲勞開裂水平，并且達(dá)到設(shè)計(jì)路面結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)耐久的目標(biāo)。該設(shè)計(jì)方法包括以下步驟:
1)確定半剛性基層材料彎拉模量衰減模型和疲勞預(yù)估模型
所述半剛性基層材料彎拉模量衰減模型指重復(fù)加載作用下材料彎拉模量由疲勞應(yīng)力水平和加載次數(shù)確定的函數(shù)關(guān)系式；
所述疲勞預(yù)估模型是指達(dá)到破壞時(shí)的循環(huán)加載次數(shù)由疲勞應(yīng)力水平確定的函數(shù)關(guān)系
式；
2)初擬路面結(jié)構(gòu)組合和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)
初擬路面各結(jié)構(gòu)層厚度和結(jié)構(gòu)層設(shè)計(jì)參數(shù)，所述設(shè)計(jì)參數(shù)包括各層材料初始彎拉模量、泊松比、半剛性基層材料彎拉強(qiáng)度和設(shè)計(jì)年限車道累計(jì)標(biāo)準(zhǔn)軸載作用次數(shù)；
3)計(jì)算引起半剛性基層疲勞開裂的累計(jì)標(biāo)準(zhǔn)軸載作用次數(shù)
根據(jù)步驟2)擬定的路面各結(jié)構(gòu)層厚度及相應(yīng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)，結(jié)合彈性層狀力學(xué)理論計(jì)算應(yīng)力水平，代入步驟I)確定的疲勞預(yù)估模型得到半剛性基層疲勞開裂累計(jì)標(biāo)準(zhǔn)軸載作用次數(shù)；
4)計(jì)算半剛性基層彎拉模量衰減過程 根據(jù)步驟3)確定的應(yīng)力水平及半剛性基層疲勞開裂累計(jì)標(biāo)準(zhǔn)軸載作用次數(shù)，代入步驟I)確定的彎拉模量衰減模型計(jì)算半剛性基層隨軸載作用次數(shù)增加彎拉模量的衰減過程;
當(dāng)累計(jì)標(biāo)準(zhǔn)軸載作用次數(shù)超過步驟3)所確定半剛性基層疲勞開裂累計(jì)標(biāo)準(zhǔn)軸載作用次數(shù)后，此時(shí)半剛性基層已經(jīng)疲勞開裂，彎拉模量取固定值，取值為初始模量的3 8% ；
5)計(jì)算浙青層累積疲勞損傷
將步驟4)所得半剛性基層彎拉模量，連同其他結(jié)構(gòu)層的模量參數(shù)，輸入彈性層狀力學(xué)理論模型計(jì)算浙青層底彎拉應(yīng)變，并通過浙青層疲勞預(yù)估模型和Miner損傷原理計(jì)算浙青層在設(shè)計(jì)累計(jì)標(biāo)準(zhǔn)軸載作用下的累積疲勞損傷；
6)判斷浙青層累積疲勞損傷是否小于設(shè)計(jì)控制標(biāo)準(zhǔn)
如果步驟5)所得浙青層累積疲勞損傷小于設(shè)計(jì)控制標(biāo)準(zhǔn)，則滿足疲勞控制設(shè)計(jì)要求，否則調(diào)整路面各結(jié)構(gòu)層厚度及相應(yīng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)，重新進(jìn)行計(jì)算，如此反復(fù)迭代，直到滿足設(shè)計(jì)要求為止。步驟I)中所述彎拉模量衰減模型和疲勞預(yù)估模型均優(yōu)選通過重復(fù)加載四點(diǎn)彎曲梁疲勞試驗(yàn)確定。所述模量衰減模型優(yōu)選用指數(shù)模型進(jìn)行回歸。步驟6)中所述浙青層疲勞累計(jì)損傷控制設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)優(yōu)選為0.1。本發(fā)明的半剛性基層浙青路面疲勞控制設(shè)計(jì)方法與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下突出的有益效果:
(一)該方法考慮模量衰減對浙青層疲勞損傷的影響，可避免結(jié)構(gòu)性的早期疲勞損壞，有效控制設(shè)計(jì)期內(nèi)路面疲勞破壞程度，達(dá)到路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)經(jīng)濟(jì)耐久的目標(biāo)，可大量節(jié)約資源，消除維修造成的交通壓力；
(二)彎拉模量衰減過程計(jì)算方法，克服了現(xiàn)有技術(shù)中用當(dāng)量方法無法真實(shí)反映路面結(jié)構(gòu)實(shí)際受力和損傷狀態(tài)的問題，保證了路面設(shè)計(jì)的可靠度；
(三)基于模量衰減的累積疲勞損傷分析方法，可預(yù)估設(shè)計(jì)期內(nèi)路面性能變化過程，并根據(jù)交通荷載情況隨時(shí)調(diào)整預(yù)估模型，可為路面運(yùn)營階段預(yù)防性養(yǎng)護(hù)提供決策依據(jù)，從而有效延長路面結(jié)構(gòu)使用壽命。


附圖1是本發(fā)明設(shè)計(jì)方法中半剛性基層浙青路面疲勞控制設(shè)計(jì)分析流程 附圖2是實(shí)施例的疲勞預(yù)估模型線性回歸 附圖3是實(shí)施例應(yīng)力比為0.73時(shí)的模量衰變曲線；
附圖4是實(shí)施例應(yīng)力比為0.65時(shí)的模量衰變曲線；
附圖5是實(shí)施例應(yīng)力比為0.57時(shí)的模量衰變曲線；
附圖6是實(shí)施例彎拉模量衰減率絕對值對數(shù)與應(yīng)力比關(guān)系 附圖7是實(shí)施例路面結(jié)構(gòu)組合示意 附圖8是實(shí)施例中石灰-粉煤灰碎石模量衰減曲線；
附圖9是實(shí)施例中浙青層累積疲勞損傷曲線。
具體實(shí)施例方式參照說明書附圖以具體實(shí)施例對本發(fā)明的半剛性基層浙青路面疲勞控制設(shè)計(jì)方法作以下詳細(xì)地說明。實(shí)施例(石灰-粉煤灰碎石基層)
如附圖1所示，按以下步驟進(jìn)行設(shè)計(jì)分析:
I)確定半剛性基層材料(石灰-粉煤灰碎石)彎拉模量衰減模型和疲勞預(yù)估模型試驗(yàn)方法:標(biāo)準(zhǔn)的矩形梁四點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)方法AASHTO T 321 (美國道路工作協(xié)會(huì)四點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)規(guī)程)。對設(shè)計(jì)石灰-粉煤灰碎石材料梁試件進(jìn)行不同應(yīng)力比條件的重復(fù)加載疲勞試驗(yàn)，試驗(yàn)過程中實(shí)時(shí)采集彎拉模量數(shù)據(jù)。根據(jù)不同應(yīng)力比對應(yīng)的疲勞加載作用次數(shù)，用指數(shù)函數(shù)模型回歸疲勞預(yù)估模型(取對數(shù)后進(jìn)行線性回歸)，如圖2所示，得到疲勞預(yù)估模型如下:
權(quán)利要求
1.剛性基層浙青路面控制疲勞設(shè)計(jì)方法，其特征在于包括以下步驟: 1)確定半剛性基層材料彎拉模量衰減模型和疲勞預(yù)估模型 所述半剛性基層材料彎拉模量衰減模型指重復(fù)加載作用下材料彎拉模量由疲勞應(yīng)力水平和加載次數(shù)確定的函數(shù)關(guān)系式； 所述疲勞預(yù)估模型是指達(dá)到破壞時(shí)的循環(huán)加載次數(shù)由疲勞應(yīng)力水平確定的函數(shù)關(guān)系式； 2)初擬路面結(jié)構(gòu)組合和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù) 初擬路面各結(jié)構(gòu)層厚度和結(jié)構(gòu)層設(shè)計(jì)參數(shù)，所述設(shè)計(jì)參數(shù)包括各層材料初始彎拉模量、泊松比、半剛性基層材料彎拉強(qiáng)度和設(shè)計(jì)年限車道累計(jì)標(biāo)準(zhǔn)軸載作用次數(shù)； 3)計(jì)算引起半剛性基層疲勞開裂的累計(jì)標(biāo)準(zhǔn)軸載作用次數(shù) 根據(jù)步驟2)擬定的路面各結(jié)構(gòu)層厚度及相應(yīng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)，結(jié)合彈性層狀力學(xué)理論計(jì)算應(yīng)力水平，代入步驟I)確定的疲勞預(yù)估模型得到半剛性基層疲勞開裂累計(jì)標(biāo)準(zhǔn)軸載作用次數(shù)； 4)計(jì)算半剛性基層彎拉模量衰減過程 根據(jù)步驟3)確定的應(yīng)力水平及半剛性基層疲勞開裂累計(jì)標(biāo)準(zhǔn)軸載作用次數(shù)，代入步驟I)確定的彎拉模量衰減模型計(jì)算半剛性基層隨軸載作用次數(shù)增加彎拉模量的衰減過程; 當(dāng)累計(jì)標(biāo)準(zhǔn)軸載作用次數(shù)超過步驟3)所確定半剛性基層疲勞開裂累計(jì)標(biāo)準(zhǔn)軸載作用次數(shù)后，此時(shí)半剛性基層已經(jīng)疲勞開裂，彎拉模量取固定值，取值為初始模量的3 8% ； 5)計(jì)算浙青層累積疲勞損傷 將步驟4)所得半剛性基層彎拉模量，連同其他結(jié)構(gòu)層的模量參數(shù)，輸入彈性層狀力學(xué)理論模型計(jì)算浙青層底彎拉應(yīng)變，并通過浙青層疲勞預(yù)估模型和Miner損傷原理計(jì)算浙青層在設(shè)計(jì)累計(jì)標(biāo)準(zhǔn)軸載作用下的累積疲勞損傷； 6)判斷浙青層累積疲勞損傷是否小于設(shè)計(jì)控制標(biāo)準(zhǔn) 如果步驟5)所得浙青層累積疲勞損傷小于設(shè)計(jì)控制標(biāo)準(zhǔn)，則滿足疲勞控制設(shè)計(jì)要求，否則調(diào)整路面各結(jié)構(gòu)層厚度及相應(yīng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)，重新進(jìn)行計(jì)算，如此反復(fù)迭代，直到滿足設(shè)計(jì)要求為止。
2.據(jù)權(quán)利要求1所述的半剛性基層浙青路面控制疲勞設(shè)計(jì)方法，其特征在于，步驟I)中所述彎拉模量衰減模型和疲勞預(yù)估模型均通過重復(fù)加載四點(diǎn)彎曲梁疲勞試驗(yàn)確定。
3.據(jù)權(quán)利要求2所述的半剛性基層浙青路面控制疲勞設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述模量衰減模型用指數(shù)模型進(jìn)行回歸。
4.據(jù)權(quán)利要求1所述的半剛性基層浙青路面控制疲勞設(shè)計(jì)方法，其特征在于，步驟6)中所述浙青層疲勞累積損傷控制設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為0.1。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種半剛性基層瀝青路面控制疲勞設(shè)計(jì)方法，屬于道路工程領(lǐng)域。該方法包括以下步驟一、試驗(yàn)確定半剛性基層材料彎拉模量衰減模型和疲勞預(yù)估模型；二、初擬路面結(jié)構(gòu)組合及相應(yīng)設(shè)計(jì)參數(shù)；三、計(jì)算引起疲勞開裂的累計(jì)標(biāo)準(zhǔn)軸載作用次數(shù)；四、計(jì)算彎拉模量衰減過程；五、計(jì)算瀝青層累積疲勞損傷；六、判斷瀝青層累積疲勞損傷是否小于設(shè)計(jì)控制標(biāo)準(zhǔn)。與現(xiàn)有技術(shù)相比，該方法以瀝青層累積疲勞損傷為設(shè)計(jì)指標(biāo)，將半剛性基層模量衰減模型與疲勞預(yù)估模型相結(jié)合，基層模量衰減過程納入瀝青層的疲勞損傷分析中，從而在設(shè)計(jì)期內(nèi)將瀝青層疲勞開裂有效控制在容許的范圍內(nèi)，解決了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法無法反映路面結(jié)構(gòu)實(shí)際受力和損傷狀態(tài)的技術(shù)難題，實(shí)現(xiàn)了疲勞開裂可控，達(dá)到了路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)耐久、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保的目標(biāo)。
文檔編號E01C7/18GK103088737SQ20131005249
公開日2013年5月8日 申請日期2013年2月18日 優(yōu)先權(quán)日2013年2月18日
發(fā)明者韋金城, 余四新, 王林, 韓文揚(yáng), 馬士杰, 付建村, 崔風(fēng)仁 申請人:山東省交通科學(xué)研究所