专利名称：永久性路面设计方法
技术领域：
本发明涉及道路工程领域，具体提供一种永久性路面设计方法。
背景技术：
我国现行的高速公路路面结构以半刚性基层沥青路面为主，设计寿命为15年。以 设计交通荷载(当量轴载)条件下路面结构总体刚度(承载能力)以及沥青层和半刚性层 疲劳开裂损坏为设计指标。基于目前的设计理念，使用末期路面因结构性疲劳损坏而需要 重建。由于交通量不断增加，重载超载现象严重，现役路面常达不到设计年限就出现了早期 损坏，高速公路维修造成的污染和交通拥堵也日益突出。准确设计与预测路面使用寿命已 成为我国和国际上许多国家研究的热点问题，而重载条件下延长路面使用寿命已成为热点 中的难点。 目前国内外对重载作用下的路面设计方法研究的基础是建立在室内试验的基础 上的，对于实际重载交通条件下路面的力学响应研究甚少。传统的路面结构设计方法主要 用当量标准轴次和当量温度表征交通和环境对路面结构损伤的影响。用当量的方法，无法 真实反映路面实际的交通和环境条件，影响路面设计可靠度。在材料参数方面，传统设计 方法用静态模量表达材料的物理力学性质，静态模量无法反映车辆动荷载对路面作用的本 质，无法反映实际的力学响应状态。
发明内容
本发明的技术任务是针对上述现有技术的不足，提供一种永久性路面设计方法。 利用该方法设计的路面不易发生结构性损坏，可保持路面结构的长久持续使用。
本发明的永久性路面设计方法以沥青混合料极限拉应变为设计指标，以车辆轴载 谱、路面温度场、路面材料动态模量作为设计参数，用计算机仿真技术与弹性层状力学理论 计算模型相结合，得到接近真实状态的路面结构应变分布，从而可准确预估路面寿命和设 计长寿命的路面结构。基于消除路面结构性疲劳损坏的路面结构新理念，要求所设计的沥 青路面采用合理的路面结构组合和厚度，降低或消除沥青层底疲劳开裂。具体设计过程 为 永久性沥青路面是基于 a)确定沥青层底部极限应变标准 所述极限应变以低应变疲劳试验得到的应变水平为准，低应变疲劳试验加载次数 大于1000万次，在该加载次数下试件不破坏的最大应变为该沥青混合料的极限应变；
b)构建输入参数的统计模型 收集或实测道路所在地的交通、气候、材料参数资料，对车辆轴载、路面温度场、路
面厚度、材料模量参数进行统计分析，建立输入参数的概率分布函数模型， 其中，轴载和路面温度场为离散型分布，路面厚度和材料模量参数为连续正态分
布；
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c)计算沥青层底部弯拉应变分布 利用蒙特卡罗法计算机仿真技术对输入参数统计模型进行随机抽样，获得每一个 变量的样本值；将抽样参数值代入弹性层状力学理论模型计算沥青层底部拉应变；按照上 述步骤反复进行随机抽样和计算达到足够大的次数，即可得到沥青层底部的应变分布；
d)分析设计结果 将步骤c所得应变分布转化成从小到大的累积百分比排位，分析设计指标对应的 累计百分率是否大于设计可靠度， 如果设计指标对应的累计百分率大于设计可靠度，则设计完成，如果不是，改变沥
青层结构组合或提高材料性能重新进行设计，如此反复迭代，直到满足设计要求为止， 所述设计可靠度取值不小于90%。设计可靠度越大，预期设计结果越可靠。 申请人:在进行了大量试验后得出，步骤a中的沥青混合料的极限应变为 普通沥青混合料、大粒径沥青碎石混合料为70ii e ; 改性沥青细级配混合料为100 ii e 。 步骤b)中所述输入参数的概率分布函数模型为 轴载以轴载谱表示，指各种车辆不同轴重的概率分布； 路面温度场以温度频率表示，指以1年为周期路面不同温度的概率分布； 路面厚度模型以正态分布表示，指路面厚度变异的概率分布； 材料模量参数以正态分布表示，指材料模量变异的概率分布。 在材料模量参数中，沥青混合料和半刚性材料优选以10Hz频率的连续半正弦波 加载的动态抗压模量为参数；土基和粒料优选以0. 1秒加载、0. 9秒间歇的间歇半正弦波加 载得到的回弹模量作为参数。 为了满足应变分布仿真的精度要求，步骤c)中反复进行随机抽样计算的次数不 少于5000次。 本发明的永久性路面设计方法与现有技术相比具有以下突出的有益效果( — )该方法以沥青混合料的极限应变为指标，遵循材料不发生疲劳损坏的基本
原理，从而避免结构性的损坏，达到路面结构长久可持续使用的目标； ( 二 )利用计算机仿真技术对分析统计得出的输入参数模型进行随机抽样，克服 了现有技术中用当量方法无法真实反映路面实际的交通和环境条件的不足，保证了路面设 计的可靠度；(三)用材料的动态模量作为参数，可准确反映车辆动荷载作用下的路面力学响 应；(四)利用方法方法设计的永久性沥青路面理论上能够使用40年以上，可大量节 约资源，消除维修造成的交通压力。
附图1是本发明永久性路面设计方法的设计过程框图；
附图2是普通密级配沥青混合料AC-25疲劳试验劲度模量曲线；
附图3是轴载谱概率统计模型图；
附图4是路面温度场概率分布4
附图5是沥青层厚度概率模型； 附图6是沥青层动态模量概率模型； 附图7是三联轴轴载谱蒙特卡罗模拟结果； 附图8是应变分布蒙特卡罗模拟结果； 附图9是应变累计百分率图。
具体实施例方式
参照说明书附图以具体实施例对本发明的永久性路面设计方法作以下详细地说 明。
实施例 永久性路面设计过程如附图1所示
a)确定沥青层底部极限应变标准 试验方法标准的矩形梁三分点弯曲疲劳试验方法AASHTO T 321 (美国道路工作 协会沥青混合料三分点弯曲疲劳试验规程) 对设计沥青混合料进行不同应变水平的疲劳试验比较，当应变水平为70i！ e时， 加载超过1000万次，劲度模量曲线为一水平渐近线(如附图2所示)，说明在该应变水平 下，沥青混合料不发生疲劳损坏，因此确定极限应变为70ii e 。 在实际操作中，由于典型沥青混合料的疲劳极限已经经申请人进行大量试验验证 过，故按照以下情况确定疲劳应变标准。 普通沥青混合料、大粒径沥青碎石混合料的极限应变为70ii e ;
改性沥青细级配混合料的极限应变为lOOii e。
b)构建输入参数的统计模型 收集或实测道路所在地的交通、气候、材料参数资料，对车辆轴载、路面温度场、路
面厚度、材料模量参数进行统计分析，建立输入参数的概率分布函数模型。
其中， 轴载以轴载谱表示，指各种车辆不同轴重的概率分布(离散型分布)； 路面温度场以温度频率表示，指以1年为周期路面不同温度的概率分布(离散型
分布)； 路面厚度模型以正态分布表示，指路面厚度变异的概率分布(连续正态分布)；
材料模量参数以正态分布表示，指材料模量变异的概率分布(连续正态分布)。
在材料模量参数中，沥青混合料和半刚性材料以10Hz频率的连续半正弦波加载 的动态抗压模量为参数；土基和粒料优选以0. 1秒加载、0. 9秒间歇的间歇半正弦波加载得 到的回弹模量作为参数。 例如经调查和实测，滨大高速公路的轴载谱、路面温度场、路面厚度变异、沥青混 合料模量参数概率分布图或函数如附图3-6所示。 轴载谱概率统计模型如图3所示，图a、 b、 c分别对应单轴、双联轴及三联轴。
路面温度场概率分布如图4所示，为全年路表小时温度分布图。
沥青层厚度概率模型如图5所示。 沥青层动态模量概率模型如图6所示(4(TC， 10Hz加载))。
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c)计算沥青层底部弯拉应变分布 利用蒙特卡罗法计算机仿真技术对输入参数统计模型进行随机抽样，获得每一个 变量的样本值；将抽样参数值代入弹性层状力学理论模型计算沥青层底部拉应变；按照以 上方法反复进行抽样计算5000次以上，即可得到沥青层底部的应变分布；(蒙特卡罗法抽 样数量同计算成果的精度有关，抽样数量越大，误差越小，研究表明5000次蒙特卡罗循环 对大多数路面设计环节是足够的。) 输入参数中，三联轴轴载谱蒙特卡罗模拟的结果如图7所示，其它输入参数的蒙 特卡罗模拟结果与之相似。 经过10000次对参数进行抽样并代入弹性层状理论模型计算应变后的应变分布 仿真与实测应变的比较如附图8所示(计算应变后的应变分布仿真与实测应变分布满足方 差分析显著性水平为a = 0. 05的临界值的精度要求)。
d)分析设计结果 将步骤c所得应变分布转化成从小到大的累积百分比排位，分析设计指标对应的 累计百分率是否大于设计可靠度， 如果设计指标对应的累计百分率大于设计可靠度，则设计完成，如果不是，改变沥
青层结构组合或提高材料性能重新进行设计，如此反复迭代，直到满足设计要求为止， 设计可靠度取值不小于90%。设计可靠度越大，预期设计结果越可靠。 根据图8转化成累计百分比排位，如图9，可知极限应变对应的累计百分率为
99.9%大于设计可靠度90%，故设计的路面满足永久性路面结构力学响应及指标要求，设
计完成。
权利要求
永久性路面设计方法，其特征在于包括以下步骤a)确定沥青层底部极限应变标准所述极限应变以低应变疲劳试验得到的应变水平为准，低应变疲劳试验加载次数大于1000万次，在该加载次数下试件不破坏的最大应变为该沥青混合料的极限应变；b)构建输入参数的统计模型收集或实测道路所在地的交通、气候、材料参数资料，对车辆轴载、路面温度场、路面厚度、材料模量参数进行统计分析，建立输入参数的概率分布函数模型；c)计算沥青层底部弯拉应变分布利用蒙特卡罗法计算机仿真技术对输入参数统计模型进行随机抽样，获得每一个变量的样本值；将抽样参数值代入弹性层状力学理论模型计算沥青层底部拉应变；按照上述步骤反复进行随机抽样和计算达到足够大的次数，即可得到沥青层底部的应变分布；d)分析设计结果将步骤c所得应变分布转化成从小到大的累积百分比排位，分析设计指标对应的累计百分率是否大于设计可靠度，如果设计指标对应的累计百分率大于设计可靠度，则设计完成，如果不是，改变沥青层结构组合或提高材料性能重新进行设计，如此反复迭代，直到满足设计要求为止，所述设计可靠度取值不小于90％。
2. 根据权利要求l所述的永久性沥青路面设计方法，其特征在于，步骤a)中所述极限 应变标准为普通沥青混合料、大粒径沥青碎石混合料为70ii e ; 改性沥青细级配混合料为100 ii e 。
3. 根据权利要求l所述的永久性沥青路面设计方法，其特征在于，步骤b)中所述输入 参数的概率分布函数模型为轴载以轴载谱表示，指各种车辆不同轴载的概率分布； 路面温度场以温度频率表示，指以1年为周期路面不同温度的概率分布； 路面厚度模型以正态分布表示，指路面厚度变异的概率分布； 材料模量参数以正态分布表示，指材料模量变异的概率分布。
4. 根据权利要求3所述的永久性沥青路面设计方法，其特征在于，在材料模量参数中， 沥青混合料和半刚性材料以10Hz频率的连续半正弦波加载的动态抗压模量为参数；土基 和粒料以0. 1秒加载、0. 9秒间歇的间歇半正弦波加载得到的回弹模量作为参数。
5. 根据权利要求l所述的永久性沥青路面设计方法，其特征在于，步骤c)中反复进行 随机抽样计算的次数不少于5000次。
全文摘要
本发明公开了一种永久性路面设计方法，属于道路工程领域。该方法以沥青混合料极限拉应变为设计指标，以车辆轴载谱、路面温度场、路面材料动态模量作为设计参数，用计算机仿真技术与弹性层状力学理论计算模型相结合，得到接近真实状态的路面结构应变分布，从而可准确预估路面寿命和设计长寿命的路面结构。与现有设计方法相比，本发明解决了传统设计方法设计的路面结构需要周期性重建的重大技术难题，实现了路面结构设计耐久、经济、环保的目标，具有很好的推广应用价值。
文档编号E01C7/18GK101792992SQ200910229879
公开日2010年8月4日 申请日期2009年11月17日 优先权日2009年11月17日
发明者杨永顺, 王晓燕, 王林, 韦金城, 马士杰, 高雪池 申请人:山东省交通科学研究所