基于力学‑经验法的路面最佳轴载周期确定方法与流程

本发明属于公路路面设计技术领域，特别是一种结果更准确、设计结果最优的基于力学-经验法的路面最佳轴载周期确定方法。

背景技术：

随着我国经济的快速发展，公路运输车辆日趋增多，超载超限现象普遍存在。我国大部分省份高速公路路面结构设计基本上都基于当地平均轴载水平进行预测，路面结构疲劳损害问题愈发严重，迫切需要路面设计方法和荷载分析方法的不断创新以推进路面结构可持续发展，以适应未来的技术需求。可持续性是未来路面结构的基础特征，其主要表现为基于全寿命周期的路面结构设计与养护，提高设计年限和路面结构使用寿命。

对于轴载特性的分布模型，在高速公路建设过程中积累了丰富的研究成果，其中典型的模型有概率密度函数、正态分布、对数正态分布以及多项式分布等，但是缺乏对模型有效性的检验和对模型的创新。《公路沥青路面设计规范》(jtgd50-2006)中针对轴载累计当量轴次的计算做出相应的规定，仍然存在不同轴载特性分布差异无法比较、标准轴载和累计当量轴次的关系缺乏联系的问题。

目前，轴载数据获取手段较为单一，主要以人工记录数据为主，数据获取成了道路设计的重点难点。对轴载谱的研究采用年作为设计周期，分析车道分布、时间分布、交通量月变化系数等作为沥青路面设计过程中的轴载依据，依据传统的分类方式，处理数据量小，不能充分表征道路实际交通状况。

现行的轴载设计常用aashto实验，根据路面使用性能进行轴载换算。但随着经济的发展，公路运输业发生了一系列巨大的变化。车辆的轴载大小、轴载类型、胎压以及轮组形式都与aashto试验的有了较大差别，其中大量中型货车的出现，使得路面破损极为严重，大大降低了路面使用性能，交通现状与原有aashto轴载换算公式产生了矛盾。

现行的沥青路面设计方法主要侧重于力学特征分析，对于实际交通和环境参数的考虑较少，导致理论与实际偏差较大。未充分考虑环境因素、经济因素对轴载分布的影响，控制指标单一，无法满足现代公路设计的需求。由于沥青路面在不同温度荷载作用下呈现不同的疲劳性能，因此，环境因素对轴载作用的影响不容忽视。

在沥青路面面层结构组合设计过程中，现行技术依托于国外使用经验，并不能完全符合国内沥青道路的运营情况。现行的规范大多建立在半刚性基层受压模型中，柔性基层上的沥青面层疲劳寿命远高于路面结构寿命，沥青面层不会出现疲劳开裂，将路表设计弯沉值作为唯一控制指标，使路面结构设计与实际情况不符。传统的路面结构设计中交通荷载用当量轴载作用次数表征。当量轴载作用次数依据对路面结构造成相同破坏为原则，将道路实际承受的混合交通量换算成标准轴载的作用次数。当量轴载作用次数无法表征不同荷载等级车辆对道路的轮胎接地面积和接地压强，实验仿真过程中带来的路面病害变化易被忽视。

总之，现有技术存在的问题是：路面最佳轴载周期确定不准确，导致高速公路路面设计结果不可靠。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种基于力学-经验法的路面最佳轴载周期确定方法，结果更准确，使高速公路路面设计结果最优。

实现本发明目的的技术解决方案为：

一种基于力学-经验法的路面最佳轴载周期确定方法，包括如下步骤：

(10)基础数据采集：确定采集数据所需的动态称重装置安装位置，采集基础数据，包括交通流量、车辆荷载、车轴分布，根据道路管理养护决策系统采集气候数据和病害及其养护数据；

(20)数据整理分析：对交通量、车辆荷载和车轴分布数据进行分类，分为荷载时空分布数据集和轴型时空分布数据集，根据分类结果，确定沥青路面设计轴载谱试验周期值；

(30)试验条件参数分析：分别对荷载时空分布数据集和轴型时空分布数据集进行聚类分析，得出车型分布、平均日交通量、与车型分类相对应的轴载时空分布和各等级荷载对应的交通量关系，根据气候数据，预测温度、湿度和日照条件数值，根据础数据中的病害数据，利用加权移动平均系数法预测设计年的病害数值；

(40)设计指标预测：利用力学-经验法路面设计工具，将所述不同试验周期下的车型分布、平均交通量、与车型分类相对应的轴载时空分布、各级荷载对应交通量关系和气候数据预测值作为输入实验条件，输出不同试验周期内的设计指标；

(50)最佳轴载周期获取：将设计年的病害数值与不同试验周期内的设计指标做对比，分析不同试验周期下的病害预测精度，选取预测精度最高时所对应的试验轴载周期，作为路面设计最佳轴载周期。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：

(1)本发明根据路面设计过程中所需数据，针对动态称重系统和道路管理养护决策系统数据，设计了交通量、荷载数据分类的模型，解决了数据收集和分类困难的问题。

(2)本发明提出根据动态称重系统实测轴载数据，确定最佳轴载周期的方法，解决了实际轴载与aashto实验中轴载换算的矛盾；

(3)本发明通过对动态称重系统中的交通量数据和道路管理养护决策系统中病害数据以及气候数据的分析，克服了影响因素分析单一的问题；

(4)本发明可以改进传统数据累计当量荷载中接触面积和压应力不均衡问题，并提出基于平整度和沥青面层开裂等路面病害的预测，通过病害预测与道路管理养护管理决策系统中病害数据对比，验证病害预测精度；

(5)本发明所提出的基于力学-经验法路面设计最佳轴载周期配置方案，实现了最佳的轴载谱设计周期，其对于不同环境下的路面设计可以调节路面接触面积等参数，在不改变计算量的状态下，提升该方法的可靠性，确保路面设计可靠性和安全性。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。

附图说明

图1是本发明基于力学-经验法路面设计最佳轴载周期配置方案流程图。

图2是本发明荷载-频率分布图。

图3是本发明交通量-时间分布直方图。

图4是本发明确定典型路面结构示意图。

图5是本发明确定某一轴载周期下病害预测误差直方图。

具体实施方式

如图1所示，本发明基于力学-经验法的路面最佳轴载周期确定方法，包括如下步骤：

(10)基础数据采集：确定采集数据所需的动态称重装置安装位置，采集基础数据，包括交通流量、车辆荷载、车轴分布，根据高速公路养护公司提供的道路管理养护决策系统采集气候数据和病害及其养护数据；

所述(10)基础数据采集步骤中所述基础数据是指动态称重系统和道路管理养护决策系统中连续3年的交通流量、车辆荷载、车轴分布、气候数据和病害及其养护数据。

采用这种基础数据采集方法，克服了现有技术数据采集困难，获取数据“单一”的问题。

(20)数据整理分析：对交通量、车辆荷载和车轴分布数据进行分类，分为荷载时空分布数据集和轴型时空分布数据集，根据分类结果，确定沥青路面设计轴载谱试验周期值；

所述(20)数据整理分析步骤中，所述试验周期值是根据季节、温度和实际交通量确定的一组实验值，根据试验周期值可分析试验周期内的气候数据特征。

数据整理和分析过程，增加了数据体量，并扩充了数据维度，对影响沥青路面使用性能的交通量、荷载数据分析详细，提出了轴载谱试验周期的概念，为确定最佳设计轴载周期奠定基础。

(30)试验条件参数分析：分别对荷载时空分布数据集和轴型时空分布数据集进行聚类分析，得出车型分布、平均日交通量、与车型分类相对应的轴载时空分布和各等级荷载对应的交通量关系，根据气候数据，预测温度、湿度和日照条件数值，根据础数据中的病害数据，利用加权移动平均系数法预测设计年的病害数值；

(40)设计指标预测：基于力学-经验法，预测不同试验周期设计指标；

所述(40)设计指标预测步骤中的不同试验周期内的设计指标包括疲劳开裂、纵向裂缝和平整度预测值。

所述(40)设计指标预测步骤具体为：

利用力学-经验法路面设计工具，将所述试验周期下的车型分布、平均交通量、与车型分类相对应的轴载时空分布、各级荷载对应交通量关系和气候数据预测值作为输入实验条件，输出不同试验周期设计指标。

所述力学-经验法路面设计工具包括力学经验法设计darwin-me软件和matlab数据分析软件。从路面疲劳开裂、纵向裂缝和平整度出发，以实测交通量、荷载分布和气候数据基础，通过力学-经验设计软件预测所述病害数据，建立了交通变量和环境变量与沥青路面之间的关系，为道路工程和交通工程之间的学科渗透起到了推动作用。(50)最佳轴载周期获取：将设计年的病害数值与不同试验周期设计指标对比，分析不同试验周期下的病害预测精度，选取预测精度最高时所对应的试验轴载周期，作为路面设计最佳轴载周期。

下面以具体的实施例进一步说明本发明。

步骤一，以某100km六车道高速公路路段计算分析，该段高速公路拟安装部署动态称重系统装置和高速公路病害检测设备，分别检测路段中的主要节点数据，选择采集齐全的数据作为路面设计指导数据，气候数据每1小时采集一次，全年记为365天，累计采集8760个点的气候数据。采用等深分箱法选取数据，实现数据的一致性，收集数据如图2、图3所示。

针对动态称重系统监测点布置较少的地区，选择基于聚类分析的大范围轴载谱建立方法，选取已有的监测点数据，分析交通流量数据和交通荷载分布数据，基于k-means算法将轴载数据定义为k簇，将选取的各个质心作为第k类轴载的聚类中心进行迭代，直到达到预先设定的收敛标准即停止迭代。对于不同地区选取不同级别和轴型进行聚类分析，不确定轴型的轴载可以有其余不同的轴载拟合得到，关系如下式1所示。

其中：ls(i)—表示第i级轴载分布；lk—第k类交通量聚类数；bk—第k类交通量聚类权重；a—校正系数。

步骤二，通过整合动态称重系统和感应特征数据对轴型进行分类；确定轴载谱聚类分析实验周期时长，绘制相应的轴载谱，荷载时间分布直方图如图3所示。将动态称重系统(wim)和管理养护决策系统(pms)数据分为5种特定类型数据。分别是年累计轴载谱(12个月)、每季度特征月份轴载谱(4个月)、每季度特征周轴载谱(4周)、年平均月轴载谱、连续48h轴载谱和道路养护决策系统各病害累计发生次数。

在气象系统中所收集的气候数据(气温、降雨量、风速、日照率、相对湿度等)。由于设计所需的气候数据过于庞大，而获得基本气象数据又较为困难，基于所得典型地区的气候数据，原始气象数据以3小时为基本时间段，采用线性内插的方式补齐所缺时段的气候数据，所得原始数据均为国际标准单位，因此需要转化为eicm气候文件所需的英制单位。

路面结构温度和湿度的变化是利用增强集成环境模型来预测，气候数据集成包括了：温度(华氏)以地表以上2m处，取每小时的峰值；风速(英里/小时：mph)地表以上10m处取平均值；降雨以检测点一小时内的累计降雨量为计；日照率(0为阴天，100为晴天)；相对湿度(空气中的绝对湿度与同温度下的饱和绝对湿度的比值)。

步骤三，根据二中所获取的轴载谱数据，确定力学-经验法路面性能预测的主要输入参数。力学-经验法在路面设计过程中所采用的参数包括各种轴载谱分析时所对应的平均日交通量、交通量变化系数、轴载分布系数等关键参数。

由pms系统导出的设计基年的道路养护和病害数据，确定路面结构设计年限内的累积病害，并正确预估使用期路面病害的发展趋势。采用指数平滑预测方法预测病害，得到设计年限的病害数量为：

nt＝n1(1+γ)^t+1，(式2)

其中，nt—设计年病害数量；n1—设计基年病害总数；γ—病害数量年增长率。

这种方法没有考虑中间年份病害数量的影响，所得病害总数误差较大。采用t年内的平均增长率，设计远景年的病害数量为：

其中设计年限应根据经济、交通量以及设计道路在公路网中的地位、地区建设和项目投资等因素综合确定。

步骤四，基于力学-经验法预测路面主要性能指标，包括疲劳开裂、纵向裂缝和平整度等。

路面结构的疲劳开裂预测基于miner破坏法则，即路面在重复荷载作用下，尽管荷载作用下路面结构的拉应力与剪应力都没有达到破坏的临界值，路面结构在重复荷载作用下也会产生疲劳损伤。

其中：d—破坏指数；t—设计周期；ni—i周期内轴载作用次数；ni—i周期内允许的最大轴载作用次数。

疲劳开裂预测模型基于ai模型(以应力常量模型)：

c＝10^m

其中：nf—疲劳寿命；εt—应变；e—动态模量；m—破裂模量；va—孔隙率；vb—有效结合料数量。

路面结构的破坏形式(车辙、横向裂缝、坑洞、网状裂缝、纵向裂缝等)都会对平整度有影响。平整度预测模型随基层类型不同而不同。典型路面如图4所示。

m-e响应模型中，根据设计周期季节性变化特征，每个季节分别输入相应的气候条件和荷载条件。对于设定各个轴载周期所对应的轴载谱，分别分析其作用下路面结构的损坏特性，将轴载谱分为梯度为10kn的负载组，进行40次响应计算。得出病害特性指标。

步骤五，通过对比性能指标的预测值，如误差分布直方图5所示，获取实验结果。由m-e力学响应模型预测的不同轴载周期的参考特性指标，分别与根据pms系统数据预测的指标作对比，可以得出各个不同轴载周期预测误差，从而选择最优的设计轴载谱周期。

路面结构的不同损坏类型在使用过程中有不同的衰变过程，因此路面使用性能具有多方面属性。根据路面性能的不同评价指标，制定相应的决策，合理有效的安排不同项目的维修养护顺序。路面结构性能为优时，只需要进行日常的清理；路面性能处于良时，需要简单的养护以保证路面维持良好的服务性能，避免路面使用性能进一步恶化；当路面性能为中时，需要大修来保证路面的服务水平；当路面结构使用性能为次或差时需要进大修或重建了。