一种基于沥青面层剪切疲劳等效破坏的轴载换算方法与流程

本发明涉及一种沥青路面结构设计中的轴载换算方法，特别涉及一种基于沥青面层剪切疲劳等效破坏的轴载换算方法。
背景技术：
：随着道路交通量和交通渠化的增大，沥青路面的车辙、推移、裂缝等病害尤为突出，这很大程度上是由于沥青路面抗剪强度或者剪切疲劳性能不足所引起的。车辆荷载作用下的剪切破坏及剪切疲劳破坏是诱发路面车辙病害的重要因素之一；同时，当前沥青面层的道路位于轮迹带上的纵向裂缝，并非拉应力破坏的，而是轴载尤其是重载强大的剪应力和剪切疲劳破坏造成的。轴载换算是沥青路面结构结构设计的基本依据，但现行沥青路面设计规范(jtgd50-2017)的轴载换算方法是基于弯沉、沥青面层层底拉应力(应变)和半刚性材料层的拉应力等效疲劳破坏的换算方法，并未考虑沥青面层剪切破坏的因素。此外，目前国内、外在剪切疲劳等效破坏的轴载换算方法上主要有以下两种：方法1：旧水泥路混凝土面加铺沥青路面时，通过室内直道试验数据回归得到沥青混凝土加铺层的抗剪切疲劳方程，以接缝处沥青加铺层路表弯沉差δ为指标，以剪切损伤等效为原则，得出换算轴载换算公式为式中δi为第i级荷载作用下沥青加铺层路表弯沉差，δ100为标准轴载100kn作用下加铺层路表弯沉差，ni为第i级荷载的作用次数，n′i为其换算为标准轴载的次数，m为轴载换算指数。方法2：基于层间剪切疲劳等效的沥青路面轴载换算，通过选取沥青路面结构形式，采用bisar软件计算得出路面结构层间剪应力，回归分析了荷载换算指数，并结合层间剪切疲劳方程，计算得出基于层间剪切疲劳等效的沥青路面轴载换算指数。但以上方法存在如下缺陷：方法1：是针对旧水泥路混凝土面加铺沥青路面的结构形式，对一般沥青路面结构的轴载换算方法并不适用，且用路表弯沉差为换算依据、室内直道试验得出的剪切疲劳方程并不适用于一般的路面结构形式。方法2：轴载换算方法、疲劳方程采用的是双剪试验测定在纯剪状态下层间结合的抗疲劳能力，适用于评价结构层层间剪切疲劳，并不适用于评价沥青混合料层材料的剪切疲劳。技术实现要素：为了解决现有技术存在的上述缺陷，本发明提出一种在路面结构设计过程中考虑基于剪切疲劳等效破坏的轴载换算方法，通过该方法可以准确评价不同轴载对沥青路面结构中沥青面层剪切疲劳的影响，保证路面结构在设计的交通荷载内沥青面层不产生剪切疲劳破坏。用于解决技术问题的方案具体地，为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种基于沥青面层剪切疲劳等效破坏的轴载换算方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)确定沥青路面结构的结构组合、各结构层厚度和各结构层材料力学参数，确定需要换算的轴载p1和标准轴载p及轴载计算参数；(2)确定轴载p1和标准轴载p作用下沥青路面结构的沥青面层内的最大剪应力τ1和τ0以及最大剪应力所在的结构层；(3)建立最大剪应力所在结构层材料的双对数剪切疲劳方程：lgn＝a+b·lgτ，式中，n为疲劳寿命，a、b为单轴贯入疲劳试验确定的常系数，τ为单轴贯入疲劳试验中试件内的最大剪应力；(4)根据等效破坏原则，确定轴载p1在路面作用一次换算成标准轴载p的当量轴次n。进一步地，所述步骤(1)中的各结构层材料力学参数包括回弹模量e和泊松比μ，轴载计算参数包括接地压力p、单轮接地当量圆直径δ、两轮中心距2δ+s。进一步地，所述步骤(2)包括：应用力学计算软件计算沥青面层内的最大剪应力τ1和τ0和最大剪应力所在的结构层。进一步地，在所述步骤(2)中，力学计算软件为壳牌沥青路面设计软件bisar3.0。进一步地，所述步骤(3)包括：(3-1)通过不同荷载压力s下的单轴贯入疲劳试验，得到沥青混合料在不同剪应力水平时的剪切疲劳变形曲线；(3-2)将剪切疲劳变形曲线的稳定变形阶段和破坏阶段的拐点作为沥青混合料的剪切疲劳临界破坏点，与此对应的荷载作用次数即为该沥青混合料在此试验条件下剪切疲劳寿命；(3-3)将不同剪应力水平下的剪切疲劳寿命代入双对数坐标，通过线性拟合分析，得到剪应力大小与混合料疲劳寿命的双对数剪切疲劳方程。进一步地，在所述步骤(3-1)中，沥青混合料与最大剪应力所在的结构层的材料相同。进一步地，所述步骤(4)包括：(4-1)将最大剪应力τ1和τ0代入各自所在结构层材料的剪切疲劳方程，即：lgn1＝a1+b1·lgτ1和lgn0＝a0+b0·lgτ0，分别得到轴载p1、标准轴载p产生路面结构的剪切疲劳寿命n1和n0；(4-2)根据等效破坏原则：得到轴载p1在路面作用一次换算成标准轴载p的当量轴次有益效果：本发明的轴载换算方法可以换算不同轴载对路面结构中沥青面层剪切疲劳的损伤，填补目前在路面设计中没有以沥青面层剪切疲劳等效损伤为原则的轴载换算方法，可以用于计算以剪切疲劳为指标的当量设计轴载累计作用次数，作为沥青路面结构结构设计的基本依据，评估设计的路面结构是否可以承受的当量设计轴载累计作用次数。另外，本发明采用单轴贯入疲劳试验测试沥青混合料的剪切疲劳性能，能够较好的模拟路面实际的受力状态，且单轴贯入试验简单、操作简便、仪器推广空间大。附图说明包含在说明书中并且构成说明书的一部分的附图与说明书一起示出了本发明的示例性实施例，并且用于解释本发明所公开的方法。图1为轴载作用下沥青路面结构示意图。图2为沥青混合料剪切疲劳变形曲线。附图标记列表：p为接地压力；δ为单轮接地当量圆直径；s为轮间距；h1、h2、hn-1......为各结构层的厚度；er1、er2、ern-1......为各结构层的回弹模量；μr1、μr2、μrn-1......为各结构层的泊松比。具体实施方式为了更好地说明本发明，在下文的具体实施方式中给出了众多的具体细节。本领域技术人员应当理解，没有某些具体细节，本发明同样可以实施。对于本领域技术人员熟知的方法、手段未作详细描述，以便于凸显本发明的主旨。本发明的基于沥青面层剪切疲劳等效破坏的轴载换算方法包括下述步骤：(1)确定沥青路面结构的结构组合、各结构层厚度和各结构层材料力学参数，确定需要换算的轴载p1和标准轴载p及轴载计算参数。具体地，如图1所示，各结构层材料力学参数包括：回弹模量e和泊松比μ，轴载计算参数包括：接地压力p、单轮接地当量圆直径δ、两轮中心距2δ+s。(2)确定轴载p1和标准轴载p作用下路面结构沥青面层内的最大剪应力τ1和τ0以及最大剪应力所在的结构层。优选地，采用弹性层状体系理论，应用例如壳牌沥青路面设计软件bisar3.0的力学计算软件计算沥青面层内的最大剪应力和最大剪应力所在的结构层。(3)建立最大剪应力所在结构层材料的双对数剪切疲劳方程：lgn＝a+b·lgτ，式中，n为疲劳寿命，a、b为单轴贯入疲劳试验确定的常系数，τ为单轴贯入疲劳试验中试件内的最大剪应力。具体地，先通过不同荷载压力s下的单轴贯入疲劳试验，得到沥青混合料在不同剪应力水平时的剪切疲劳变形曲线(如图2所示)。其中，沥青混合料与最大剪应力所在的结构层的材料相同。将剪切疲劳变形曲线稳定变形阶段和破坏阶段的拐点作为沥青混合料的剪切疲劳临界破坏点，与此对应的荷载作用次数就是该沥青混合料在此试验条件下剪切疲劳寿命；然后将不同剪应力水平下的剪切疲劳寿命代入双对数坐标，通过线性拟合分析，得到剪应力大小与该沥青混合料疲劳寿命的双对数剪切疲劳方程。其中，单轴贯入疲劳试验过程为：首先根据沥青混合料公称最大粒径选择相应的试件尺寸和压头直径，并成型试件；对于公称粒径小于16mm的沥青混合料，试件尺寸为φ100mm×100mm的圆柱形试件，压头直径为28.5mm，对于公称粒径大于等于16mm的沥青混合料，试件尺寸为φ150mm×100mm的圆柱形试件，压头直径为42mm；加载试验前对试件进行保温处理，加载试验时，设定不同的荷载压力s，采用半正弦矢波动态加载，直至试件破坏；压头加载速度可为1mm/min(毫米/分钟)，加载频率为1hz(赫兹)，每加载0.1s(秒)，间歇0.9s(秒)。需要说明的是：在本领域中，为了准确地表征材料的剪切疲劳性能，通常(但不限于)采用双对数的方程来确定该材料的剪切疲劳方程。因此，本发明也采用对数方程lgn＝a+b·lgτ，建立最大剪应力所在结构层的剪切疲劳方程。此外，拟合可采用本领域公知的拟合软件进行，例如采用微软公司的microsoftexcel软件。(4)确定轴载p1在路面作用一次换算成标准轴载p的当量轴次n。将最大剪应力τ1和τ0代入各自所在结构层材料的剪切疲劳方程，即：lgn1＝a1+b1·lgτ1和lgn0＝a0+60·lgτ0，分别得到轴载p1、标准轴载p产生路面结构的剪切疲劳寿命n1和n0；根据等效破坏原则：轴载p1和标准轴载p的作用次数n1和n0所产生的剪切疲劳破坏被称作是等效的，则即轴载p1在路面作用一次换算成标准轴载p的当量轴次实施例：以某沥青路面结构为实施例，对本发明的技术方案进行进一步说明。(1)确定沥青路面结构的结构组合、各结构层厚度和各结构层材料力学参数如下表1所示，需要换算的轴载p1和标准轴载p及计算参数如下表2所示。需要说明的是：标准轴载p以及轴载计算参数(轮胎接地压力p、单轮接地当量圆半径δ以及两轮中心距2δ+s)取自《公路沥青路面设计规范》(jtgd50-2017)规定的设计轴载。轴载p1为需要被换算的轴载，可以是实际行车荷载的任意一种，本实施例中的轴载p1只是示例性说明；轴载计算参数(轮胎接地压力p、单轮接地当量圆半径δ以及两轮中心距2δ+s)可根据实际工况测量计算得到。各结构层材料力学参数(回弹模量和泊松比)可根据《公路沥青路面设计规范》(jtgd50-2006)确定。表1路面结构形式及材料力学参数取值注：sma-13为细粒式沥青玛蹄脂碎石混合料、ac20为中粒式沥青混凝土混合料、ac25为粗粒式沥青混凝土混合料。表2轴载及轴载计算参数(2)确定路面结构沥青面层内的最大剪应力和最大剪应力所在的结构层：应用壳牌沥青路面设计软件bisar3.0计算得到：在标准轴载p作用下沥青面层内的最大剪应力τ0＝0.233mpa，最大剪应力所在的结构层为中面层；在轴载p1作用下沥青面层内的最大剪应力τ1＝0.261mpa，最大剪应力所在的结构层均为中面层，即ac20沥青混合料。(3)建立最大剪应力所在结构层的剪切疲劳方程通过不同荷载压力s下的单轴贯入疲劳试验，得到ac20沥青混合料在不同剪应力水平τ时的剪切疲劳变形曲线，将稳定变形阶段和破坏阶段的拐点作为沥青混合料的剪切疲劳临界破坏点，与此对应的荷载作用次数就是该沥青混合料在此试验条件下剪切疲劳寿命。单轴贯入疲劳试验的试验过程为：成型ac20沥青混合料试件，试验前在60℃下保温6h，试验温度为60℃，荷载压力s分别为0.5mpa、0.7mpa、0.9mpa，采用半正弦矢波动态加载，加载0.1s(秒)，间歇0.9s(秒)，三级荷载对应的荷载峰值和峰谷分别为0.6mpa、0.1mpa；0.8mpa、0.1mpa；1.0mpa、0.1mpa，压头以1mm/min(毫米/分钟)的速度进行加载。荷载压力s与试件内最大剪应力τ的关系如下表3所示：表3不同荷载压力下试件内最大剪应力荷载压力s/mpa0.50.70.9最大剪应力τ/mpa0.1570.2200.282在三级荷载下分别进行三组平行试验，取三次试验的平均值作为ac20沥青混合料在此剪应力水平下的疲劳寿命，如下表4所示：表4不同剪应力水平下的疲劳寿命最大剪应力τ/mpa0.1570.2200.282疲劳寿命平均次数/次40068176979987将不同剪应力水平下的疲劳寿命代入双对数坐标，通过线性拟合分析，得到剪应力大小与混合料疲劳寿命的双对数剪切疲劳方程为：lgn＝2.69095-2.37508lgτ，相关系数r2＝0.99981。需要说明的是：相关系数r2是线性拟合后由excel软件自动获得的。该相关系数r2越高，表示线性拟合程度越高。本实施例中，相关系数为0.99981，表明线性拟合程度较好。(4)确定轴载p1在路面作用一次换算成标准轴载p的当量轴次：在本实施例中，由于轴载p1、标准轴载p产生的路面最大剪应力均在中面层(即剪切疲劳方程相同)中，因此，则a0＝a1＝2.69095、b0＝b1＝-2.37508。以上已经描述了本发明的实施方式，上述说明是示例性的，并非穷尽性的。在不偏离所说明的实施方式的范围和精神的情况下，对于本
技术领域：
的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释实施方式的方法或实际工程应用，或者使本
技术领域：
的其它普通技术人员能理解本发明披露的实施方式。当前第1页12