[发明专利]永久性路面设计方法

说明书

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；

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70με；

改性沥青细级配混合料为100με。

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：

(一)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；