基于抗剪性能的車轍預估模型研究

車輛行駛是瀝青路面的主要疾病之一。根據相關研究，如果混合瀝青路面的瀝青路面強度不足，且車輪負荷的反復作用將不可避免地降低，瀝青路面的剪切變形將逐漸壓縮到兩側，導致側面變化?；诳辜粜阅艿能囖H預估模型,因包含瀝青混合料抗剪性能等影響車轍產生的主要因素,一方面可以較好地預估車轍變形量,為路面預防性養(yǎng)護提供依據;更重要的是可根據車轍預估指導路面結構設計和瀝青混合料抗剪設計,以控制車轍.1有限元法預測模型目前,國內外主要有3種車轍預估方法:經驗法、半經驗-半理論法、理論法.經驗法最具代表性的預估模型為20世紀80年代AWijeratne等建立的預估公式和Archilla等根據AASHTO試驗路面數據提出的車轍預估模型.經驗法預估模型基于試驗路數據的回歸分析,精度較高,但僅適用于試驗路的情況,也未考慮路面結構的整體效應,通用性差,適用范圍窄.半經驗-半理論法主要是根據彈性或粘彈性層狀體系理論計算路面應力和位移,進而通過試驗統(tǒng)計出車轍與路面結構、材料參數和荷載的經驗關系式,典型代表為JacobUzan提出的車轍預估模型和AASHTO2002設計指南中的車轍預估模型.半經驗-半理論法雖然考慮了路面結構,但有些參數確定困難.理論法主要包括彈性層狀體系法、粘彈性、粘彈塑性理論法和有限元法.彈性層狀體系法主要包括Barksdale和Romain于1972年提出的以分層總和法為特點的預估公式和SHELL法.SHELL法應用較廣泛,但以分層的平均壓應力和粘滯勁度為主要參數,不能準確反映車轍產生的原因.Sousa等通過試驗,建立了車轍深度與最大剪應變之間的關系式,可以考慮剪應力對車轍的影響,但該關系式采用的廣義Maxwell模型不能很好地描述瀝青混凝土材料變形,塑性元件也需要改進.隨著應用軟件的商業(yè)推廣,有限元法得到廣泛應用,典型代表是同濟大學的“四單元五參數”模型、東南大學的指數型車轍預估模型以及長安大學以彈性層狀體系理論和流變學模型為基礎的車轍預估模型.有限元法的主要難題是如何合理確定瀝青混凝土的材料參數.以下是以瀝青混合料抗剪性能為參數建立的車轍預估模型.Sousa等通過研究發(fā)現,預測車轍深度與室內恒高度重復剪切試驗結果具有較好的相關性,并提出了確定瀝青混凝土路面潛在車轍變形的方法:Rd=11γ,(1)式中:Rd為車轍深度;γ為路面臨界溫度下RSCH試驗觀測到的最大剪應變.Fwa等應用瀝青混凝土剪切變形的原理,采用C-φ模型回歸瀝青混合料車轍預估模型:Rd=C∑i=1nNaiLbitcpitdi,(2)Rd=C∑i=1nΝiaLibtpictid,(2)式中:C為輪跡分布影響系數;Li為實際受力與路面所能承受的最大抗力的比值;i為亞層層數;tpi為路面溫度;ti為輪載作用時間;Ni為輪載作用次數;a、b、c和d為根據試驗或觀測結果回歸分析得到的模型常數.孫立軍等基于車轍預估模型的概念,通過室內車轍試驗,分析了不同應力水平下車轍試驗數據,并結合單軸貫入抗剪試驗,通過回歸分析確定車轍預估模型(模型中的參數值見表1)為:Rd=∑i=1nΔRdi=∑i=1nαtβ1pi(0.58vNv)βθ(τi[τ]i)θ,(3)Rd=∑i=1nΔRdi=∑i=1nαtpiβ1(0.58vΝv)βθ(τi[τ]i)θ,(3)式中:Rd為瀝青層車轍,mm;tpi為瀝青路面溫度,℃;τi為瀝青路面在行車荷載作用下產生的最大剪應力,MPa;i為瀝青路面材料抗剪強度(采用單軸貫入試驗方法確定),MPa;Nv為速度為v的軸載作用次數;v為行車速度,km/h;α為綜合系數;β1為溫度系數;βθ為軸載系數;θ為抗剪系數.預估模型(1)～(3)均通過室內試驗建立,合理性尚需進一步驗證和深入研究,以應用于工程.選擇車轍預估模型(3)進行深入研究,主要原因:(1)類似于SHELL等預估方法,采用分層總和法;(2)包含剪應力和混合料抗剪強度,能反映車轍產生的機理;(3)瀝青混合料抗剪強度測試方法為單軸貫入試驗,易操作.鑒于環(huán)道試驗加載方式較接近于實際路面情況,先利用環(huán)道試驗數據建立車轍預估模型,并與車轍預估模型(3)進行比較,然后用江蘇省2條高速公路的相關數據對建立的預估模型進行標定.2使用環(huán)境實驗數據建立了基于單元的車輛預測模型2.1路面試驗參數環(huán)道試槽加載次數為50萬次,荷載為110kN(雙輪組單軸荷載),輪胎壓強0.7MPa,速度為40km/h.采用室內試驗系統(tǒng)控制溫度,路面溫度50～60℃之間.路面結構及實測抗剪強度見表2.2.2環(huán)道試驗路面車轍模型(1)采集原始數據.環(huán)道結構參數如前所述.環(huán)道試驗過程中,定期觀測路面車轍變形,環(huán)道各結構層頂面平均車轍變形見圖1.交通量為實測荷載作用次數.(2)劃分環(huán)道路面亞層,計算最大剪應力.瀝青面層每10mm劃分為一亞層,各亞層變形之和即為面層總變形.實測輪胎平均接地面積為3.61m2,平均接地壓力為0.762MPa.各結構層的彈性模量見表3.路面內剪應力均沿最大剪應力所在縱向軸線取值,每一亞層均取其中點的剪應力代表該亞層的平均受力.環(huán)道試驗中車輪正常運行時水平力很小,不予考慮.剪應力計算結果略.(3)確定溫度.根據實測溫度回歸分析,環(huán)道溫度場為(相關系數R2=0.9954):tp=0.0003H3-0.169H2-0.2206H+59.506,(4)式中:tp為路面溫度,℃;H為路面深度,mm.每一亞層均取其中點的溫度代表該亞層的平均溫度,可得路面不同亞層的平均溫度.(4)計算車轍變形,修正預估模型.按照以下數學模型,采用遺傳算法對數據進行回歸分析:∑(∑i=1nΔRdi?Rdmeasure)2→min|n→∞,(5)∑(∑i=1nΔRdi-Rdmeasure)2→min|n→∞,(5)∑(∑i=1nΔRdi?Rdmeasure)→0|n→∞,(6)∑(∑i=1nΔRdi-Rdmeasure)→0|n→∞,(6)式中:ΔRdi=αtβ1piNβθv(τi[τ]i)θ.ΔRdi=αtpiβ1Νvβθ(τi[τ]i)θ.根據經驗,令0<α<1、β1>0,βθ>0,θ<3.計算所得模型參數見表4.相關系數達到0.94,說明該模型能夠較精確地模擬環(huán)道路面車轍變形的變化規(guī)律,具有較高的精度.環(huán)道試驗路面車轍預估值和實測值的比較見圖2.從圖2同樣可見,環(huán)道試驗路面車轍預估值y和實測值x具有較好的相關性.比較表1和表4可見,2個預估模型的綜合系數有差別,其余參數則差別不大,表明該模型適用性較好.綜合系數不同,主要是因為相對于室內車轍試驗,環(huán)道試驗更接近路面實際情況;與環(huán)道試驗相比,車轍試驗中車輪間歇時間較短.3車轍預充模型的建立采用江蘇汾灌和沿江高速公路實測數據進一步標定和修正車轍預估模型.步驟如下:(1)根據調查結果,汾灌高速公路K20～K66行車道上標準軸載累計交通量為1075萬次,沿江高速K145～K175標準軸載累計交通量為650萬次,沿江高速K175～K195標準軸載累計交通量為902萬次.(2)計算最大剪應力路面結構計算采用三維有限元模型,各結構層的情況及彈性模量、泊松比見表5.輪胎接地壓強為0.7MPa.(3)確定溫度影響路面溫度的因素很多,主要有氣溫、太陽輻射、路面材料的導熱性、路面厚度和結構組成等.可利用回歸分析方法建立路面溫度場的預估模型,但需要大量實測數據與氣象資料.用于預估模型標定的高速公路缺乏氣象資料數據,因此采用SHRP等效溫度計算方法計算路面結構的車轍等效溫度.不同亞層的車轍等效溫度見表6.(4)抗剪強度測定為了測定選取斷面瀝青混合料的抗剪強度,在路面調查過程中鉆取路肩處瀝青混合料芯樣,由于硬路肩上交通量很小,可以認為其接近材料的原始狀態(tài).采用單軸貫入試驗方法測定現場路面鉆取芯樣的抗剪強度,試驗結果見表7.(5)預估值與實測值的比較標定過程中不考慮不同車型行車速度的差異,統(tǒng)一按設計速度60km/h考慮(偏于安全).將通過現場調查及計算的溫度、剪應力、抗剪強度、荷載作用次數等數據代入基于室內環(huán)道試驗數據建立的車轍預估模型,得到的不同斷面車轍預估結果見表7.由于室內試驗加載條件及環(huán)境因素都與實際路面有一定差距,根據室內數據回歸得到的車轍預估模型必須經過現場數據修正才能用于實際工程.從圖3可見,當現場修正系數取0.3613時,車轍預估值x與車轍實測值y吻合較好.4模型的比較分析采用室內環(huán)道試驗和高速公路現場實測數據建立和標定了基于抗剪性能的車轍預估模型,并與已有研究提出的基于抗