基于經(jīng)驗(yàn)分析法的瀝青路面車轍預(yù)估模型研究

0車轍預(yù)充模型為了延遲半剛性基地反射裂縫到瀝青路面的時(shí)間，減少瀝青路面的裂縫，在瀝青路面的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，瀝青路的厚度有增加的趨勢(shì)。一些瀝青路的厚度達(dá)到30cm。隨著瀝青路面厚度的增加，瀝青路面很容易出現(xiàn)車節(jié)疾病。在山西省的嚴(yán)重焦化區(qū)，瀝青路面的厚度加劇了車節(jié)疾病。如何有效的預(yù)估車轍量,以便針對(duì)性設(shè)計(jì)既能延緩瀝青面層反射裂縫,又能有效控制車轍病害的路面結(jié)構(gòu)極其重要。為合理、正確預(yù)估車轍病害,本文進(jìn)行了國(guó)內(nèi)外車轍預(yù)估模型調(diào)研。車轍預(yù)估方法分為理論分析法、半理論半經(jīng)驗(yàn)分析法以及經(jīng)驗(yàn)分析法3類,典型的理論分析法有shell模型、Huschek模型、Verstvaeten模型,該類方法求解困難,與材料設(shè)計(jì)性能評(píng)價(jià)關(guān)聯(lián)度差,難以實(shí)際應(yīng)用;典型的半理論半經(jīng)驗(yàn)方法有VESYS模型、JacobUzan模型以及東南大學(xué)李一鳴建立的模型,該類模型考慮了路面結(jié)構(gòu)的整體效應(yīng),但應(yīng)用的力學(xué)理論不盡合理,有些計(jì)算參數(shù)確定很不方便,有的模型車轍預(yù)估結(jié)果嚴(yán)重偏小。經(jīng)驗(yàn)分析方法是一種以試驗(yàn)路或者野外道路大量調(diào)查資料為基礎(chǔ),結(jié)合室內(nèi)試驗(yàn)并考慮路面實(shí)際情況,通過(guò)統(tǒng)計(jì)回歸分析得到的車轍預(yù)估方法,同濟(jì)大學(xué)曹林濤、李立寒等人提出的車轍預(yù)估模型就是一種典型的經(jīng)驗(yàn)分析法預(yù)估模型,該模型預(yù)估結(jié)果得到了ALF試驗(yàn)路驗(yàn)證及修正,試驗(yàn)路路面結(jié)構(gòu)為8cmAC-20瀝青層+30cm水泥穩(wěn)定碎石基層,但該模型修正缺乏豐富的路面材料和結(jié)構(gòu)類型支撐,本文調(diào)研了山西省3種不同瀝青路面結(jié)構(gòu)、材料以及對(duì)應(yīng)的現(xiàn)場(chǎng)車轍數(shù)據(jù)對(duì)曹林濤、李立寒等人提出的預(yù)估模型進(jìn)行驗(yàn)證,增加了瀝青路面結(jié)構(gòu)、材料類型,并對(duì)預(yù)估模型涉及的影響參數(shù)進(jìn)行敏感性分析。結(jié)果表明,該預(yù)估模型預(yù)估的瀝青面層車轍總變形與實(shí)測(cè)值相差不大,可用作瀝青路面車轍病害預(yù)估,可有效指導(dǎo)瀝青路面結(jié)構(gòu)、材料設(shè)計(jì)。1車轍量的預(yù)壓電導(dǎo)率測(cè)試同濟(jì)大學(xué)曹林濤、李立寒等人提出的經(jīng)驗(yàn)法車轍預(yù)估模型如式(1)所示:式中:P、T、N、di分別為需預(yù)估車轍量的瀝青路面層頂壓應(yīng)力、溫度、累計(jì)軸載作用次數(shù)以及瀝青面層厚度;P0、T0、N0、d0分別為室內(nèi)車轍試驗(yàn)對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)條件,其中:P0為0.7MPa、T0為60℃、N0為2520次;R0為標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)條件下的車轍深度;kH為試驗(yàn)室與現(xiàn)場(chǎng)加載間的車轍深度修正系數(shù)。2確認(rèn)數(shù)據(jù)2.1車轍驗(yàn)證材料分別收集山西省3條典型高速公路瀝青路面結(jié)構(gòu)、材料與實(shí)測(cè)車轍數(shù)據(jù)作為驗(yàn)證材料。3條高速公路分別為離石～軍渡、太原～長(zhǎng)治、祁縣～臨汾高速公路,路面結(jié)構(gòu)及材料見(jiàn)表1。2.2車轍試驗(yàn)件設(shè)計(jì)對(duì)山西省離軍、太長(zhǎng)、祁臨高速公路進(jìn)行車轍調(diào)查,并收集3條高速路面材料在室內(nèi)成型車轍試件,標(biāo)準(zhǔn)條件下作車轍試驗(yàn)。驗(yàn)證路段現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)車轍數(shù)據(jù)以及對(duì)應(yīng)面層材料室內(nèi)車轍試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示,表中Ri為現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)車轍數(shù)據(jù)。2.3模型計(jì)算層結(jié)果為獲得瀝青路面面層的溫度,從“中國(guó)國(guó)家氣象資源數(shù)據(jù)庫(kù)”中收集驗(yàn)證路段途徑地區(qū)的30a的月平均氣溫,太長(zhǎng)高速驗(yàn)證路段收集榆社縣、離軍高速驗(yàn)證路段選取離石市、祁臨高速驗(yàn)證路段選取介休市30a的月平均氣溫用于預(yù)估模型計(jì)算,3條道路30a的月平均氣溫見(jiàn)表3。為獲得瀝青面層各層車轍預(yù)估值,必須知道瀝青面層各亞層氣溫,本文瀝青路面面層各亞層溫度采用美國(guó)地瀝青協(xié)會(huì)AI推薦的Witczak公式進(jìn)行估算,如式(2)。溫度計(jì)算點(diǎn)選取瀝青面層各亞層的1/3厚度處的溫度作為該亞層的代表溫度。式中:MMAT為月平均氣溫;z為路表下的深度。計(jì)算得到瀝青路面面層各亞層月平均氣溫如表4所示。2.4軸載功能時(shí)間調(diào)研收各驗(yàn)證路段交通量資料,統(tǒng)計(jì)得到各驗(yàn)證路段累計(jì)軸載作用次數(shù)見(jiàn)表5。2.5不同模量下的分壓應(yīng)力分布采用BISAR3軟件計(jì)算瀝青層每層的層頂應(yīng)力,由于瀝青混凝土為溫感性材料,其模量隨溫度升高而降低,模量變化直接影響層頂壓應(yīng)力計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。為此,首先分析溫度對(duì)瀝青層層頂壓應(yīng)力的影響幅度。本文以離軍高速路面結(jié)構(gòu)為代表,采用ABAQUS有限元軟件分析不同模量下各亞層層頂壓應(yīng)力的變化,該路面結(jié)構(gòu)和瀝青層材料模量如表6所示。將車輪荷載換算為矩形荷載,輪寬18.6cm,輪間距12.8cm。圖1為20℃模量時(shí)ABAQUS計(jì)算得到的壓應(yīng)力云圖。計(jì)算得到的不同模量下面層雙輪中心不同深度處應(yīng)力分布見(jiàn)圖2。從圖2可以看出:①隨著深度的增加,壓應(yīng)力逐漸擴(kuò)散減小。②路面溫度由15℃變化至60℃,材料模量值產(chǎn)生較大的變化時(shí),路表下相同深度處的壓應(yīng)力變化不大,且距離路表越近,差異越小。也就是說(shuō),在預(yù)估模型中,路面溫度變化時(shí),各亞層層頂壓應(yīng)力變化較小。因此,在應(yīng)力分析時(shí),為了簡(jiǎn)化計(jì)算,取20℃下模量作為代表模量,表7為個(gè)亞層層頂應(yīng)力計(jì)算結(jié)果。取20℃下材料模量,采用BISAR3軟件計(jì)算瀝青層各層的層頂應(yīng)力,計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表7。3車轍期望預(yù)測(cè)與實(shí)測(cè)值對(duì)比將得到瀝青層各亞層溫度、累計(jì)軸載作用次數(shù)、各亞層層頂壓應(yīng)力以及各亞層層厚代入到公式(1)中進(jìn)行車轍預(yù)估,為簡(jiǎn)化計(jì)算,將每年累積軸載作用次數(shù)平分到12個(gè)月,以每月累計(jì)軸載作用次數(shù)代入計(jì)算,再將逐月預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行疊加,得到車轍預(yù)估值。車轍預(yù)估值與實(shí)測(cè)值對(duì)比結(jié)果見(jiàn)表8。從表中可看出,各亞層模型預(yù)估值與實(shí)測(cè)值存在一定的差異且規(guī)律不統(tǒng)一,但瀝青路面面層總永久變形預(yù)估值與實(shí)測(cè)值較為接近,祁臨高速公路偏差15.8%,離軍高速公路偏差僅為9.0%,表明利用該模型來(lái)預(yù)估面層總體永久變形具有較高的精度。4車轍深度的確定通過(guò)式(1)分析路面溫度、接觸應(yīng)力、軸載作用次數(shù)對(duì)永久變形車轍量的影響,如圖3所示。其中參數(shù)范圍分別為:溫度2.8℃～27.9℃;接觸壓力0.35～0.84MPa;軸載作用次數(shù)461135～2651357次。由圖可以看出:標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)條件下的車轍深度R0為定值時(shí),溫度、接觸壓力和軸載作用次數(shù)對(duì)于永久變形R均有一定的影響,溫度對(duì)于永久變形的影響最為顯著。假設(shè)R0為1mm,在2.8℃附近,預(yù)估路面車轍約為0.0003mm,溫度升至27.9℃永久變形增至0.133mm,增長(zhǎng)約428倍。而在接觸壓力和軸載作用次數(shù)變化范圍內(nèi),永久變形分別增長(zhǎng)9.3倍和2.4倍,相比之下并不明顯。5基于模型的法車轍估計(jì)結(jié)果本文調(diào)研了山西省3條典型瀝青路面結(jié)構(gòu)、材料以及對(duì)應(yīng)的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)車轍數(shù)據(jù),并在室內(nèi)成型同種材料車轍試件得到室內(nèi)車轍結(jié)果,對(duì)由同濟(jì)大學(xué)曹林濤、李立寒等人提出的經(jīng)驗(yàn)分析法車轍預(yù)估模型進(jìn)行驗(yàn)證,得到如下結(jié)論:①車轍預(yù)估模型預(yù)估的面層各亞層車轍結(jié)果與實(shí)測(cè)值相差較大;瀝青面層總預(yù)估值與實(shí)測(cè)值較為接近,祁臨高速公路偏差15.8%,離軍高速公路偏差僅為9.