多轴组荷载作用下全柔性沥青路面结构疲劳损伤预估方法

技术领域

本发明公开多轴组荷载作用下全柔性沥青路面结构疲劳损伤预估方法，属于路面损伤预测技术领域。

背景技术

随着国民经济和公路交通运输业的快速发展，高速重载成为了道路交通的发展趋势，重型车辆对路面的动荷载是造成路面早期破坏的一个主要原因，高速公路的静力法设计越来越难以满足要求。研究车辆荷载作用下路面的动力学行为，揭示路面的破坏机理，推动路面结构设计从静态向动态转化已成为目前道路界研究的热点问题之一。目前道路工作者在求解路面结构损伤时，由于理论分析和数值计算上的复杂性，一般将车辆荷载简化为当量标准轴载，这与实际交通荷载模式存在较大偏差，同时也未考虑实际车速、温度等环境的影响，造成路面结构疲劳损伤与实际严重不符，造成沥青路面结构设计和养护设计的不准确性，影响沥青路面结构的使用寿命。

发明内容

本发明的目的在于提供多轴组荷载作用下全柔性沥青路面结构疲劳损伤预估方法，以解决现有技术中，车辆荷载对路面结构的疲劳损伤影响难以确定的问题。

多轴组荷载作用下全柔性沥青路面结构疲劳损伤预估方法，包括：

S1.初拟路面结构组合，确定设计条件下的各层沥青混合料弯曲劲度模量Ed；

S2.基于S1的各层沥青混合料弯曲劲度模量，结合结构验算层位的材料多温度多应变水平下的疲劳性能试验，构建路面结构沥青混合料层的疲劳开裂寿命预估模型；

S3.利用现场动态称重系统获取路面交通荷载参数，确定分析期内设计车道的累计重车交通量和轴载作用次数；

S4.根据交通荷载参数，确定各轴组不同荷载水平的作用次数；

S5.利用路面力学计算软件计算确定不同轴组荷载水平作用下的沥青层层底弯拉应变；

S6.根据路面结构沥青混合料层的疲劳开裂寿命预估模型和不同轴组荷载水平作用下的沥青层层底弯拉应变，计算不同轴组荷载作用下路面结构疲劳破坏次数；

S7.构建沥青路面结构疲劳损伤模型，确定沥青路面结构在分析期内重车交通量下的累积疲劳损伤；

S8.基于S7得到的沥青路面结构的累积疲劳损伤，确定路面结构允许重车交通量。

S1的设计条件包括：设计温度、设计频率和现场服役空隙率。

通过路面结构温度测量装置获取工程所属区域典型沥青路面的实测温度场数据，利用最小二乘法原理得到路面不同深度处温度的计算模型，再确定拟定沥青路面目标结构层厚度的等效温度，将等效温度作为设计温度。

沥青混合料层疲劳开裂寿命预估模型由四点弯曲疲劳试验确定，对不同类型沥青混合料进行四点弯曲疲劳试验，根据不同试验温度和应变水平下沥青混合料的疲劳寿命结果，推导出基于不同类型沥青混合料的疲劳寿命预估模型：

获得沥青混合料层疲劳开裂寿命预估模型：

式中，N

S4中的轴组包括单轴单胎、单轴双胎、双联轴单胎、双联轴双胎、三联轴双胎和四联轴双胎。

利用路面力学计算软件计算确定不同轴组荷载水平作用下的沥青层层底拉应变包括：首先利用路面力学计算软件计算得到单轴单胎和单轴双胎下沥青层层底弯拉应变，然后根据下式确定交通荷载分布中所有轴组荷载的沥青层层底弯拉应变ε

对于单轴单胎：

对于单轴双胎：

计算不同轴组荷载作用下路面结构疲劳破坏次数N

式中，N

S7中，确定不同轴组、不同荷载水平作用下路面结构的疲劳损伤，各轴组不同荷载作用引起的路面结构疲劳损伤的总和即为路面结构在累计重车交通量的累积疲劳损伤，沥青路面结构疲劳损伤计算模型D为：

其中，d

相对比现有技术，本发明具有以下有益效果：结合多轴组荷载更好地对沥青路面结构的疲劳损伤进行预测，能够得到不同轴组在不同荷载下的路面结构疲劳破坏次数。

附图说明

图1是基准温度为20℃时的SMA-13、AC-20、AC-25、LSPM-25和AC-13F沥青混合料的弯曲劲度模量主曲线。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

多轴组荷载作用下全柔性沥青路面结构疲劳损伤预估方法，包括：

S1.初拟路面结构组合，确定设计条件下的各层沥青混合料弯曲劲度模量Ed；

S2.基于S1的各层沥青混合料弯曲劲度模量，结合结构验算层位的材料多温度多应变水平下的疲劳性能试验，构建路面结构沥青混合料层的疲劳开裂寿命预估模型；

S3.利用现场动态称重系统获取路面交通荷载参数，确定分析期内设计车道的累计重车交通量和轴载作用次数；

S4.根据交通荷载参数，确定各轴组不同荷载水平的作用次数；

S5.利用路面力学计算软件计算确定不同轴组荷载水平作用下的沥青层层底弯拉应变；

S6.根据路面结构沥青混合料层的疲劳开裂寿命预估模型和不同轴组荷载水平作用下的沥青层层底弯拉应变，计算不同轴组荷载作用下路面结构疲劳破坏次数；

S7.构建沥青路面结构疲劳损伤模型，确定沥青路面结构在分析期内重车交通量下的累积疲劳损伤；

S8.基于S7得到的沥青路面结构的累积疲劳损伤，确定路面结构允许重车交通量。

S1的设计条件包括：设计温度、设计频率和现场服役空隙率。

通过路面结构温度测量装置获取工程所属区域典型沥青路面的实测温度场数据，利用最小二乘法原理得到路面不同深度处温度的计算模型，再确定拟定沥青路面目标结构层厚度的等效温度，将等效温度作为设计温度。

沥青混合料层疲劳开裂寿命预估模型由四点弯曲疲劳试验确定，对不同类型沥青混合料进行四点弯曲疲劳试验，根据不同试验温度和应变水平下沥青混合料的疲劳寿命结果，推导出基于不同类型沥青混合料的疲劳寿命预估模型：

获得沥青混合料层疲劳开裂寿命预估模型：

式中，N

S4中的轴组包括单轴单胎、单轴双胎、双联轴单胎、双联轴双胎、三联轴双胎和四联轴双胎。

利用路面力学计算软件计算确定不同轴组荷载水平作用下的沥青层层底拉应变包括：首先利用路面力学计算软件计算得到单轴单胎和单轴双胎下沥青层层底弯拉应变，然后根据下式确定交通荷载分布中所有轴组荷载的沥青层层底弯拉应变ε

对于单轴单胎：

对于单轴双胎：

计算不同轴组荷载作用下路面结构疲劳破坏次数N

式中，N

S7中，确定不同轴组、不同荷载水平作用下路面结构的疲劳损伤，各轴组不同荷载作用引起的路面结构疲劳损伤的总和即为路面结构在累计重车交通量的累积疲劳损伤，沥青路面结构疲劳损伤计算模型D为：

其中，d

设计温度为：

T′＝α

式中，T′为现场实测温度(℃)，α

按下式确定沥青面层各结构层的等效温度作为设计温度：

式中，T

设计频率为：

其中，f

S1中，由沥青混合料四点弯曲疲劳试验确定，测试不同试验温度和加载频率下沥青混合料的弯曲劲度模量，根据时间-温度置换原理，建立沥青混合料弯曲劲度模量的主曲线，首先确定设计温度和重车设计速度下的弯曲劲度模量，调整沥青混合料室内试验空隙率(3％～5.0％)模量至服役空隙率模量，此为沥青路面各层沥青混合料弯曲劲度设计模量E

按下式调整沥青混合料室内试验空隙率模量至预测模量：

以山东省济南地区某新建高速公路为例，采用本发明提出的方法，确定该高速公路沥青路面沥青混合料层疲劳寿命。

路面结构形式为全厚式沥青混凝土路面结构，是典型的全柔性沥青路面结构，全厚式沥青路面结构是在路床顶面直接铺筑沥青混合料层，沥青层厚度为380mm，路面结构的目标可靠度为97％。

制备沥青混合料试样，典型沥青混合料服役空隙率为：AC-7、AC-10、AC-13为5.0％，AC-13F为4.0％，AC-16、AC-20和AC-25为7％，SMA-10、SMA-13、SMA-14为4.0％，LSPM-25为17.0％，EME-14为3.5％，EME-20为4.5％。本发明选用SMA-13的试验空隙率为3.8％，AC-20的试验空隙率为5.0％，AC-25的试验空隙率为5.0％，LSPM-25的试验空隙率为15.0％，AC-13F的试验空隙率为2.4％。

设置试验温度为5、10、20、30、40℃，各温度下的试验频率为0.1、0.2、0.5、1、5、10、20、25Hz，测试结果如表1所示。建立沥青层各结构层沥青混合料弯曲劲度模量的主曲线，如图1。

表1弯曲劲度模量试验结果

根据沥青混合料弯曲劲度模量主曲线，得到沥青层各结构层沥青混合料在不同温度、不同加载频率下弯曲劲度模量的计算模型，如下所示：

其中：E

其中：E

其中：E

其中：E

其中：E

确定沥青路面各结构层的等效温度，如下所示：

其中：T

其中：T

其中：T

其中：T

其中：T

计算得到沥青路面结构上面层、中面层、下面层、柔性基层和疲劳层的厚度等效温度分别为50.5℃、47.5℃、43.3℃、35.2℃和32.6℃。

通过现场动态称重系统设置于沥青路面路表，获取重车设计速度100km/h，得到沥青路面结构上面层、中面层、下面层、柔性基层和疲劳层的加载频率分别为12Hz、10Hz、7Hz、6.5Hz和5Hz。

根据沥青混合料弯曲劲度模量的计算模型，确定设计温度和重车设计速度下的SMA-13、AC-20、AC-25、LSPM-25和AC-13F的弯曲劲度模量分别为1287MPa、2662MPa、2272MPa、2307MPa和4190MPa。

调整SMA-13、AC-20、AC-25、LSPM-25和AC-13F的试验空隙率模量至服役空隙率模量，SMA-13、AC-20、AC-25、LSPM-25和AC-13F的试验空隙率分别为3.8％、5.0％、5.0％、15％和2.4％，工程实施服役空隙率别为4.0％、7.0％、7.0％、17.0％、4.0％，则SMA-13、AC-20、AC-25、LSPM-25和AC-13F的服役空隙率模量分别为1216MPa、2329MPa、1988MPa、1538MPa和3830MPa。

制备AC-13F沥青混合料，进行弯曲疲劳试验，试样数量为27个，三种试验温度10℃、20℃和30°各设置9个试样，每种试验温度的9个试样平均分成3个应变水平，试验频率为10Hz。测试结果如表2所示：

表2AC-13F弯曲疲劳试验结果

根据表中的试验结果，得到AC-13F的疲劳预测模型为：

路面结构沥青层的疲劳寿命预测模型为：

利用现场动态称重系统获取路面交通荷载参数，30年分析期内重车交通量所有轴组荷载作用次数为1.24×10

表3交通荷载分布

表4 30年分析期内不同轴组荷载作用次数

利用路面力学计算软件BISAR3.0计算确定不同轴组荷载水平作用下的沥青层层底拉应变，首先计算得到单轴单胎和单轴双胎下沥青层层底弯拉应变，如表5所示，然后根据下式确定交通荷载分布中所有轴组荷载的沥青层层底弯拉应变，如表6所示

对于单轴单胎：

对于单轴双胎：

表5单轴单胎和单轴双胎作用下沥青层层底弯拉应变

表6不同轴组荷载作用下沥青层层底弯拉应变

根据路面结构沥青混合料层的疲劳开裂寿命预估模型和表6的i种轴组在j级荷载下的单轴轴载引起的沥青层底弯拉应变ε

表7每种轴组和荷载下路面结构疲劳破坏次数

按下式确定不同轴组、不同荷载水平作用下路面结构的疲劳损伤d

各轴组不同荷载作用引起的路面结构疲劳损伤的总和即为路面结构在累计重车交通量的累积疲劳损伤，经计算损伤综合为0.99，则该全厚式沥青路面结构的疲劳损伤为0.99.

表8不同轴组和荷载作用下的全厚式沥青路面结构疲劳损伤

基于得到的全厚式沥青路面结构的累积疲劳损伤，确定路面结构允许重车交通量所有轴组荷载作用次数为1.24×10

以上实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换，而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。