淺談基于力學(xué)分析的瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法簡(jiǎn)介_(kāi)工程管理

1、淺談基于力學(xué)分析的瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法簡(jiǎn)介瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論與方法始終是路面界討論的熱點(diǎn)和難點(diǎn)，迄今為止仍停留在半閱歷-半力學(xué)的水平，許多國(guó)家仍采納純閱歷法對(duì)瀝青路面結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。本文選取了三種具有代表性的國(guó)外瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行介紹，重點(diǎn)介紹了各方法的產(chǎn)生背景，理論基礎(chǔ)，參數(shù)輸入及其設(shè)計(jì)掌握指標(biāo)。1.引言路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論與方法經(jīng)受了半個(gè)多世紀(jì)的進(jìn)展，經(jīng)受了由純閱歷法向半閱歷半力學(xué)和純力學(xué)法的進(jìn)展過(guò)程，迄今為止，路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的純力學(xué)法還在討論當(dāng)中。目前，已經(jīng)用于實(shí)際的仍是以閱歷法和半閱歷半力學(xué)法為主。本文搜集了國(guó)外典型的瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，比較之后，選取了三種具有代表性的基于力學(xué)分析的

2、半閱歷半力學(xué)分析方法加以介紹，包括，殼牌設(shè)計(jì)方法、瀝青協(xié)會(huì)以及LCPC設(shè)計(jì)方法，其中，前兩種方法在世界各地被廣泛采納。2. 殼牌設(shè)計(jì)方法簡(jiǎn)介殼牌設(shè)計(jì)方法起源于1963年，1977年增加了設(shè)計(jì)參數(shù)，并作為設(shè)計(jì)手冊(cè)出版，1985年出版了補(bǔ)充設(shè)計(jì)參數(shù)，1997年的設(shè)計(jì)方法在預(yù)估永久變形方面也做了一些改動(dòng)。殼牌設(shè)計(jì)方法可以用于大路和機(jī)場(chǎng)道面設(shè)計(jì)，也可以用于瀝青或水泥穩(wěn)定基層和未穩(wěn)定粒料基層上的路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)的主要理念是依據(jù)道路的等級(jí)，掌握處治層的疲憊開(kāi)裂，限制車(chē)轍在可接受的水平。設(shè)計(jì)步驟如下：路面結(jié)構(gòu)以三層連續(xù)彈性體系為基礎(chǔ)，用多層彈性體系計(jì)算程序來(lái)計(jì)算應(yīng)變。掌握瀝青面層層底拉應(yīng)變和路基表面荷載作

3、用處的垂直壓應(yīng)變。2.1 輸入.2.1.1 交通參數(shù);設(shè)計(jì)軸載以80KN為標(biāo)準(zhǔn)，接地壓力0.6MPa，軸載換算按下式：N=2.2×10-8L4 (1)在這里，L是被換算軸載。雙后軸看作兩個(gè)單后軸來(lái)處理。荷載時(shí)間以貨車(chē)5060km/h的速度的平均加載時(shí)間為0.02s計(jì)。輪跡分布系數(shù)按0.4考慮。2.1.2 環(huán)境參數(shù);氣候的影響可以用加權(quán)的年平均氣溫的指標(biāo)，由月平均氣溫推算而得。W-MAAT同瀝青混合料的有效溫度有關(guān)，因而也同瀝青混合料的有效模量有關(guān)。加權(quán)年平均氣溫已考慮了溫度的日、月周期變化對(duì)設(shè)計(jì)的影響，這種影響不能通過(guò)簡(jiǎn)潔的取算術(shù)平均值求得。2.1.3 材料參數(shù);本設(shè)計(jì)方法用了三種計(jì)

4、算材料特性的方法。路基的剛度用下面的關(guān)系式表示：E3=10×CBR(MPa)，也可以用其他合適的方法，像回彈模量來(lái)表示;未穩(wěn)定粒料基層剛度是路基剛度的函數(shù)，E2=kE3，這里，k=0.2h20.45(h2以mm計(jì))，k的范圍是24;水泥及石灰穩(wěn)定類(lèi)(半剛性)材料，其剛度介于5GPa到20GPa之間，其值的選取基于材料試驗(yàn)的結(jié)果，在法國(guó)用的比較多;瀝青混凝土剛度有兩種代表性的選取方法。一種是依據(jù)瀝青勁度的不同在肯定范圍內(nèi)選取，另一種是采納殼牌的剛度計(jì)算式計(jì)算得到。2.2破壞準(zhǔn)則。疲憊破壞和車(chē)轍是殼牌設(shè)計(jì)法主要考慮的兩種破壞模式。為了削減未穩(wěn)定粒料層永久變形最終導(dǎo)致路面車(chē)轍，路基頂面的垂

5、直壓應(yīng)變用下面的關(guān)系式表示，標(biāo)準(zhǔn)軸載為80KN。3 =2.8×10-2 (N)-0.25 (2)評(píng)估瀝青混凝土層的車(chē)轍也要考慮在內(nèi)。假如沒(méi)有給定車(chē)轍深度允許值，快速車(chē)道一般認(rèn)為是10mm，慢速車(chē)道一般認(rèn)為是30mm。3. 瀝青協(xié)會(huì)設(shè)計(jì)方法瀝青協(xié)會(huì)設(shè)計(jì)方法與殼牌設(shè)計(jì)方法一樣，都把路面結(jié)構(gòu)看成多層彈性體系。設(shè)計(jì)準(zhǔn)則也是考慮掌握瀝青邊界層的疲憊開(kāi)裂以及削減表面層的車(chē)轍，通過(guò)掌握路基表面的豎向應(yīng)變。設(shè)計(jì)步驟如下：3.1 輸入。3.1.1 交通參數(shù);以80KN單軸載為標(biāo)準(zhǔn)，兩輪圓心的距離是13.5英寸，用AASHTO等效因素去打算。僅僅一種狀況的等效因素被設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)數(shù)SN=5，最終服務(wù)指數(shù)Pt

6、=2.5。接地壓力為0.49MPa。3.1.2 環(huán)境參數(shù);不同的環(huán)境用年平均溫度表示。設(shè)計(jì)曲線(xiàn)包括了全美的氣候特征(其中包括阿拉斯加和夏威夷)：45F，60F和75F。冰凍期間增加路基的剛度，解凍期間減小路基的剛度。3.1.3 材料參數(shù);除路基外，需要其它各層的剛度值和泊松比。路基的剛度用回 彈模量MR表示，在特定含水率、干密度以及應(yīng)力狀態(tài)下的重復(fù)三軸加載壓縮試驗(yàn)得到。也可以通過(guò)下面的關(guān)系式換算得到：MR=1500CBR (psi)或 MR=1155+555R(psi) (3)指南中調(diào)整MR的值以期反應(yīng)季節(jié)變化的影響。路基土的便意率可用下面的關(guān)系式表示：P0 =100-Pu (4)P0=保險(xiǎn)設(shè)

7、計(jì)百分率;Pu=欠平安設(shè)計(jì)百分率;當(dāng)交通量為等于或大于1.06的ESALs時(shí)，P0的變化范圍從6087.5。未穩(wěn)定粒料應(yīng)力對(duì)剛度的影響可以用15式表示。從合理的數(shù)據(jù)分析結(jié)果看，k1變化范圍從8000到12000psi，k2=0.5。層狀彈性體系需要迭代計(jì)算。為了避開(kāi)其簡(jiǎn)單性，下面是一個(gè)間接的預(yù)估等式：Egramular=MR=g0(h1-g1)(h2-g2)(E1-g13)(E3-g4)(k1g5) (5)base H1 瀝青粘結(jié)層的厚度;H2 未穩(wěn)定集料的厚度;E1 瀝青混凝土剛度;E3路基剛度;g 0g5衰減系數(shù);這個(gè)等式用來(lái)計(jì)算粒料層的有效模量，假如用迭代方程計(jì)算時(shí)，粒料基層將產(chǎn)生與路基

8、相同的壓應(yīng)變。隨著季節(jié)的不同轉(zhuǎn)變模量值去反應(yīng)凍融的影響。瀝青混合料運(yùn)用勁度模量的特定值，用18式的回歸方程式去計(jì)算。3.2 破壞準(zhǔn)則瀝青邊界層(瀝青混凝土或乳化瀝青處治)的拉應(yīng)變看作是疲憊破壞的打算因素，表達(dá)式如下： N=18.4(C) (6)M=4.84VaspVair+Vasp-0.69C=10M;Vasp瀝青粘結(jié)層中瀝青的體積; Vair瀝青粘結(jié)層中空氣的體積;|E*|混合來(lái)的勁度;路基表面的垂直壓應(yīng)變反應(yīng)其車(chē)轍特征。輪載作用次數(shù)和垂直壓應(yīng)變的關(guān)系如下：v =1.05×10-2 (N) 0.28 (7)隨著39式v 值得確定，路表面的車(chē)轍深度在特定的軸載作用次數(shù)下不超過(guò)0.5英

9、寸。壓實(shí)度和混合料的選擇很重要。用DAMA計(jì)算其設(shè)計(jì)厚度。用CHEV5L或BISAR計(jì)算應(yīng)力和位移。4. LCPC設(shè)計(jì)方法4.1 法國(guó)歷時(shí)30年創(chuàng)造了一種基于力學(xué)的路面設(shè)計(jì)方法，這種設(shè)計(jì)方法于1977年建立了結(jié)構(gòu)模型，1988年根新了內(nèi)容，基于以下思路：4.1.1 建立一個(gè)技術(shù)經(jīng)濟(jì)的體系，對(duì)整個(gè)國(guó)家的道路系統(tǒng)都是可用的，保證全都的服務(wù)標(biāo)準(zhǔn)。4.1.2 供應(yīng)附加的服務(wù)，為政府的技術(shù)部門(mén)供應(yīng)技術(shù)解決方案，并有肯定的明確性和對(duì)比性。4.1.3 節(jié)約設(shè)計(jì)工程師的設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)間，節(jié)省計(jì)算資源。4.1.4 對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)的材料，需要更加敏捷的厚度選擇，需要不斷的革新，計(jì)算力量要有廣泛的適應(yīng)性，有必要定義一種供法國(guó)

10、的不同的道路管理機(jī)構(gòu)使用的方法?，F(xiàn)在的設(shè)計(jì)方法1994年用法文出版，1997年有了英文版。本文內(nèi)容主要來(lái)源其英文版。以筆者的觀(guān)點(diǎn)，這種設(shè)計(jì)方法運(yùn)用了最近的技術(shù)和閱歷，供應(yīng)了一種特別好的路面設(shè)計(jì)方法。它包括牢靠度，材料評(píng)估，維護(hù)和投資的考慮，路基預(yù)備的近一步爭(zhēng)論以及罩面的介紹。指南包括瀝青路面和水泥混凝土路面，此處只爭(zhēng)論瀝青路面。像殼牌和瀝青協(xié)會(huì)設(shè)計(jì)方法一樣，這種設(shè)計(jì)方法也把瀝青路面看成了多層彈性體系。設(shè)計(jì)原則是掌握瀝青邊界層的疲憊開(kāi)裂，掌握下面結(jié)構(gòu)層的豎向應(yīng)變來(lái)掌握表面層的車(chē)轍，通過(guò)合適的混合料設(shè)計(jì)和輪跡評(píng)估來(lái)掌握瀝青邊界層的車(chē)轍。4.2 輸入。4.2.1 交通參數(shù);用標(biāo)準(zhǔn)軸載的等效次數(shù)表示。標(biāo)準(zhǔn)軸載是單軸雙輪130KN，這是法國(guó)軸載的法定上限。為了力學(xué)分析的便利，輪載等效為雙圓荷載，雙圓直徑是125mm，兩輪圓心間距是375mm。胎壓是662kPa。軸載換算公式如下：A