[01350628]基于平整度的沥青路面使用寿命预估研究与应用

1、课题来源与背景 1)课题来源 课题来源西部交通建设科技项目,项目名称“基于平整度的沥青路面使用寿命预估方法研究”（项目编号为2008 318 814 065）。 2)课题的背景 目前我国对路面结构的设计是将行驶的车辆荷载以静止的胎压模型设计,这在荷载不大、车速较低、路面平整的情况下基本适合。然而在路面具有一定的不平整度时,汽车行驶将对路面产生运动荷载,静力荷载模式与车辆行驶过程中对路面的实际作用力将有较大的差异,地面结构的动力学特性也远非静力学特性所能描述;这些差异和缺陷,用现有的设计理论和方法无法从根本上加以解决。高等级公路的使用过程中,路面的使用寿命往往在没有达到设计使用年限时就出现早期破坏,其中最重要的因素之一就是没有考虑实际的动荷载作用而导致的。同时,在多次重复荷载作用下,路面结构的动力响应不仅受路面结构参数的影响,还受路面材料物理参数的影响。除水泥混凝土较为接近线弹性体外,其他路面材料往往具有粘性、弹性和塑性等,特别是高温下的沥青混凝土,在荷载作用下具有明显的应变滞后和应力松弛现象;而我国目前的柔性路面的设计中还没有这方面的考虑。 因此,从不平整路面引起的行车动荷载作用出发,通过理论分析和模型计算,研究高等级公路路面平整度与行车动荷载间的耦合作用和动荷载作用下路面结构的响应,可为实现高速公路路面结构的动态设计奠定基础;考虑路面结构材料特性,寻求动荷载作用下路面平整度发展规律,参照质量规范得出路面的剩余使用寿命,对不同使用时期路面的使用性能进行判断,可为合理制定路面的养护维修方案提供依据,这对于进一步完善我国高等级公路沥青路面的使用功能和延长其使用寿命均具有重大意义及实用价值。 2、技术原理及性能指标 1)项目技术原理 本项目将从不平整路面引起的行车动荷载作用出发,通过理论分析和模型计算,研究高等级公路路面平整度与行车动荷载间的耦合作用和动荷载作用下路面结构的响应,为实现高速公路路面结构的动态设计奠定基础;考虑路面结构材料特性,寻求动荷载作用下路面平整度发展规律,参照质量规范得出路面的剩余使用寿命,对不同使用时期路面的使用性能进行判断,为合理制定路面的养护维修方案提供依据,拟对进一步完善我国高等级公路沥青路面的使用功能和延长其使用寿命均具有重大意义及实用价值。 2)性能指标 （1）建立了基于平整度指标进行沥青路面使用性能及剩余使用寿命预估的新方法。 （2）提出了基于叠加原理的、力学分析与沥青混合料蠕变柔量方程相结合的,考虑车辆荷载、路面材料特性及温度条件等因素的沥青路面永久变形预估方法。 （3）建立了基于修正Burgers模型的能反映路面受车辆重复荷载效应的沥青混合料粘弹性本构模型。 （4）建立了不同工况下分片“循环次数-偏应力-永久变形量”三维曲面,实现了因试验数据不足而对其余试验条件下永久变形规律的预测。 （5）建立了路面功率谱与路面状态参数（波长和幅值）、路面功率谱与标准差间的关系函数。 （6）仿真计算了不平整路面引起的行车动荷载,系统分析了路面状态参数（波长和幅值）、速度、载重及胎压等因素对车辆动荷载的影响规律。 3、技术的创造性与先进性 1)技术的创造性 （1）由路面实测平整度建立了路面不平整度模型; （2）得到了平整度标准差、平整度参数（波长和幅值）与路面功率谱间的函数关系; （3）建立了多自由度车-路耦合模型,计算了行车动荷载; （4）得到了路面平整度参数（波长和幅值）及车辆参数对路面动荷载的影响规律; （5）揭示了级配、温度、偏应力对沥青混合料永久变形的影响规律; （6）建立了反映重复荷载效应的沥青混合料粘弹性本构模型; （7）建立了不同温度沥青混合料的永久变形三维曲面; （8）提出了基于车辆动荷载、材料变形特性及路面温度分布的沥青路面永久变形计算方法; （9）得到了动荷载作用一年后的沥青路面变形量; （10）提出了基于平整度的沥青路面使用性能及剩余使用寿命预估的新方法。 2)技术的先进性 与现行同类技术相比,本技术的先进性体现在以下几个方面： （1）路面不平整度模型： 快速简便的反映各种工况道路的平整度, 可靠度高; （2）行车动荷载：多自由度、多车型;考虑了不平整度对行车动荷载的影响及车-路耦合作用; （3）重复荷载作用下沥青混合料永久变形特性： 沥青混合料粘弹性本构模型能体现重复荷载效应;三维曲面可表征沥青混合料全部的永久变形; （4）沥青路面永久变形计算：考虑了车辆动荷载及温度分布,更接近沥青路面实际工况; （5）基于平整度的沥青路面使用寿命预估方法：仅采用平整度指标,快速简捷;精度较高。 4、技术的成熟程度,适用范围和安全性 本项目提出的基于平整度指标进行沥青路面使用性能及剩余使用寿命预估新方法,考虑了车辆的动荷载、沥青混合料材料特性、路面结构力学特性及温度条件等因素。车辆动荷载是通过采用多自由度系统动力学理论,建立车辆-不平整度路面耦合系统模型,对路面不平整度引起的车辆动荷载进行分析和求解而得。路面材料特性的获得是基于沥青混合料变形规律与重复荷载作用下黏-弹性本构模型建立而得;不同温度、不同应力等试验工况下沥青混合料的变形规律可通过三轴重复荷载作用试验研究而得,项目主研单位拥有的气动伺服沥青材料多功能试验机、旋转压实成型仪可为试验的顺利展开提供保障;重复荷载作用下黏-弹性本构模型可基于修正Burgers模型理论推导而得。路面结构力学特性可采用成熟的有限元分析与计算软件Ansys建立路面结构三维有限元模型,通过对代表温度及代表荷载作用工况下路面结构层各亚层偏应力值求算而得。以上技术的顺利求解或获得,都可为建立基于平整度的沥青路面使用寿命预估方法提供保障。