基于加速加载试验的沥青路面车辙预估研究 - 图文

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第36卷第4期同济大学学报(自然科学版)Vd.36No.42008年4月,oI】liNAI,OFTONGJIUNIVERSITY(NATURALSCIENCE)Apr.2008基于加速加载试验的沥青路面车辙预估研究苏凯,王春晖,周刚,孙立军(同济大学道路与交通工程教育部重点实验室,上海200092)摘要:根据加速加载车辙试验结果,采用“亚层变形叠加”的基本思想,对室内永久变形预估模型进行了标定,确定了包含温度、作用次数、剪应力、材料抗剪强度、速度等主要因素的车辙预估模型.结果表明,提出的车辙模型能够较精确地模拟环道路面的车辙变形规律,该预估方法可为沥青路面车辙方面的相关研究及沥青路面的设计提供参考.关键词:沥青路面;车辙;加速加载试验;预估模型中图分类号:U414.1文献标识码:A文章编号:0253—374X(2008)04—0493—05RuttingPredictionModelforAsphaltConcretePavementsBasedonAcceleratedPavementTestSUKai,WANGChunhui,ZI"IOUGang,SUNLijun(KeyLaboratoryofRoadandTrafficEngineeringoftheMinistryofEducation,TongjiUniversity,Shanghai200092,China)Abstract?Anewlaboratory-developedmodelforruttingpredictioniscalibratedbytheconceptofaccu—mulationofsub-layerdeformationbasedonacceleratedpavementtest(APT),whichtakesintoaccountthetrafficandenvironmentalcharacteristicaswellasroadmaterialandstructureproperties.Thecali—bratedresultsshowthatthismodelcanmatchwellwiththedeformationevolutionofasphaltconcreteinAPT,andcangivesomereferencesforfuturepavementsdesigntOcontrolrutting.Keywords:asphaltconcrete;rutting;acceleratedpavementtest;predictionmodel车辙问题是世界各国普遍关注的沥青路面的主裂,选择相应的设计指标和标准,以控制住相关的损要损坏类型之一,指在行车荷载的反复作用下,路面坏…1。实现这一目标的一个关键环节是在路面结构竖直方向永久变形的累积,严重的两侧伴有隆起.随的力学响应与各类损坏之间建立起相关的损坏预估着对路面结构行为研究的深入,国内外一些学者认模型.对于永久变形问题而言,关键在于建立正确的识到仅从材料上改进并不能彻底解决车辙问题,必车辙损坏预估模型.此外,任何先进的路面设计系统须在设计方法上加以改进.近来,力学一经验法逐渐必须能够预估路面在任一使用时刻的车辙量,只有受到大家的重视,并被认为是基于使用性能设计路建立路面的使用质量随时问变化的子系统才可以及面的杰出代表,这种方法的核心思想是按照使用性时指导路面的养护和维修,这也是要建立正确的车能要求,针对沥青路面的主要损坏类型如车辙、开辙预估方法的重要原因之一.收稿El期:2006—10一08基金项目:国家杰出青年科学基金资助项目(50325825)作者简介:苏凯(1977一)。男,工学博士。主要研究方向为现代路面结构与材料,E-mail:xahusukai@163.ool'n;孙立军(1963一),男,教授,博士生导师,工学博士,主要研究方向为路面结构与材料,E-mail:ljsun@mail.tongii.edu.∞万 方数据同济大学学报(自然科学版)第36卷大量的观测调查及理论分析[2-4]表明:①失稳型车辙是半刚性沥青路面永久变形的主要表现形青层第i亚层的温度,13;口为行车速度,m.S_1;N,为荷载作用次数(路面寿命),次;r;为沥青层第i亚层的最大剪应力,MPa;[r]。为沥青层第i亚层的抗剪强度,MPa.本文旨在采用环道(加速加载)试验的实测结果,对室内永久变形预估模型(式(1))进行标定,建立适合于实际路面的车辙预估方法.式,其产生机理主要为沥青混凝土剪切流动变形,同时包含一小部分压密变形;②半刚性沥青路面的车辙变形绝大部分发生在沥青面层,基层基本没有形变.针对半刚性沥青路面车辙的这种形成机理,笔者在前一段研究的基础上(不同温度、压力下的室内轮辙试验),初步得出了一种新的永久变形预估方程(式(1)),该模型反映了车辙的剪切流动变形机理,包含了反映沥青混凝土抗车辙能力的因子以及影响车辙1环道试验路概况笔者采用重庆公路科研所∽J的环道试验数据对车辙预估模型进行修正.环道试验路面结构分别为柔性基层和半刚性基层2种,从下往上第一层为60ClTI素土层,第二层按不同的段落分别铺筑84cm发展变化的主要因素;室内试验表明本模型对不同的沥青混合料具有较好的通用性,模型形式是合理的[5J.D=∑AR=∑R01一ARD=ii_2210-5一.5564¨硝。蹦?T2。524?(方案A)、85cm(方案B)、80cm(方案C)灰土层,然后在灰土层上铺筑不同的沥青路面结构,其中较厚(1)的沥青面层分两层摊铺(图1).图中SMA,SUP,LSM分别为沥青马蹄脂、Superpave和大粒径沥青混凝土.方案C48{嗡,}0t752(封懈I口J式中:RD为沥青层的总变形,mm;ARDi为某一沥青亚层的变形(一般取1ClTI为一亚层),mm;Ti为沥方案A4cmSMAl3(改性沥青,玄武岩)885方案BcmSMAl3(改性沥青,玄武岩)cmSLrP20(改性沥青,石灰岩)cmSUP20(改性沥青,石灰岩)cmSUP25(普通沥青,石灰岩)cmSMAl3(改性沥青,玄武岩)cmSUP20(改性沥青.石灰岩)2×82×7.5cmSUP25(普通沥青。石灰岩:2×10emLSM25(普通沥青,石灰岩)2×8cmSUP25(普通沥青,石灰岩)3620cn冰泥稳定碎石22(水泥质量分数为5呦em级配碎石(石灰岩)cm水泥稳定碎石(水泥质量分数为5%)图1环道路面结构断面图Fig.1Pavementstructuresectionincirculartracktest试验路铺于环道试槽内,宽3.5rn、深2m,周长33m,采用HS一10.5加载装置,具体为:单轴荷载110式中:T为路面温度,℃;X为路面深度,cnl.根据式(2)预测得到路面结构不同深度各亚层的温度如表1.2.2计算路面内的剪应力kN(双轮组),轮胎气压0.7MPa,运行速度38km.h~,试验时轮迹固定,不作横向移动,采用自动温控系统将路表面温度控制在50-6013范围内.实际轮胎与路面的接触形状比较复杂,本文为了研究的方便,根据环道试验轮胎的实际测量结果2相关参数的确定2.1路面温度将轮胎接地形状简化为双圆均布荷载(保持接地面积不变).计算路面内的剪应力时,取值点位统一取最大剪应力所在纵向轴线上每一亚层中点的剪应力在环道试验过程中对方案A路面内温度场进行了实测,并采用3阶多项式对该试验数据进行了拟合,得到如下的环道温度场预估公式T=0.0003x3—0.0169x2—0.2206z+59.506,R2=0.9954值代表该亚层的平均受剪状态.在车轮正常运行过程中水平力很小,这里不予考虑.在荷载及其他条件不变时,路面内的剪应力大小可以说是其自身抗车辙能力的一种反映,因此本文在(2)剪应力计算时,均采用常温时的沥青混凝土模量,以此万方数据 第4期苏凯,等:基于加速加载试验的沥青路面车辙预估研究495来区别不同路面结构之间的差异,另一方面这样也可以使预估方程的中的温度丁和剪应力r相互独立.表1路面结构各亚层的平均温度Tab.1Predictedtemperaturethroughthepavementdeothz/cmT/℃x/cmT/cx/emT/13x/cmT/cx/cmT/'CO.559.48.556.616.557.424.548.432.544.81.559.19.556.117.557.025.547.933.544.42.558.910.559.418.556.626.547.434.544.13.558.511.559.119.556.127.546.935.543.84.558.212.558.920.550.528.546.436.543.55.557.813.558.521.549.929.546.037.543.36.557.414.558.222.549.430.545.638.543.17.557.O15.557.823.548.931.545.239.542.9环道试验过程中,对轮胎接地面积进行了测量,混凝土的模量为实测值(20℃),其他各结构层弹性平均接地面积为318cm2,轮胎平均接地压力为模量参数根据经验(现行设计规范)确定.0.865MPa.各结构层的回弹模量见表2,其中沥青表2环道路面各结构层材料的计算参数Tab.2Structureparametersincirculartracktest路面内各亚层(沥青混凝土层)剪应力计算结果如表3所示.表3各亚层路面内的剪应力Tab.3Shearstl't岱ineachsub-layer亚层深度/锄方案A剪黑/BMP{I.方案c亚层深度乜方案A剪黑/BMPa方案cO.0050.1120.0720.1150.2050.1080.1180.1070.0150.2170.1580.2200.2150.1030.1140.1010.0250.2620.2090.2640.2250.0990.1100.0960.0350.2730.2490.2740.2350.0950.1070.091O.0450.2710.2590.2720.2450.0910.1030.0860.0550.2630.2620.2630.2550.0870.0990.0830.0650.2520.2550.2520.2650.0830.0970.0790.0750.2390.2460.2390.2750.0790.0960.0850.2260.2350.2260.2850.0750.0950.0950.2120.2230.2120.2950.0730.0940.1050.1990.2100.1990.3050.0700.0940.1150.1870.1980.1870.3150.0670.0950.125+0.1760.1860.1760.3250.0640.0960.1350.1670.1740.1660.3350.0620.0980.1450.1570.1640.1560.3450.0600.1010.1550.1470.1540.1470.3550.0580.0950.1650.1380.1450.1370.3650.0560.0790.1750.1300.1370.1290.3750.0550.1850.1210.1300.1210.3850.0540.1950.1140.1240.1140.3950.0532.3沥青混凝土抗剪强度测定段碾压,因而在施工质量很难控制,油石质量比、压环道的各层材料的设计油石质量比如下:SMAl3实度难免出现变异,对各路段钻芯取样实测的空隙为6.1%,SUP20为4.5%,SUP25为4.1%,LSM25为率和油石质量比如表4所示.3.8%.由于环道沥青路面的施工采用人工摊铺,分万 方数据同济大学学报(自然科学版)第36卷表4各种材料的现场空隙率Tab.4Insitllairvoidincirculartracktest本文在确定沥青混凝土的抗剪强度时采用孙立军教授[7]提出的单轴贯人试验方法测定,该方法认为单轴贯入试件与实际路面的受力状态基本一致,可对沥青混合料的抗剪强度进行有效评价.本文统一采用60℃下的抗剪强度反映沥青混合料的抗剪属性.路面结构方案A,C各层材料的抗剪强度测定结果如表5.表5不同芯样的抗剪强度Tab.5Shearstrengthofdifferentcoredspecimensi胁最终把偏差比较大(表5黑体部分)的芯样剔除掉,方案A,C各种材料的平均抗剪强度如表6.方案模型的拟合效果是比较好的.B未能取足够数量的芯样做剪切试验,但方案B的材料级配与方案A,C是相同的,按照空隙率、油石质量比接近的原则,方案B材料的抗剪强度参照方案A,C材料确定.表6各种材料的平均抗剪强度Tab.6ShearstrengthofeachasphaltmixtureMPaLSM方案上面层SMAl3中面层SUP20下面层SUP25图2预估值和实测值的关系图Fig.2Comparisonofthemeasuredandthepredictedpermanentdeformation比较式(1)和式(3)可以发现,二者的综合系数3车辙预估模型的修正3.1修正系数的确定有所差别,其他参数系数差别不大,说明2个模型所反映的永久变形随温度、荷载、交通量、材料强度的变化规律是相同的,也充分表明本文构建模型的普遍适用性.综合系数不同是可以理解的,一是因为环道试验和室内车辙试验的作用方式、温度条件不一致,环道试验更接近路面的实际状态;二是因为式(1)中还包含了一部分关于速度的假设,该模型中并未考虑荷载间歇时间的影响,事实上车辙试验车轮预估模型修正的最终目标是要求所建立的模型能够反映实际路面的永久变形规律,即预测的结果与实际的观测值相一致.根据最小二乘法的基本原理,笔者编制了相应的优化程序.将上述基本参数代人优化程序(式(1)的系数作为此次标定的初始值),即可确定预估模型参数的系数.修正后可得到如下的永久变形预估模型:的间歇时间很短,相比之下作用更为苛刻,这也会导致综合系数有所差别.3.2侧向隆起的考虑RD=∑ARDf_∑10_5?903碍?524?如图3所示,“车辙”一般指轮迹带下凹与两侧隆起的变形差Yw;“永久变形”则指轮迹带路面结构的(3)最大减薄量YN.式(1)和式(3)考虑的仅是沥青层的永久变形,但实际上影响路面使用性能及行车安全的{甄}0.753(剥0‘467万方数据 由图2可知,预估值和实测值基本吻合,说明该第4期苏凯,等:基于加速加载试验的沥青路面车辙预估研究497主要是“车辙”,所以有必要对隆起变形加以考虑.测线环道试验过程中按大约50锄的间距随机选取了52个断面,测量了加载30万次和50万次后不同内侧轮迹带外侧轮迹带断面的车辙和永久变形,确定隆起系数LP如表7所示,表中歹.W与歹N分别为“车辙”与“永久变形”的图3沥青路面的车辙和永久变形平均值.Fig.3Ruttingandpermanentdeformationofasphaltpavement表7车辙隆起系数计算结果Tab.7Resultsofruttingupheavalscoefficient由表7可见,方案B为级配碎石基层路面,隆起SUKai,SL7NLnm.Sonamaryofruttingpredictionmethodfor系数较小;方案A,C为半刚性基层路面,隆起系数high-gradeasphaltp猢咖∞ts[J].HighwayJottmal,2006(7):18.基本稳定,在0.4~0.5之间;因此,将方案A,C隆[2]EisenmannJ,HilmerA.Influenceofwheelloadandinflationpressureontheruttingeffectattheoreticalinvestigations[C]ff6th起系数的平均值作为半刚性沥青路面车辙隆起系数IntConfontheStructuralDesignofAsphaltPavements.Ann的推荐值,即隆起系数LP=0.465.所以最终的车辙Arl)0r:UniversityofMichigan.1987:392—403.预估模型如下式:[3]苏凯,孙立军.沥青路面车辙产生机理[J].石油沥青,2006,20(4):1.RD=(1+LP)∑10。5。903砰524?SUKarl,SUNLijun.Meehaniwaofruttingforasphaltpavementsi=1[J].PctroleonaAsphalt。2006,20(4):1.0.一58N,}o.753(洲[4]林绣贤.沥青层永久变形计算中有关参数确定方法[J].中国公(4)路学报,1989,2(2):8.UNXiuxian.Amethodofdeterminingtherelevantparametersinthecalculationofpavementdeformationofbittmainous4小结surfaee[J].ChinaJournalofHighwayandTransportation,1989,2(2):8.[5】苏凯,孙立军.沥青混凝土永久变形预估方法研究[J].建筑材(1)本文采用环道实验的实测数据对室内车辙料学报,2007,10(5):510.预估模型进行了标定,并提出了合理的侧向隆起系SUKai.SUNLijm.An州rrethodfor脚ctingdeformationof∞pludt数,该模型可以较好地模拟环道沥青路面的永久变conerete[J].Joumedof&她Materials,2007,10(5):510.[6]周刚,周进川.沪宁高速公路扩建工程沥青路面结构环道试验形规律.研究[R].重庆:重庆公路科研所,2005.(2)本文的车辙预估模型中考虑了剪切因素,解zl帕UGang.ZHoUJinchuan.CirculartracktestandstudyOn决了长期以来车辙预估研究中悬而未决的问题,为下asphaltpavementinexpresswaywideningprojectfromS}mghai一步建立合理的车辙控制指标奠定了坚实的基础.toNanjing[R].Chongqing:ChongqingHighwayResearchInsti—tute,2005.参考文献:[7]孙立军.沥青路面结构行为理论[M].2版.北京:人民交通出版社,2005.SUN[I]苏凯,孙立军.高等级沥青路面车辙预估方法研究综述[J].公Lijun.Structuralbehaviorstudyforasphaltpaveanents[M].2nd路,2006(7):18.ed.Beijing:ChinaCommunicationsPress.2005.万 方数据基于加速加载试验的沥青路面车辙预估研究

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苏凯, 王春晖, 周刚, 孙立军, SU Kai, WANG Chunhui, ZHOU Gang, SUN Lijun同济大学,道路与交通工程教育部重点实验室,上海,200092同济大学学报(自然科学版)

JOURNAL OF TONGJI UNIVERSITY(NATURAL SCIENCE)2008,36(4)1次

参考文献(7条)

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