国外力学经验法的沥青路面设计

　　摘要:本文从交通荷载、气候条件和材料特性3个方面介绍了国外力学经验法的沥青路面设计以及这种方法中所采用的疲劳准则和在中国沥青路面设计中的应用。供业内人士参考。
　　关键词:沥青路面;交通荷载;材料特性;气候条件;Miner准则
　　1引言
　　德国道路历史久远,质量优良,特别在沥青路面设计理论研究和施工工艺方面一直位居世界前列。传统的德国沥青路面设计采用的是德国道路交通研究会(FGSV)颁布的RStO01标准(路面结构设计标准),这种方法主要依赖经验,参考一些基础的数据,如当量10t标准轴载的累积次数、地质条件和标准的结构层及组合。近年来随着交通量的增加、气候条件的改变和新型材料的发展等,力学经验的分析法悄然兴起。这种力学分析方法,采用结构分析的理论和计算方法,建立多维的有限元模型,综合考虑荷载、材料、气候和地质等因素的影响,确保路面既经济又安全地在服务期限内发挥较好的使用性能。
　　2交通荷载
　　并由累计交通量来确定路面的等级。RStO01将沥青路面分为7个等级,分别为SV、Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ和Ⅵ,每个路面等级又对应着7种不同的路面结构层厚度、组合及材料组成(1,2.1,2.2,2.3,3,4,5)。标准轴载累计交通量计算有两种方法:一种是在重车没有准确轴载统计的情况下,根据预估交通重车数量,并根据多年经验,得到不同公路交通等级轴载数量系数,从而计算出标准轴载数量;另一种方法是在较准确掌握重车轴载数量的情况下,计算累计交通量。
　　Dresden模型认为,行驶在沥青路面上的车辆轴载从2～20t不等,以2t递加将轴载覆盖范围划分为10个轴载种类(2,4,6,⋯,20t),通过调查的年轴载作用次数和每种轴载所占比例,分别计算每类轴载以及该类轴载对应的轴载次数下引起的应力和应变以及其造成的疲劳破坏。这种交通量的计算方法,将各类轴载都考虑在内,不需进行标准轴载的换算,与实际的交通对路面所施加的荷载作用更加吻合。
　　3气候条件
　　路面结构持续经受着各种环境因素的综合作用。实践表明:温度对沥青路面的承载能力和使用性能都有着显著的影响。准确预测沥青路面温度的分布特性和变化规律具有重要的理论和现实意义。对路面温度场分布的研究方法一般分为两类:一类是根据气象学和热传学的基本原理采用数值分析方法建立沥青路面温度场的预测模型,可以称之为理论分析法;另一类是根据路面温度的实测数据和气象资料采用回归分析方法建立路面温度场与环境因素之间的定量关系,可以称之为统计分析法。路面温度预估方法的研究经历了半个多世纪的发展,研究的内容日益丰富,技术不断进步,针对性越来越强,研究成果在实践中也得到越来越广泛的应用。Dresden模型采用的路面温度预估模型为:
　　y=a•ln(0.01x+1.0)+b(1)
　　式中:y为距离路表x处的温度(℃);x为距离路表的深度(cm);a、b为参数(表1)。
　　
　　在这个路面温度预估模型应用中,除了有大量实测的路表温度数据外,还需对长期时间内路表温度出现的频率有详细的调查,通过公式(1)、沥青混合料动态模量及疲劳准则,可以预测沥青层的疲劳寿命。
　　4材料特性和结构层厚度
　　4.1材料特性
　　模型建立的过程中,多种路用材料模型贮存在材料数据库中。贮存的材料包括粘结类材料,如沥青、沥青混合料和水硬性粘结材料等;非粘结材料如碎石、砾石和各类土。另外还贮存有各种材料的基本特性,如弹性模量、泊松比等,这些特征值并非全是固定不变的,有些是随着外界环境的改变而改变的,因此需要建立与影响它们的因素之间的关系。当研究出新型材料时,完全可以在材料数据库中添加。在路面结构层设计中,从数据库可以随意调用选取材料,并不断进行调整,以达到最理想的材料组成。
　　4.2结构层组合及其厚度选择
　　无论是经验法还是力学分析法,沥青路面结构一般均由沥青面层、沥青联结层和承重层组成。承重层有多种结构形式,有沥青混凝土承重层、砾石承重层、碎石承重层、防冻层和水硬性粘结材料承重层等。完成材料的选择后,接着最重要的就是从下向上选择不同的结构层。对于整个结构的每一层,除防冻垫层之外,都先赋初值,然后通过程序不断优化,最后确定最佳的路面结构层及其厚度。选择结构层及其厚度的过程中需注意:一是尽管采用的是多层体系,但整个体系的最大厚度和最小厚度都有限制,如高等级沥青路面总厚度控制在55～85cm之间,以确保整体的连续性及稳定性;二是在德国防冻垫层有着非常严格的要求,不同土壤类型需满足最小防冻厚度的要求,这样可避免由于冬季低温及连续降温对路面造成的各种损坏;三是确保材料和各结构层更好地结合在一起,如需要满足各层的最小厚度与材料粒径的最大尺寸之间的关系。对于这些最小与最大厚度,当地质条件、路面类型已知的情况下,Dresden模型都可以自动地进行检测并进行调整。
　　5疲劳准则
　　许多国家在沥青路面设计的力学分析方法中,均从交通荷载、气候条件、各种结构层和材料特性等主要因素进行考虑。不同之处主要体现在这些影响因素以不同的形式、不同的方法、不同的理论进行换算、转换并应用于不同的疲劳准则。Dresden模型主要采用Miner线性累计损伤理论假设,预估沥青路面各结构层在各类轴载和各级温度作用下的疲劳损坏程度。
　　≤1(2)
　　式中:Na(b,c,⋯)为在a(b,c,⋯)情况下实际荷载循环次数;NBa(b,c,⋯)为在a(b,c,⋯)情况下可允许的荷载循环次数。
　　如果式(2)左边的值大于1,则说明疲劳损伤累积最终发生了破坏,那么模型就需要改变结构层厚度,重新进行验算。针对沥青路面的主要损坏类型,疲劳准则主要应用在沥青层、无粘结料承重层或者路基顶、水性粘结承重层。以下对各结构层所采用的计算分析模型进行说明。
　　5.1沥青承重层
　　疲劳准则在沥青层的应用主要是通过沥青层层底的拉应力来体现,因为沥青层层底是疲劳开裂最早且最容易发生的地方。
　　N=(3)
　　式中:N为允许的荷载循环次数;E为沥青混合料的动态模量,与荷载频率、温度和沥青混合料的组成有关;σ为沥青层层底弯拉应力;γ为安全因子(表2)。
　　
　　5.2无粘结料承重层或路基顶
　　在路基顶及无粘结料承重层,包括碎、砾石承重层和防冻层,荷载的长期反复作用引起的压应变是引起破坏最主要的因素,因此通过无粘结料承重层或者路基顶压应力,由式(4)计算允许的荷载循环次数。
　　N=(4)
　　式中:N为允许的荷载循环次数;Ev2为底基层或垫层非粘结材料和土基的弹性模量,可通过承载板试验获得;σz为压应力;γ为安全因子。
　　5.3水硬性粘结承重层
　　由于水硬性粘结材料抗弯拉强度远小于其抗压强度,水硬性材料的抗弯拉强度是水硬性粘结承重层设计的控制指标。水硬性粘结材料可经受反复加载作用,在荷载作用下所能承受的允许荷载循环次数由式(5)计算:
　　N=(5)
　　式中:N为允许的荷载循环次数;βBz为水硬性粘结性材料的抗弯拉强度;σBz为水硬性粘结性材料在荷载作用下的弯拉应力;γ为安全因子。
　　复杂条件的改变需要沥青路面设计方法不断地更新和发展,以便设计的沥青路面在使用年限内有着较好的质量和性能,且尽可能地减少路面出现的损伤。
　　6结论
　　中国沥青路面设计方法与德国沥青路面设计方法不同主要体现在设计年限、沥青路面结构组合以及设计和验算指标几个方面。中国高等级公路沥青路面设计年限一般为15年,而德国所有的沥青路面设计使用年限都是30年。中国沥青路面多采用半刚性基层沥青路面,强调强基薄面,致使裂缝成了中国沥青路面损坏类型中最常见的病害。在德国沥青层最厚可达到34cm,而且对防冻层有着非常严格的要求。中国沥青路面设计以路表弯沉和基层层底弯拉应力为设计和验算指标,然而多种类型损坏的早期出现与设计模式明显大不相同。沥青路面设计主要是防止路面发生早期疲劳破坏,因此应建立沥青路面结构设计模型与破坏模型的关系,确定控制路面发生损坏和早期损坏的关键指标作为设计指标。中国沥青路面设计可以总结和吸收国内外的优秀研究成果和经验,提出适合中国沥青路面设计发展的设计指标和参数体系,让更多新的试验方法、新的设计理念在路面结构设计中得到更好的体现。
　　参考文献
　　[1]沈金安.国外沥青路面设计方法总汇[M].北京:人民交通出版社,2004.
　　[2]JTGD50-2006公路沥青路面设计规范[S].