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沥青路面疲劳极限设计方法研究
发布:admin 发布时间:2016-06-29 浏览次数:2745



一、立项背景

    本项目属云南省科技厅科技计划项目,研究期限2009年~2012年。项目基于疲劳破坏理论,开发适应云南不同地区的沥青路面结构设计新方法,拟代替现有的沥青路面以弯拉应力为验算指标、弯沉为设计控制指标的设计方法。

    云南省国土面积30.4万平方公里,94%是山区,公路运输承担了全省运输总量的92%以上,因此近年来交通部和云南省对公路建设的投资持续增长并取得了长足的进步。目前全省公路通车总里程超过20万万公里,其中高速公路约4000公里。为凸现与部分东盟国家山水相邻的区位优势,云南省决定在未来更加努力建设公路网络,以起到中国与东南亚地区的大通道作用。至2020年,云南省将继续投入巨资,建设未来干线公路网和农村公路网,要使全省的高速公路总里程达到6000公里。而在干线公路网建设中,目前待建公路总里程为1.9万公里,其中包括近2000公里的高速公路。其中近2/3通车里程均采用沥青路面。

    国内现有的沥青路面,包括高速公路的沥青路面绝大部分在使用期内就发生了破坏。沥青路面发生破坏的原因很多,有路基的问题,使用材料的问题,路面施工的问题,但一个很重要的原因就是路面设计所依据的理论与路面实际状况有较大差距,路面设计工作模型与面实际工作状况差距较大,设计不尽合理、不正确导致路面过早的大面积破坏,造成巨大的经济损失和不良的社会影响。

二、研究目的

    沥青路面在我省已有约100年的使用历史,大面积在公路上使用沥青也有约30多年的历史,自上世纪80年代改革开放以来,随着高速公路的快速建设,沥青路面已成为我省高等级公路的主要路面结构,但沥青路面的设计方法还延续上世纪80年代所确立的以路面弯沉为设计指标的设计方法,以弯沉为指标的沥青路面设计方法是以弹性层状体系理论为基础,通过对国内沥青路面的调查分析所确定的一种经验的设计方法,而调查所依据的沥青路面是过去所修建的低等级公路,并且现在的路面交通与30多年前的路面交通完全不同,因此,根据过去低等级公路条件下所得出的路面设计经验用于现行交通状况的路面设计,显然不太合理,设计出的路面结构不能合理地适应现行交通荷载。即现行设计理论与路面实际状况有较大差距,不能正确的代表沥青路面的实际受荷状况,这直接导致沥青路面的设计不尽合理。路面设计工作模型与面实际工作状况差距较大,设计不尽合理、不正确导致路面过早的大面积破坏,造成巨大的经济损失和不良的社会影响。

    因此,开发适应云南不同地区的沥青路面结构设计新方法,拟代替现有的沥青路面以弯拉应力为验算指标、弯沉为设计控制指标的设计方法,减少路面因设计不合理而出现的过早破坏,延长沥青路面的使用寿命,提高路面的使用性能,减少路面的养护维修工作,保证路面的畅通,提高公路的投资效益和使用效益,显得非常具有必要性和迫切性。

三、主要研究内容

    (一)云南省沥青路面气候分区区划及沥青面层温度分布研究

    1、云南省沥青路面气候分区区划研究

    2、云南省沥青路面面层温度分布研究

    (二)云南省各沥青路面气候区划内公路交通荷载分布研究

    (三)云南省沥青路面面层沥青混合料疲劳行为研究

    (四)云南省沥青路面面层沥青混合料结构层优化

    (五)云南省沥青路面面层疲劳极限设计方法研究

    1、确定沥青路面疲劳设计标准

    2、沥青路面疲劳设计方法

    (六)开发适用云南沥青路面疲劳极限设计方法实用软件

四、取得的主要成果

    本项目经过4年多的刻苦攻关,取得了一系列科研成果,公开发表论文16篇,获得国家发明专利1项,项目研究成果总体达到国际先进水平。课题成果对云南省高速公路沥青路面的修建产生了巨大的效益。

    (一)分析各气象要素包括气温、太阳总辐射、风速和日照时数等对沥青路面温度分布的影响;以传热学理论和热传导方程为基础,建立适用于沥青路面的非稳态温度场的导热微分方程;采用有限差分方式对内部节点和边界节点进行隐式差分求解。按沥青路面温度区间进行了云南省路面气候分区划分,并计算绘出各气候分区内不同路表温度区间下沿深度变化的温度曲线图。

   

云南七月日平均最高气温分布图

    (二)通过分析云南省地区实地轴载调查以及收费站点交通量资料,确定云南省高等级公路车辆典型轮轴类型;统计换算各不同车型通行比例,提出各轮轴类型的代表车型以及各代表车型不同轴载等级的出现频率;绘制出3种不同轴载特征类型的云南地区高速公路轴载分布图。

   

   

   

    (三)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本构模型;提出了采用三轴重复加载蠕变试验来研究沥青混合料高温抗变形能力的试验方法,推荐了完整的试件制备方法、试验设备要求以及试验边界条件、温度条件和荷载条件等试验参数,并通过室内试验系统研究了偏应力水平及温度条件对沥青混合料流变规律的影响。

      

三轴室和温度控制箱                   数据采集和控制系统

    (四)根据室内试验数据提出水泥稳定碎石抗压强度、弯拉强度以及级配碎石材料的非线性承载力计算公式;在此基础上建立两种不同基层类型的路面结构仿真模型进行力学性能计算分析;研究面层及基层厚度变化对结构弯沉和面层结构疲劳寿命的影响规律。综合计算结果分析得到满足弯沉和面层疲劳破坏要求的、不同累计标准轴载作用次数下的基层最小厚度。

      

混合料搅拌                  混合料烘箱短期老化

 

    (五)分析了沥青混合料疲劳破坏机理、疲劳破坏形成阶段以及影响沥青混合料疲劳行为的各种因素;提出采用间接拉伸试验来研究沥青混合料疲劳性能,通过室内试验在不同温度条件下(10℃、20℃、30℃)进行AC-13、AC-20、AC-25三种典型沥青混凝土的疲劳试验;采用三参数威布尔分布数理统计分析方法对试验结果进行分析,研究应力水平、试验温度条件对沥青混合料疲劳性能以及疲劳特征参数的影响规律;提出了应力控制模式下以计算横向应变建立应变疲劳方程的方法,在此基础上构建沥青路面结构疲劳破坏预估模型。

   

AC13沥青混合料三种温度下的永久变形曲面

    (六)铺筑了三种典型沥青路面类型的室内试槽足尺试验路结构,采用内置应变传感器测定重复车辆荷载作用下的结构应变响应数据,研究分析了实际车辆轴载作用下沥青路面响应规律;与数值仿真模型计算结果对比证明了理论计算的合理有效性。

   

抗弯拉试验及疲劳试验图

    (七)建立了基于疲劳累积损伤原理的沥青路面使用寿命预估的新方法。以气候分区II区为例,计算了不同路面温度区间、不同轴载等级下沥青路面面层底部应变响应,利用室内试验提出的疲劳破坏预估模型以及设计年限内沥青路面不同温度区间、不同轴载等级的各工况下轴载作用次数分析出II区高等级公路疲劳累积损伤值,最终建立了该气候分区内高速公路沥青路面使用寿命预估模型,提出相应的沥青路面疲劳极限设计方法。

      

面层摊铺                            面层碾压

五、社会经济效益

    目前,早期破坏是影响沥青路面发展的一个重要问题,即在路面没有达到使用期限时就出现了破坏,如车辙、裂缝、推移、拥包等。严重时在路面通车两、三年后即出现了大面积破坏,不得已进行全线罩面。

    按传统的设计方法,一般来说在高速公路沥青路面投入使用5~7年左右需要进修小规模的修补,在使用9~10年左右需要进修大规模修补。预计小规模维修费用相当于初期总投资的1%~2%,大规模维修费用相当于初期总投资的3%~4%。以依托工程武昆高速公路为例,其全长64Km,建设总投资52.4亿元,为双向四车道高速公路。由于桥隧比例较高,路面造价占总投资额的5~6%,约为2.8亿元(扣除桥梁隧道部分)。在15年的路面设计年限内,按通车5年后每两年进行一次2.5cm的罩面(小规模修补),需要资金约0.86亿元,期间进行一次面层结构的全部更换(大规模修补),需要资金约2.0亿元,在路面设计年限内其维修总额约需2.86亿元。

    采用基于疲劳极限的沥青路面设计方法设计出的沥青路面预计在使用期内不会出现大规模维修,预计在使用8~10年左右出现小规模修补。以上例来看,只需对路面进行定期小规模修补和预防性养护,总资金额约为1.0亿元,路面维修费用较传统设计节约1.86亿元,占总投资额的3.5%。如按云南省每年高速公路200亿的建设投资规模计算,建成通车后全省预计可节约养护资金7~10亿元,不仅大幅减少了道路维修养护费用,减少了对自然环境材料的消耗,且具有实现沥青路面使用寿命预估的快速简便、预估成本低廉的优势,项目研究成果丰富了我国高速公路沥青路面设计理论,有助于推动高速公路沥青路面结构朝更合理、更实用的方向发展。

 
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