[发明专利]半刚性基层沥青路面控制疲劳设计方法

说明书

技术领域

本发明涉及道路工程领域，具体提供一种半刚性基层沥青路面控制疲劳设计方法。

背景技术

半刚性基层沥青路面是我国高等级公路主要路面结构形式。随着交通量和车辆轴载的不断增加，半刚性基层沥青路面疲劳破坏问题日益严重。如何有效控制路面结构疲劳损伤，成为半刚性基层沥青路面结构设计亟待解决的技术难题。半刚性材料层（水泥稳定碎石、石灰-粉煤灰碎石等）在车辆荷载反复作用下其模量有不断衰减的特性，由于没有构建与疲劳预估模型力学指标相关的半刚性材料模量衰减模型，现行沥青路面设计方法无法考虑这种模量的衰减对沥青层疲劳损伤的影响（如我国以弯沉为指标的设计方法）。而用一个不变的初始模量代替整个基层疲劳损伤过程的模量水平，无法反映路面结构实际的受力和损伤状态，这就大大降低了沥青路面设计的可靠性，导致设计过于保守或趋于风险，对路面结构疲劳起不到有效的控制作用。

发明内容

本发明的技术任务是针对上述现有技术的不足，提供一种半刚性基层沥青路面疲劳控制设计方法。利用该方法设计的路面不易发生过早结构疲劳损坏，可在设计期内将疲劳开裂有效控制在容许的范围内。

本发明的半刚性基层沥青路面疲劳控制设计方法，以沥青层累积疲劳损伤为设计指标，将模量衰减模型与疲劳预估模型相结合，基层模量衰减过程纳入沥青层的疲劳分析中，从而在设计期内有效控制疲劳开裂水平，并且达到设计路面结构经济耐久的目标。

该设计方法包括以下步骤：

1）确定半刚性基层材料弯拉模量衰减模型和疲劳预估模型

所述半刚性基层材料弯拉模量衰减模型指重复加载作用下材料弯拉模量由疲劳应力水平和加载次数确定的函数关系式；

所述疲劳预估模型是指达到破坏时的循环加载次数由疲劳应力水平确定的函数关系式；

2）初拟路面结构组合和结构设计参数

初拟路面各结构层厚度和结构层设计参数，所述设计参数包括各层材料初始弯拉模量、泊松比、半刚性基层材料弯拉强度和设计年限车道累计标准轴载作用次数；

3）计算引起半刚性基层疲劳开裂的累计标准轴载作用次数

根据步骤2）拟定的路面各结构层厚度及相应结构设计参数，结合弹性层状力学理论计算应力水平，代入步骤1）确定的疲劳预估模型得到半刚性基层疲劳开裂累计标准轴载作用次数；

4）计算半刚性基层弯拉模量衰减过程

根据步骤3)确定的应力水平及半刚性基层疲劳开裂累计标准轴载作用次数，代入步骤1）确定的弯拉模量衰减模型计算半刚性基层随轴载作用次数增加弯拉模量的衰减过程；

当累计标准轴载作用次数超过步骤3）所确定半刚性基层疲劳开裂累计标准轴载作用次数后，此时半刚性基层已经疲劳开裂，弯拉模量取固定值，取值为初始模量的3~8%；

5) 计算沥青层累积疲劳损伤

将步骤4）所得半刚性基层弯拉模量，连同其他结构层的模量参数，输入弹性层状力学理论模型计算沥青层底弯拉应变，并通过沥青层疲劳预估模型和Miner损伤原理计算沥青层在设计累计标准轴载作用下的累积疲劳损伤；

6）判断沥青层累积疲劳损伤是否小于设计控制标准

如果步骤5）所得沥青层累积疲劳损伤小于设计控制标准，则满足疲劳控制设计要求，否则调整路面各结构层厚度及相应结构设计参数，重新进行计算，如此反复迭代，直到满足设计要求为止。

步骤1)中所述弯拉模量衰减模型和疲劳预估模型均优选通过重复加载四点弯曲梁疲劳试验确定。

所述模量衰减模型优选用指数模型进行回归。

步骤6)中所述沥青层疲劳累计损伤控制设计标准优选为0.1。

本发明的半刚性基层沥青路面疲劳控制设计方法与现有技术相比具有以下突出的有益效果：

（一）                   该方法考虑模量衰减对沥青层疲劳损伤的影响，可避免结构性的早期疲劳损坏，有效控制设计期内路面疲劳破坏程度，达到路面结构设计经济耐久的目标，可大量节约资源，消除维修造成的交通压力；

（二）                   弯拉模量衰减过程计算方法，克服了现有技术中用当量方法无法真实反映路面结构实际受力和损伤状态的问题，保证了路面设计的可靠度；

（三）                   基于模量衰减的累积疲劳损伤分析方法，可预估设计期内路面性能变化过程，并根据交通荷载情况随时调整预估模型，可为路面运营阶段预防性养护提供决策依据，从而有效延长路面结构使用寿命。

附图说明