沥青路面车辙预估的室内试验预估方法

摘要

本发明公开一种沥青路面车辙预估的室内试验预估方法，此方法充分利用室内试验方法、数值分析方法和气候、交通调查数据，把材料参数、材料的变形规律、温度条件和交通状况四个决定沥青路面车辙发展规律的因素有机的结合在一起，进行了沥青路面车辙深度的准确预估。并以江苏省汾灌高速公路为例，说明了本发明的具体实施方式。本发明拓展了现有的沥青路面车辙预估方法，可以为路面管理养护部门提供科学决策，对降低路面检测费用和维修成本具有重要的现实意义。

说明书

技术领域

本发明属于沥青路面路用性能测试和评价的应用技术领域，具体涉及一种沥青路面车辙深度的预估方法。

背景技术

车辙是沥青路面主要病害之一，它影响路面的平整度，降低路面的使用品质，如果车辙累积过快，则直接影响路面的使用寿命。20世纪70年代末，美国AASHTO发起的在各州进行的沥青路面损坏调查表明，在被调查的44条主要公路中就有13条公路的破坏是由车辙引起的，占被调查总数的29.5％。20世纪80年代，据日本调查，累计交通量超过300万辆的道路上，车辙深度大于10mm的占50％以上，需要进行维修处理的沥青路面，80％以上是由于车辙过深而造成的。我国近几年来经济发展迅速，道路交通量及交通荷载不断增加，车辆行驶渠化现象突出，这些因素促使沥青路面在较短的使用年限内产生过大的车辙。因此，进行沥青路面抗车辙性能评价和路面车辙预估的研究，对我国沥青路面结构、材料设计与养护管理具有重要的理论意义和使用价值。

由于沥青混合料所固有的粘弹性、沥青路面高温特性影响因素的多样性、路面车辙形成的复杂性等，使得车辙预估成为世界性的难题。目前，国内外基本上形成了三种车辙的预估方法：经验法、理论法和半经验-半理论法。从试验路测定数据通过回归分析得到的经验性模型，针对性较强，在特定条件下预估精度较高，比较符合该路段的实际情况。但其缺点是没有考虑路面结构的整体效应，经验公式的建立需要投入大量人力、物力，且预估车辙的公式外延性差，适用面窄，通用性差，要加以推广存在着一定的困难。采用基于弹性层状体系、粘弹性和粘弹塑性的理论法进行车辙预估，结果与实际观测值存在着一定的差异。而半经验-半理论法根据弹性层状体系理论或粘弹性层状体系理论，来计算路面的应力和位移，通过实验统计出沥青路面车辙与弯沉、荷载、材料特性、路面结构参数的经验关系式，它兼顾了经验法和理论法在预估车辙深度方面的优点。

半经验-半理论法的代表性模型为Jacob Uzan提出的车辙预估模型和AASHTO 2002设计指南提出的力学经验法预估模型。它们虽考虑了路面结构的整体效应，但应用的力学理论不尽合理，且有些计算参数的确定很不方便，也未得到广泛应用。因此，建立一种沥青路面车辙深度的预估方法具有十分重要的现实意义。

发明内容

发明目的：本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种沥青路面车辙深度的室内试验预估方法。

技术方案：本发明所述的沥青路面车辙深度的预估方法，是以室内沥青混合料试验为基础、结合理论分析和路面温度场、气温数据，对沥青路面进行车辙预估的室内推演。该推演法包括如下步骤：

1)在40～60℃的不同温度T、0.4～1.0MPa不同偏应力P₀下进行沥青混合料的局部加载试验，获得沥青混合料永久变形RD与试验温度T、荷载作用次数N和偏应力P₀的数据；采用SPSS数据处理软件，对试验数据按照公式拟合得到反映材料特征的四个参数a，b，c和d；其中，a为在温度1℃、1MPa荷载作用一次时的沥青混合料变形，b是温度系数，c为反映荷载作用次数对混合料永久变形影响的轴次系数，d为荷载系数；

2)调查收集沥青路面车辙预估路段的高温季节典型气温和路面温度场、交通轴载数据并进行轴载换算；采用路面分析软件，获得轴载随路面深度的变化规律；

3)采用分层总和的思想，以1cm为基础，将沥青面层划分为若干亚层，按公式计算沥青路面车辙的预估值；其中，RD是沥青混合料永久变形，T为试验温度，N为荷载作用次数，P₀为偏应力。

所述步骤1)所述的沥青混合料是沥青路面中采用的材料类型。

步骤2)所述的高温季节典型气温为选择一天24h的平均气温T_avg或最高气温T_max作为沥青路面车辙的计算与预估的温度条件。

有益效果：本发明是预估沥青路面在车辆荷载作用下形成车辙深度的预估方法，也是进行路面车辙病害处理决策的依据，发明在以下几方面具有明显的优势。

(1)本发明充分利用室内试验方法、数值分析方法和气候、交通调查数据，把材料参数、变形规律、温度条件和交通状况四个决定沥青路面车辙发展规律的因素有机的结合在一起，为准确预估沥青路面的车辙深度提供了新方法。

(2)本发明预估得到的沥青路面车辙深度可以作为路面管理部门养护维修决策的重要依据，从一定程度上节约路面实际观测调查的成本和养护费用。

附图说明

图1为汾灌高速的典型气温和最高气温。

图2为沥青路面车辙模拟值与试验值的比较。

具体实施方式

本发明所述的沥青路面车辙预估的室内试验预估方法，具体包括如下步骤：

1)在40～60℃的不同温度T、0.4～1.0MPa不同偏应力P₀下进行沥青混合料的局部加载试验；建立沥青混合料永久变形RD与试验温度T、荷载作用次数N和偏应力P₀的定量关系；

2)调查收集沥青路面车辙预估路段的高温季节典型气温和路面温度场、交通轴载数据并进行轴载换算；采用路面分析软件，获得轴载随路面深度的变化规律；

3)采用分层总和的思想，以1cm为基础，将沥青面层划分为若干亚层，按公式计算沥青路面车辙的预估值。其中，RD是沥青混合料永久变形，T为试验温度，N为荷载作用次数，P₀为偏应力，a，b，c和d为反映材料和试验条件的参数。其中，a为温度1℃、1MPa荷载作用一次时的沥青混合料变形，b是温度系数，c为反映荷载作用次数对混合料永久变形影响的轴次系数，d为荷载系数。

所述步骤1)所述的沥青混合料是沥青路面中采用的材料类型。

步骤2)所述的高温季节典型气温为选择一天24h的平均气温T_avg或最高气温T_max作为沥青路面车辙的计算与预估的温度条件。

具体为：

(1)在不同温度T(40～60℃)、不同偏应力P₀(0.4～1.0MPa)下进行常见沥青混合料的局部加载试验；

(2)采用数值分析方法，根据沥青混合料永久变形RD与试验温度T、荷载作用次数N和偏应力P₀的定量关系拟合得到反映材料特征的四个参数a，b，c和d，这是室内试验推演法进行车辙预估的关键。其中，a为温度1℃、1MPa荷载作用一次时的沥青混合料变形，b是温度系数，c为轴次系数，d为荷载系数；

(3)调查收集沥青路面车辙预估路段的高温季节典型气温和路面温度场、交通轴载数据(并进行轴载换算)；采用路面分析软件，获得轴载随路面深度的变化规律；

(4)采用分层总和的思想，以1cm为基础，将沥青面层划分为若干亚层，按公式计算沥青路面车辙的预估值；

(5)对比该路段历年车辙测试数据，对上述车辙预估值进行修正，以获得最终的车辙预估结果。

下面结合附图，以江苏省汾灌高速公路为实施例，对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。

实施例：汾灌高速公路车辙预估的室内推演法，包括如下步骤：

(1)室内的局部加载试验与永久变形规律

汾灌高速公路的路面结构面层组成为：4cm SMA-13(改性沥青)+6cm Superpave-20(普通沥青)+8cm Superpave-25(普通沥青)。在路面结构的车辙预估中，路面结构层材料全部采用Superpave-20(改性沥青)混合料来代替。

实验室内进行不同温度T(40～60℃)、不同偏应力P0(0.4～1.0MPa)下的局部加载试验，试验结果如表1所示。

表1Superpave-20沥青混合料的局部加载试验结果汇总

注：“模拟永久变形结果(mm)”系按公式(3)计算的结果。

对于上表试验数据，可采用数值分析方法(如利用Origin软件)，建立Superpave-20沥青混合料永久变形RD与试验温度T、荷载作用次数N和偏应力P₀的定量关系

标准轴载下(P₀＝0.7MPa)的永久变形拟合公式为：

RD＝1.68*10^-4T^1.862N^0.114(R²＝0.999)(1)

值得注意的是，上述沥青路面永久变形拟合公式是在试件高度为7.5cm时获得的。如果在沥青路面车辙预估中，以每1cm为基础，则上述永久变形公式应近似除以7.5，即：

RD＝1.68*10^-4T^1.862N^0.114/7.5(R²＝0.999)     (2)

＝2.24*10^-5T^1.862N^0.114

各种轴载下(P₀＝0.4MPa、0.7MPa和1.0MPa)的永久变形拟合公式为：

$\mathrm{RD}=5.24*{10}^{-7}*T^{3.28}{N}^{0.25}{P}_0^{2.363},(R^2=0.856)---\left(3\right)$

同样，以1cm为基础进行沥青路面车辙预估时，上述永久变形拟合公式应除以7.5，即：

$\mathrm{RD}=6.99*{10}^{-8}*T^{3.28}{N}^{0.25}{P}_0^{2.363},(R^2=0.856)---\left(4\right)$

(2)气候、交通数据的调查

通过查阅“中国气象科学数据共享服务网”(http://cdc.cma.gov.cn/)，可以获得赣榆气象站30年的气象资料，如表2所示。

表2赣榆气象站30年的气象资料汇总

根据已有研究发现，沥青路面车辙主要发生在每年的高温季节，故此可选择该期间一天24h的典型(平均)气温T_avg或最高气温T_max作为温度边界条件以进行沥青路面车辙的计算与预估。

汾灌高速主要承担山东和江苏之间的货运交通运输，为双向四车道。汾灌高速公路苏鲁主线收费站2003～2009年间统计的交通量资料(车辆分为六种车型，划分标准见表3)，如表4所示。

表3不同车型分类表

表4汾灌高速公路苏鲁主线收费站车辆分型统计表

表4对交通量仅仅进行了总量上的统计，进行车辙预估时需进行轴载换算，各种车型的换算系数见表5，总的交通量及高温季节等效车辙交通量见表6。

表5不同车型换算成标准轴载的当量系数(弯沉控制)

注：上述数据取自《江苏省高速公路轴载谱的调查研究》报告。

表6汾灌高速公路等效交通量统计表(取入口)

注：①表中单位为次。②表中等效车辙交通量的计算依据为：根据交通量的实测月调节系数资料，可知高温季节(6、7、8、9月)交通量的折减系数为0.357；连续高温分布的影响系数约为0.5；交通量在各出入口的分布系数约为0.8；荷载在车道横向的分布系数约为0.8。即总折减系数为：0.357*0.5*0.8*0.8＝0.114。

将上述每年的累积交通量进行叠加，可以获得用于沥青路面车辙计算的累积交通量，如表7所示。

表7用于沥青路面车辙计算的累积交通量(万次)

此外，通过调查，获得了汾灌高速公路1天24h不同时段轴载次数的比例，如表8所示。

表81天24h内不同时段轴载的累积作用次数所占比例

(3)车辙深度预估

由于沥青路面结构各层次的荷载传递扩散作用，行车荷载在沥青路面结构中随深度增加逐步衰减，这将直接影响到沥青路面车辙的大小。为了更好地进行沥青路面车辙的预估，将沥青路面结构中的沥青层按每1cm进行层次划分，即18cm厚的沥青层细化为18个1cm厚的亚层，然后以1cm为基础，按照下式进行沥青路面的车辙模拟：

对于上式中的沥青路面各结构层中的温度T_i和垂直压应力P_0i，分别采用温度场测试和路面分析软件(Bisar)计算获得，按照上述公式进行沥青路面模拟的结果如表9、表10和图2所示。

可以看出，在典型气温条件下，沥青路面车辙模拟值(推演值)要小于实测值；在最高气温条件下，沥青路面车辙模拟值(推演值)与实测值基本相当，偏差均保持在1.0mm以内。这表明，采用室内试验推演法进行沥青路面车辙的预估是基本可行的，可以满足工程使用要求。

表9汾灌高速公路沥青路面车辙模拟结果(典型气温)

表10汾灌高速公路沥青路面车辙模拟结果(最高气温)

为应用方便，可提出采用室内试验推演法的汾灌高速公路沥青路面车辙预估公式(典型气温条件下，沥青路面车辙实测值为室内试验推演值的1.5倍)：

$\mathrm{RD}=\Sigma 1.05*{10}^{-7}*T_i^{3.28}{N}^{0.25}{P}_{0i}^{2.363}---\left(6\right).$