一种半刚性基层沥青路面结构性维修设计方法

摘要

本发明公开了一种半刚性基层沥青路面结构性维修设计方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：根据路面状况指数PCI对路表开裂情况进行评级，对于开裂情况中等及以上的沥青路面通过落锤式弯沉仪FWD配合路面钻芯取样，获得路面各个结构层的设计参数；所述参数包括旧路各结构层的厚度及模量；检测加铺层沥青混合料的疲劳性能，可通过测试体积参数并带入经验公式进行预估，也可通过室内疲劳试验实测获取；建立3D路面加铺结构有限元模型，计算裂缝位置处沥青加铺层底部最大等效应变εVM，将εVM代入疲劳方程并采用环境修正系数对路面疲劳寿命加以修正，最终得到沥青加铺层的厚度。

说明书

技术领域

本发明涉及一种沥青路面维修设计方法，具体涉及一种半刚性基层沥青路面的结构 性维修设计方法。

背景技术

截止2013年底，中国的高速公路已突破10万公里，总里程跃踞世界第一。从上世 纪九十年代开始，中国进入了公路建设快速发展的时期，尤其是1998年中国实施积极 的财政政策以来，公路建设开工项目之多、投资数量之大举世瞩目。公路建设不仅是国 民经济的支柱产业，更是能源与资源的消耗大户，面临着资源节约与环境保护的艰巨任 务和重要责任。

半刚性基层沥青路面作为我国公路路面的主要结构形式，其在寿命周期内的使用性 能直接决定了路网的服务水平。在交通荷载和自然因素的反复作用下，路面结构性能逐 渐下降，最终导致无法满足荷载使用要求。同时，为满足不断增加的交通量，必须采取 相应的补强和改建措施，使路面的结构性能得以恢复，甚至提高。据估算，当前我国每 年约有12％的沥青路面需要维修，而国内常规的结构性维修设计方法基本上是依据新建 沥青路面设计规范当中的设计思路对各结构层底部力学响应进行简单验算，设计指标过 于单一，无法反映旧路加铺维修后的服务寿命。因此，有必要在现有研究的基础上进一 步提出半刚性基层沥青路面的结构性维修设计方法，明确公路改建设计时不同维修方案 所对应的使用年限，以使得公路工程维修决策更加科学合理。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种半刚性基层沥青路面 结构性维修设计方法，通过计算不同沥青层加铺厚度对应的改建路面结构使用寿命，分 析沥青路面的合理加铺厚度，解决了现有技术的不足。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种半刚性基层沥青路面 结构性维修设计方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：根据路面状况指数PCI对路 标开裂情况进行评级，对于开裂情况中等及以上的沥青路面通过落锤式弯沉仪FWD配 合路面钻芯取样，以获得路面各个结构层的参数；所述参数包括各结构层的厚度及模量； 沥青加铺层(4)的混合料疲劳性能可通过测试体积参数并带入经验公式进行预估，也 可通过室内疲劳试验实测获得；建立3D路面加铺结构有限元模型，计算裂缝(5)位置 处沥青加铺层(4)底部最大等效应变ε_VM，将ε_VM代入疲劳方程并采用环境修正系数对 路面疲劳寿命加以修正，最终得到沥青加铺层的(4)厚度。

进一步的，路面各个结构层包括路基(1)、旧路半刚性基层(2)和旧路沥青面层 (3)；

获得所述路面各个结构层的参数具体方法为：通过落锤式弯沉仪FWD反算或采用 有损检测方式取得路基(1)、旧路半刚性基层(2)、旧路沥青面层(3)的回弹模量， 并通过探地雷达GPR或钻芯取样方式获得路面各层厚度参数，作为路面加铺维修的设 计参数；所述模量及厚度应将具有95％保证率的下分位值作为参数代表值。

进一步的，加铺沥青层(4)混合料的疲劳性能评价方法，具体方法为：

针对配合比设计完成后的沥青混合料进行室内小梁弯曲疲劳试验获得其抗疲劳性 能，根据试验结果对疲劳方程式N_f＝a(1/ε₀)^b中的相关参数进行修正；式中，N_f为加 载的重复荷载作用次数，ε₀为沥青混合料小梁底部中心位置的拉应变，a、b为材料的 疲劳性能参数。

进一步的，裂缝(5)位置处沥青加铺层(4)底部最大等效应变ε_VM的计算方法具 体为建立3D有限元模型，并带入下式进行计算：

${ϵ}_{\mathrm{VM}}=\sqrt{\frac{1}{2}[{({ϵ}_1-{ϵ}_2)}^2+{({ϵ}_2-{ϵ}_3)}^2+{({ϵ}_1-{ϵ}_3)}^2]}$

式中ε₁、ε₂、ε₃分别表示第一主应变、第二主应变及第三主应变。

进一步的，环境修正系数的具体计算方法为：调查公路工程所在地的气象资料， 所述气象资料包括当地的设计最高温度、设计最低温度以及当地的月平均气温；所述设 计最高温度为当地近7天最高平均气温；所述设计最低温度为当地年极端最低气温；根 据气象资料分别计算老化修正系数、温度修正系数和现场修正系数。

有益效果：本发明基于3D有限元仿真计算，建立半刚性基层沥青路面加铺有限元 模型，提出了沥青路面结构性维修设计方法及步骤，适用于对不同地区的旧沥青路面进 行加铺设计及验算，根据路面的实际路面使用状况计划使用年限来确定合适加铺厚度。

附图说明

图1为本发明所需建立的加铺路面结构3D模型示意图；

图2为本发明的流程图。

图中：1-路基，2-旧路半刚性基层，3-旧路沥青面层，4-加铺沥青层，5-裂缝。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如图1和图2所示为一种半刚性基层沥青路面结构性维修设计方法，现结合说明 书附图和实例对本发明做更进一步的说明：

(1)根据式1，采用路面状况指数PCI评价旧路沥青面层3的开裂严重程度：

PCI＝100-15×DR^0.412    (1)

式中，DR为路面综合破损率，计算公式为：

DR＝D/A＝ΣΣD_ijK_ij/A    (2)

式中，D为路段内的综合破损面积(m²)，A为路段的总面积(m²)，D_ij为第i类损 坏j级严重程度的实际破损面积(m²)，K_ij为第i类损坏j级严重程度的换算系数，其中 纵向、横向裂缝其破损面积为裂缝长度(m)×0.2m，车辙破损面积为裂缝长度(m)× 0.4m。

路面状况指数PCI的数值范围在0～100，值越大代表路面使用状况越好。路面状况 的使用标准如表1所示：

对于PCI指数为中级以上的半刚性基层沥青路面，此时路表裂缝小于10％，适用于 本发明的沥青路面加铺维修设计方法；如PCI指数仅为次、差等，宜将沥青路面铣刨重 修，此时可直接参照新建沥青路面的设计规范。

(2)通过落锤式弯沉仪FWD反算或采用有损检测方式取得路面材料的回弹模量， 并通过探地雷达GPR或钻芯取样方式获得路面各层厚度参数，作为路面加铺维修的设 计参数。在回弹模量检测过程中，应尽可能多地检测路面开裂程度严重的位置，回弹模 量及厚度应将具有95％保证率的下分位值作为设计参数代表值。

(3)调查公路工程所在地的气象资料，获得当地的设计最高温度(7天最高平均气 温)和设计最低温度(年极端最低气温)，以及当地的月平均气温。

(4)加铺层沥青混合料材料的选择及性能测试。加铺沥青层4的抗反射裂缝能力与 沥青混合料的抗疲劳性能密切相关。对于条件允许的工程项目，宜针对配合比设计完成 后的沥青混合料进行室内小梁弯曲疲劳试验获得其抗疲劳性能，根据试验结果对疲劳方 程式3中的相关参数进行修正：

N_f＝a(1/ε₀)^b    (3)

式中，N_f为加载的重复荷载作用次数，ε₀为沥青混合料小梁底部中心位置的拉应 变，a、b为材料的疲劳性能参数。

沥青混合料的疲劳方程也可通过室内试验测得其体积参数，根据经验公式(式4～ 式7)进行计算：

N_f＝2.738×10⁵×e^0.077VFB(ε₀)^-3.624(S₀")^-2.72    (4)

S₀＝8.56(G₀)^0.913    (5)

$\sin \left({\phi }_{s_0}\right)=1.040{\left(\sin {\phi }_{G_0}\right)}^{0.817}---\left(6\right)$

S₀"＝81.125(G₀”)⁰_.⁷²⁵    (7)

其中，VFB为沥青饱和度(％)，ε₀为沥青层底拉应变，S₀"为损耗模量。S₀"在测 试时，小梁弯曲疲劳试验采用的试件为6.35cm宽、5.1cm高，38.1cm长的小梁，三点 加载支撑跨径35.6cm。

(5)计算沥青加铺层4底部含裂缝5位置处的最大等效应变ε_VM。由于维修前旧 路沥青面层3存在一定程度裂缝5，在加铺维修之后，开裂位置处的加铺沥青层4底部 的力学响应较大，易导致反射裂缝的产生和扩展。因此，须通过建立3D路面有限元模 型(图1)，将步骤(2)中的实测参数带入模型当中，验算加铺沥青层4底部含裂缝5 位置处的最大等效应变ε_VM，ε_VM的定义如式8：

${ϵ}_{\mathrm{VM}}=\sqrt{\frac{1}{2}[{({ϵ}_1-{ϵ}_2)}^2+{({ϵ}_2-{ϵ}_3)}^2+{({ϵ}_1-{ϵ}_3)}^2]}---\left(8\right)$

式中，ε_VM为最大等效应变，ε₁、ε₂、ε₃为第一主应变、第二主应变和第三主应变。

(6)计算环境修正系数。环境修正系数根据功能的不同分为老化修正系数AF、温 度修正系数TF和现场修正系数FF，分别根据式9～式12

AF＝0.0363T_max+0.3    (9)

TF＝0.09RCT+2.55    (10)

RCT＝T_min+0.5(T_av-mean-T_min)    (11)

FF＝e^0.2303PC    (12)

式中，T_max为设计最高温度，T_min为设计最低温度，T_av-mean为月平均温度的均值， RCT为裂缝反射温度，℃；PC为裂缝密度，％。

(7)计算标准轴载作用次数ESALs。

ESALs＝AF×TF×FF×a×(1/ε_VM)^b    (13)

实施例：以华东某公路工程维修改建工程为例，通过调研旧路的路表开裂情况，确 定该公路的路表状况指数PCI＝60，评级为中等，可通过加铺新沥青面层对原路面进行 维修。采用落锤式弯沉仪进行弯沉测试并反算得到旧路面结构设计参数，路基1回弹 模量E₀＝50MPa，旧路半刚性基层2的等效回弹模量E₁＝2000MPa，基层厚度H₁＝0.5m， 旧沥青面层3的模量E₂＝3500MPa，厚度H₂＝0.18m。加铺沥青层4采用的沥青混合料 AC13，通过室内试验获得其动态弯拉模量E₃＝4000MPa，并通过室内小梁弯曲疲劳试 验修正其疲劳方程公式(3)中的相关参数a、b，得到其疲劳方程如式14：

N_f＝6.45×10²⁰(ε₀)^-5.93    (14)

建立半刚性基层3D有限元模型(图1)，加铺沥青层4设计厚度为H₃，计算裂缝5 上方最大等效应变ε_VM，不同加铺厚度H₃所对应的ε_VM如表2所示。

调研当地的气象资料，得到该地区设计最高温度T_max为45℃，设计最低温度T_min为-10℃，月平均温度均值T_av-mean为20℃。分别计算老化修正系数AF、温度修正系数 TF和现场修正系数FF，并将设计年限末期的裂缝密度PC值定为5％，进行计算分析。 代入式9～式12，分别得到AF＝1.9335，TF＝2.65，RCT＝60，FF＝3.163。综合以上数据， 获得不同加铺厚度所对应的疲劳寿命如表2所示，根据表2中路面设计轴载作用次数 即可确定沥青层的合理加铺厚度。

表2不同沥青层加铺厚度的使用寿命

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员 来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也 应视为本发明的保护范围。