一种基于材料损伤累积水平的沥青路面寿命评估方法

摘要

本发明涉及一种基于材料损伤累积水平的沥青路面寿命评估方法，通过将运营中的路面经受交通荷载循环、低温和冻融循环三种作用进行量化，采用给定的计算方法计算出路面损伤累积水平，即可评估路面寿命。本发明提供的路面寿命评估方法体现了路面病害发展的过程，在路面无裂缝、车辙、坑槽等病害时，即可确定所需的路面预防性养护措施。根据本发明能够对各等级公路、城市道路、厂区道路、机场跑道等在使用过程中产生的结构内部损伤累积状况快速、准确评定，为提早发现路面结构内部的隐性病害，防止道路表观病害的迅速扩展提供依据。

说明书

技术领域

本发明涉及一种路面寿命评估方法，特别是涉及一种基于路面材料损伤累积水平的沥青路面寿命评估方法。

背景技术

路面结构作为一个暴露在自然环境下的构造物，不但经受温度、雨水、风等自然条件作用，同时要承受不断增加的交通荷载的重复作用，沥青路面出现各种各样的病害现象将是必然的，只是出现病害的时间长短问题，而目前最重要的是如何通过科学、快速、合理的检测手段对在现有的设计体系下设计的路面结构，发生的病害进行早期检测，然后对需要采取日常养护、罩面、加铺、补强等不同养护措施的期限进行合理的预估，同时对路面的使用状况进行合理的评估，为管理者提供一个及时、恰当、有效的养护措施决策方案，确保能够延长沥青路面的使用期限。

随着作用次数的增加，路面结构材料内部的微损伤要进一步发展，这些损伤一旦累积到一定程度就会导致路面出现形变和破坏，即出现路面表观破损。路面在使用初期阶段，其损伤的累积处于微量水平，以后相互结合起来逐渐显现，最终导致宏观上的破坏。

从损伤力学和断裂力学角度分析路面病害发生的机理可知，路面整体结构在经受荷载作用时，路面的整体结构将要发生不同程度、不同类型的损伤，但是，目前只有在路面结构设计时设计者才考虑材料的抗裂、抗拉、抗弯、抗水损、抗老化等性能，而在路面发生病害时不论从检测方法、技术、指标，还是评价体系来看，都停留在路面结构表面，却很少对结构内部损伤累积程度进行分析评价。这样很可能出现下面的情况：当两条路的路面结构组合、路面表观状况完全相同的情况下，一条路在4年后就需要进行中修养护，而另一条路可能在6年后才需要进行中修养护。即沥青路面的实际性能不仅与沥青混合料自身材料性能及表观状况有关，而且与沥青结构内部损伤累积水平有关。针对这种状况，在进行沥青路面状况评价时除了考虑沥青路面材料的性能之外，还应考虑到沥青路面使用过程中产生的结构内部损伤累积状况。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：为提早发现路面结构内部的隐性病害，防止道路表观病害的迅速扩展，本发明提供一种沥青路面使用过程中产生的结构内部损伤累积评估方法。

为了解决上述问题，本发明采用的技术方案是：

一种基于材料损伤累积水平的沥青路面寿命评估方法，其特征在于，将运营中的路面经受荷载和气候作用分为交通荷载循环、低温和冻融循环三种作用进行量化，统计计算出路面损伤水平，即可评估沥青路面寿命；具体实施步骤如下：

(1)计算沥青路面在交通荷载循环作用下的工作能力水平：统计实施路段历年逐月的交通轴载实际作用次数，将其与经力学计算确定的设计荷载作用次数进行对比分析，确定出沥青路面在交通荷载作用下的工作能力水平；

(2)计算沥青路面在低温作用下的工作能力水平：通过实测得到设计服务期内最大降温幅度下的作用次数，通过计算确定沥青路面结构层所能承受的单日温度降幅为20℃循环的极限次数，综合确定出沥青路面在低温作用下的工作能力水平；

(3)计算沥青路面在冻融循环作用下的工作能力水平：通过统计沥青路面试件的吸水率和等效荷载作用次数，通过数学计算得出沥青路面在冻融循环作用下的工作能力水平；

(4)计算沥青路面总工作能力水平：由沥青路面在交通荷载作用下的工作能力水平、在低温作用下的工作能力水平和在冻融循环作用下的工作能力水平通过数学计算得出沥青路面总工作能力水平；

(5)计算沥青路面损伤水平：由沥青路面总工作能力水平计算沥青路面损伤水平；

(6)评估沥青路面寿命：由沥青路面损伤水平评估沥青路面寿命。

进一步，步骤(1)中，所述沥青路面在交通荷载循环作用下的工作能力F_tr可由式(1)确定；

$F_{tr}=1-\underset{i=1}{\overset{12}{\Sigma }}(1-F_i)---\left(1\right)$

式中：

F_tr—沥青路面在交通荷载循环作用下的工作能力水平；

i—为每年内的月份(如，1月，2月等)；

F_i—沥青路面在交通荷载作用下每个月的工作能力水平水平，按式(2)计算；

$F_i=1-\frac{N_i}{N_i^n}---\left(2\right)$

式中：

N_i—在设计年限内交通量的增长，第i月的累计交通轴载实际作用次数；

—考虑荷载作用循环和疲劳现象，由沥青路面结构层的应力和强度决定的第i个月的交通轴载的极限作用次数，由公式(3)确定；

$N_i^n={(\frac{R_c}{{\sigma }_{t\left(c\right)}}·n_{y\left(i\right)}^{-0.2})}^m---\left(3\right)$

式中：

m—与交通荷载有关的参数，沥青路面一般有上、中、下三层，上面层取8.5，中、下面层取16.2；

R_c—沥青路面材料的极限强度，通过温度为-10℃时，荷载加载速率为1mm/min、5mm/min和50mm/min的室内劈裂强度试验，经回归得出，MPa；

σ_t(c)—与R_c对应的结构层内最大拉应力，通过力学计算得到，MPa；

n_y(i)—表征在第i个月参与变形过程的弹性分量参数，采用式(4)进行计算；

$n_{y\left(i\right)}={\left(\frac{R_t}{R_c}\right)}^{1.25}---\left(4\right)$

式中：

R_t—沥青路面材料的室内劈裂抗拉强度的试验值(试验温度为当月路表平均温度，加载速率为50mm/min)，MPa。

进一步，步骤(2)中，所述沥青路面在低温作用下的工作能力F_tem可由式(5)确定；

$F_{tem}=1-\frac{N_{tf}}{N_{tf}^n}---\left(5\right)$

式中：

F_tem—沥青路面在低温作用下的工作能力水平；

N_tf—在设计服务期内，单日温度降幅为20℃的作用次数；

—沥青路面结构层所能承受的极限循环次数；

通过公式(6)计算：

$N_{tf}^n={\left(\frac{R_T}{{\sigma }_T}\right)}^p---\left(6\right)$

式中：

R_T—沥青路面在最不利条件下的极限强度，以马歇尔试件在温度为60℃，加载速率为0.01mm/min时的劈裂抗拉强度值表示，MPa；

p—沥青路面的疲劳强度指数，在温度应力的条件下取为12；

σ_T—低温作用下沥青路面中产生的拉应力，由式(7)计算确定；

${\sigma }_T=\frac{\alpha ·\Delta T·E_{dl}}{1-{\mu }^2}---\left(7\right)$

式中：

α—沥青路面的温度膨胀系数，℃^-1；

ΔT—环境温度在单日内的温度下降量，℃；

μ—沥青路面的泊松比，在零下低温范围内计算时，取为0.25；

E_dl—马歇尔试件在温度为60℃，加载速率为0.01mm/min的极限条件下的最低弹性模量，MPa。

进一步，步骤(3)中，所述沥青路面在冻融循环作用下的工作能力F_frs可由式(8)确定；

$F_{frs}=(1-f·\frac{n_B}{n_C}·\sqrt{2.5·S_a})·\left(\frac{e^{26.91-3.81·\lg \left(\frac{Ne}{k_N}\right)}}{1+e^{26.91-3.81·\lg \left(\frac{Ne}{k_N}\right)}}\right)---\left(8\right)$

式中：

F_frs—沥青路面在冻融循环作用下的工作能力水平；

f—对路面各结构层沥青路面抗冻能力分布的影响系数，上面层取为0.175，其他层取为0.07；

n_B和n_C—系数，分别为250和180；

S_a—沥青路面的吸水率，％；

N_e—设计年限内一个车道的累计当量轴次(次/车道)；

k_N—考虑到由于压缩应力的递减，对疲劳过程的影响减弱的系数，路面的上面层取为1，其他层取为1.25。

进一步，步骤(4)中，所述的沥青路面总工作能力水平F_tot由F_tr、F_tem和F_frs通过公式(9)得出；

F_tot＝F_tr-(1-F_tem)-(1-F_frs)(9)

式中：

F_tot—沥青路面总工作能力水平；

F_tr—沥青路面在交通荷载循环作用下的工作能力水平；

F_tem—沥青路面在低温作用下的工作能力水平；

F_frs—沥青路面在冻融循环作用下的工作能力水平。

进一步，步骤(5)中，所述的路面损伤累积水平，通过数学公式计算在交通荷载作用下的工作能力水平、在低温作用下的工作能力水平和在冻融循环作用下的工作能力水平，由式(10)计算；

$\psi =1-F_{tot}^{\left(a\right(1-F_{tot})-b)}---\left(10\right)$

式中：Ψ---路面结构层损伤累积水平；Ψ取值范围是(-1,1)，-1-表示路面性能比新建时有最大提升；0-表示路面完好，没有损伤；1-表示，路面已经完全被损坏(一般来说，路面的损坏量达到一定度以后，即不可再使用或需要修补)；

a,b—回归系数，分别为0.8和0.25；

路面一般分多层铺筑，从上到下每一层的材料损伤水平分别为Ψ₁、Ψ₂、Ψ₃、……Ψ_n，则路面整体结构层材料的损伤水平，按式(11)计算；

${\psi }^t=1-\sqrt[n]{\underset{j=1}{\overset{n}{\Pi }}(1-{\psi }_j^t)}---\left(11\right)$

式中：

Ψ^t—第t年路面结构层材料的损伤水平；取值范围是(-1,1)，-1-表示路面性能比新建时有最大提升；0-表示路面完好，没有损伤；1-表示路面已经完全被损坏(一般来说，路面的损坏量达到一定度以后，即不可再使用或需要修补)；

—第t年路面第j结构层损伤累积水平；取值范围是(-1,1)，-1-表示路面性能比新建时有最大提升；0-表示路面完好，没有损伤；1-表示，路面已经完全被损坏(一般来说，路面的损坏量达到一定度以后，即不可再使用或需要修补)；

j—路面结构层数，取值为1、2、3……n。

进一步，公式(2)中，考虑在设计年限内交通量的增长，第i年某个月的累计交通轴载实际作用次数N_i，由公式(12)计算；

N_i＝N_e/12(12)

进一步，步骤(6)中，采用建立相同等级路面损伤累计水平Ψ和路面损坏状况PCI的关系，以路面损坏状况指数PCI达到60分等级为基准，作为路面寿命终点，对应的损伤累积水平Ψ所用的年限t用以评估路面寿命。

本发明的积极有益效果：

1、本发明基于材料损伤累积水平的路面寿命评估方法，强调路面整体性能在整个使用期间不断衰变过程，通过评定温度、气候、交通荷载、水损等不确定因素的影响，克服了传统仅将外界因素作为既定条件输入的不足。

2、本发明提供的路面寿命评估方法体现了路面病害发展的过程，在路面无裂缝、车辙、坑槽等病害时，即可确定所需的路面预防性养护措施。

3、本发明提供的路面寿命评估方法与现有基于表面病害的路面状况评定相比具有预见性，可以提前预测路面病害状况。

4、本发明提供的检测数据可以作为《公路技术状况评定标准》(JTG H20-2007)的完善和补充。

附图说明

图1路龄(年)和路面结构损伤累积水平Ψ^t关系图；

图2路面结构损伤累积水平Ψ^t和路面损坏状况指数PCI的关系图。

具体实施方式

以下结合实施例进一步阐述本发明，但并不限制本发明的内容。

实施例为河南省新乡市的二级公路省道S229，通车1年时间，路面状况良好。首先对气温、交通量等基础资料进行调研。

实施例1

调查该二级公路所在区域近年来的月平均温度数据，并根据结果换算成路面表面层温度，路面温度计算结果于表1所示。

表1沥青路面平均温度计算结果T_i'

月份123456789101112T_i'℃0.366.7715.9328.5137.7146.0148.2146.0238.3227.2514.173.60

根据公路交通量调查结果，通车当年双向日平均当量轴次为2582次/日。该路段设计年限内交通量的平均年增长率为7.5％，车道系数取0.65。按照《公路沥青路面设计规范》(JTG D50-2006)，设计年限内(12年)一个车道的累计当量轴次(N_e)计算结果见表2。

表2设计年限内单车道累计当量轴次(N_e)

N_e1N_e2N_e3N_e4N_e5N_e6N_e7N_e8N_e9N_e10N_e11N_e12612580127110219790152740020355810144375385382933639923374917558666216992876111285998

表中，N_e1、N_e2、……N_e12分别设计年限为1年、2年……12年的累计当量轴次。

1、沥青路面在交通荷载循环作用下的工作能力F_tr计算

由于沥青路面在交通荷载作用下的工作能力水平每个月均不相等，因此沥青路面在交通荷载作用下每年的工作能力水平可由年内每月工作能力水平相加的方法确定。

在路面温度为每月平均温度、加载速率为50mm/min时，通过试验规程JTG E20-2011中T0716-2011方法计算出沥青路面结构层每个月的劈裂抗拉强度R_t，计算结果见表3。

表3沥青路面结构层每个月的强度

根据劈裂强度试验结果得知，沥青路面结构层的上面层结构的最大结构强度R_c为5.16MPa,下面层结构的最大结构强度R_c为3.47MPa。

表4表征在第i个月参与变形过程的弹性分量参数计算结果

通过计算弹性模量等于E_c时结构层的拉应力值σ_t(c)，得到上面层为0.85MPa，下面层为1.36MPa。则一年内每月交通荷载极限作用次数计算结果如表5所示。

表5一年内每月交通荷载极限作用次数

此处，不考虑一年中每个月的交通量随季节等因素变化的影响，即认为一年12个月中每个月承受的交通轴载作用次数是均等的由此计算第i年某个月的累计交通轴载实际作用次数N_i，见表6。

表6第i年某个月的累计交通轴载实际作用次数N_i

沥青路面在交通荷载循环作用下的工作能力F_tr，结果见表7。

表7沥青路面在交通荷载循环作用下的工作能力F_tr

2、沥青路面在低温作用下的工作能力F_tem计算

低温对沥青路面结构内部损伤累积过程的影响通常取决于沥青路面本身的热物理性能、变形性能、强度和疲劳性能。

低温作用下在沥青路面中产生的拉应力σ_T由力学计算得到，对应温度每小时下降3～5℃时的变形速率的沥青路面强度，上面层为0.26MPa，下面层为0.54MPa。

由试验和计算得到的低温作用下在沥青路面中产生的拉应力σ_T、沥青的极低温循环作用次数计算参数及结果见表8。

表8抗低温工作能力水平的计算

经调查，该区域每年经受外界单日温度降幅为20℃的作用次数为18次，则在t年内沥青路面经受的低温循环实际累积作用次数由为18t。

表9服务期内逐年路面实际经历的单日温度降幅为20℃的作用次数N_tf

在服务期内逐年沥青路面在低温作用下的工作能力F_tem，见表7。

表10服务期内沥青路面在低温作用下的工作能力F_tem

3、沥青路面在冻融循环作用下的工作能力F_frs计算

通过计算得到沥青在冻融循环作用下的工作能力F_frs，其计算参数及计算结果见表8。

表11沥青在冻融循作用下的工作能力F_frs

4、沥青路面结构损伤水平Ψ的计算

由沥青路面总工作能力水平计算公式(9)计算得到服务期内逐年的总工作能力水平如表12所示。

表12沥青路面逐年的总工作能力水平F_tot计算结果

由损伤水平计算公式(11)计算得到服务期内各结构层逐年的沥青路面结构内部损伤水平及第t年路面整体结构层材料的损伤水平Ψ^t，见表13，以路龄为横坐标，以路面结构损伤累积水平Ψ^t为纵坐标，路龄(年)和路面结构损伤累积水平关系如图1所示，Ψ^t与路龄的拟合曲线，如图中曲线所示。

表13沥青路面结构内部损伤水平Ψ^t计算结果

对该市所辖不同使用年限的其他15条二级公路采用本发明确定的损伤累积水平计算方法进行了计算，并采用JTG H20-2007中5.3所述的自动化快速检测设备检测了路面损坏状况指数PCI，路面结构损伤累积水平Ψ^t和路面损坏状况指数PCI的关系如图2所示。

根据PCI与Ψ^t的关系，确定该地区二级公路的PCI为60时，对应的Ψ^t为0.33。由此，图1中，对应的试验路S229，Ψ^t为0.33时，路龄为9，目前已通车使用1年，则在第8年后路面将需要进行中修罩面。

本发明并不局限于上述具体实施方式，本领域技术人员可据此做出多种变化，但任何与本发明等同或类似的变化均应涵盖在本发明权利要求的范围内。