一种复合式基层沥青路面结构两阶段设计方法与流程

1.本发明涉及沥青路面结构设计技术领域，特别涉及一种复合式基层沥青路面结构两阶段设计方法。


背景技术：

2.公路是货物运输活动的主要承载方式，随着运输需求量增大，重载车辆变多，现有路网普遍存在着破坏严重等问题，不能满足当前交通运输需求。此外，道路建设需要消耗大量资金，如何降低初期投资总额十分重要。复合式基层沥青路面克服了传统柔性路面和半刚性路面的缺点，既充分利用了半刚性材料较高强度和承载能力的特点，又减少了沥青层厚度，可节约初期投资。然而，因自然环境、交通条件以及使用材料的差异性，需要采用合适的路面设计方法，设计得到满足道路交通要求且经济的复合式基层沥青路面结构。
3.目前沥青路面结构设计方法主要采用力学经验法，通过力学原理对路面进行简化分析，但这种对路面模型的假定与实际情况存在差异。同时，由于各国使用的设计方法不同，存在材料参数取值及设计指标的差异，导致分析结果与实际道路情况相差更远。目前，在我国这种复合式基层沥青路面的应用远多于日本、德国和美国等，但依然没有针对性的设计方法和成熟的设计理念。不过，法国则对这种路面结构提出了针对性的设计方法，即：在设计时认为当半刚性底基层破坏后，由于沥青层的存在，路面仍具备一定的使用性能，仅通过半刚性底基层来设计并不准确。因此，基于路面材料与结构破坏模式，法国规范对复合式基层路面结构的设计验算分为两个阶段，并提出了对应的两阶段设计指标验算。其中，第一阶段：要求半刚性底基层良好，与沥青碎石基层黏结正常，需满足半刚性底基层底面拉应力小于容许值，且土基顶面的压应变小于容许值；第二阶段：路面结构中半刚性底基层产生破坏，模量下降至完好时的五分之一，同时两基层层间脱离，需满足沥青碎石基层底面水平拉应变以及路基顶面竖向压应变均小于容许值。


技术实现要素：

4.本发明的目的是，针对上述背景技术中涉及的问题，提供一种复合式基层沥青路面结构两阶段设计方法，基于法国规范中对复合式基层路面结构的设计思想，综合考虑到两阶段下中国规范的力学指标变化以及经济性，确定复合式基层沥青路面结构组合，弥补了以往方法的不足。
5.为了达到上述目的，本发明提供了一种复合式基层沥青路面结构两阶段设计方法，包括如下步骤：
6.s1，初步拟定多种路面结构；
7.s2，对每种路面结构求两阶段设计指标容许值和计算值；
8.s3，比较每种路面结构的设计指标计算值和容许值的差异，若两阶段设计指标计算值验算均低于容许值，则认为该结构满足道路交通要求，并从满足要求的结构中优选路面结构；
9.s4，建立优选路面结构的三维模型；
10.s5，在三向非均布移动荷载下模拟计算选定的两阶段控制指标的计算值，对比验证计算值是否小于容许值以及规范值。
11.进一步地，s1中基于复合式基层路面结构的沥青层厚度与总路面结构层层厚比值为0.5，根据当地交通条件，拟定多种不同面层厚度、基层厚度、半刚性底基层厚度的路面结构。
12.进一步地，第一阶段设计指标包括半刚性底基层层底拉应力、路基顶面竖向压应变，第二阶段设计指标包括沥青层层底拉应变、路基顶面竖向压应变。
13.进一步地，s2具体包括如下子步骤：
14.s21，通过专业软件得到第二阶段的沥青层层底拉应变和路基顶面竖向压应变计算值；以第二阶段下的沥青层层底拉应变计算值作为容许拉应变ε
t,ad
值，联立式(1)、(2)、(3)计算出第二阶段所能承受的轴载ne2；
15.ε
t,ad
＝ε(ne2,θ
cq
,f)krkcꢀꢀ
(1)
16.ε(ne2,θ
cq
,f)krkc＝ε6(10℃,25～hz)[e(10℃)/e(θ
eq
)]
0.5
[ne/(1
×
106)]bꢀꢀ
(2)
[0017]
ne2＝{ε
t,ad
/e(10℃)/e(θ
eq
)]
0.5
krkc}
1/b
×
106ꢀꢀ
(3)
[0018]
其中：ε6为材料进行疲劳试验100万次的应变，在10℃，25赫兹加载频率的实验环境下；ne为标准当量轴数；b为材料计算参数；e(10℃)为10℃时的模量；e(θ
eq
)为沥青混合料等效温度下的模量；kc为材料修正系数；kr为路面破坏风险系数；
[0019]
s22，通过设计年限内累计重车交通量n与式(4)计算出两阶段承受的累计总轴载ne
总
，累计总轴载减去第二阶段轴载ne2得到第一阶段轴载ne1[0020]
ne
总
＝n
×
cam
ꢀꢀ
(4)
[0021]
其中，cam为nfp 98-086规范规定的侵害系数值；
[0022]
s23，根据式(5)、(6)计算半刚性底基层层底拉应力σ
t,ad
和路基顶面竖向压应变容许值ε
z,ad
，得到两阶段设计指标的容许值；
[0023]
σ
t,ad
＝σ6[ne
1,2
/(1
×
106)]bkckdkrksꢀꢀ
(5)
[0024]
ε
z,ad
＝0.012(ne
1,2
)-0.222
ꢀꢀ
(6)
[0025]
其中，σ6为试件进行一年弯曲试验对应的断裂应力；kd为非连续修正系数；ks为土基的承载能力系数。
[0026]
进一步地，s3中基于验算满足道路交通要求的多种路面结构，选择结构层厚度最小的路面结构。
[0027]
进一步地，s4中通过有限元软件建立优选的沥青路面结构数值模型，并对各结构层层数、厚度及材料属性进行初始设置，材料属性包括动态弹性模量、泊松比。
[0028]
进一步地，s5中采用半刚性底基层层底拉应力、沥青层层底拉应变作为路面疲劳开裂的控制指标，采用路基顶面竖向压应变、沥青层永久变形作为车辙的控制指标；对路面模型施加三向非均布移动荷载，模拟计算得到控制指标值后，与容许值和规范值进行比较，验证优选的路面结构是否合理；若控制指标计算值小于容许值与规范值，则优选路面结构能够在实际工程中应用；反之，循环并重新选定路面结构进行s3～s5的步骤，直至选定的路面结构验算通过。
[0029]
本发明的上述方案有如下的有益效果：
[0030]
本发明提供的一种复合式基层沥青路面结构两阶段设计方法，从复合式基层沥青路面结构疲劳开裂和车辙病害出发，初步拟定五种路面结构方案，采用两阶段设计方法优选路面结构，再基于数值分析计算半刚性底基层层底拉应力、沥青层层底拉应变、路基顶面竖向压应变和沥青层永久变形四个指标，以验证路面结构合理性，从而确定给定交通条件下的复合式基层沥青路面结构，为复合式基层沥青路面结构的设计提供了新思路，结合了法国规范与中国规范的力学指标，能够更全面地了解设计的路面结构特性，显著提高了模拟计算后分析结果的准确性，结果更具说服力，另外本发明的操作简单，可行性强；
[0031]
本发明的其它有益效果将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
[0032]
图1为本发明的步骤流程图；
[0033]
图2为本发明实施例中设计指标容许值与计算值对比图；
[0034]
图3为本发明实施例中路面模型图；
[0035]
图4为本发明实施例中设计指标容许值(规范值)与计算值对比图。
具体实施方式
[0036]
以下通过特定的具体实例说明本公开的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本公开的其他优点与功效。显然，所描述的实施例仅仅是本公开一部分实施例，而不是全部的实施例。本公开还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本公开的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。基于本公开中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。
[0037]
需要说明的是，下文描述在所附权利要求书的范围内的实施例的各种方面。应显而易见，本文中所描述的方面可体现于广泛多种形式中，且本文中所描述的任何特定结构及/或功能仅为说明性的。基于本公开，所属领域的技术人员应了解，本文中所描述的一个方面可与任何其它方面独立地实施，且可以各种方式组合这些方面中的两者或两者以上。举例来说，可使用本文中所阐述的任何数目个方面来实施设备及/或实践方法。另外，可使用除了本文中所阐述的方面中的一或多者之外的其它结构及/或功能性实施此设备及/或实践此方法。
[0038]
还需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本公开的基本构想，图式中仅显示与本公开中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。另外，在以下描述中，提供具体细节是为了便于透彻理解实例。然而，所属领域的技术人员将理解，可在没有这些特定细节的情况下实践所述方面。
[0039]
如图1所示，本发明的实施例提供了一种复合式基层沥青路面结构两阶段设计方法，包括如下步骤：
[0040]
s1，初步拟定五种路面结构。
[0041]
在本实施例中，按照复合式基层路面结构的沥青层厚度与总路面结构层层厚比值
在0.5的原则，基于当地交通条件，拟定五种不同面层厚度、基层厚度、半刚性底基层厚度的路面结构。
[0042]
s2：对五种路面结构求两阶段设计指标容许值和计算值。
[0043]
其中，第一阶段设计指标包括半刚性底基层层底拉应力、路基顶面竖向压应变，第二阶段设计指标包括沥青层层底拉应变、路基顶面竖向压应变。
[0044]
在本实施例中，首先通过alize软件得到第二阶段的沥青层层底拉应变和路基顶面竖向压应变计算值。以第二阶段下的沥青层层底拉应变计算值作为容许拉应变ε
t,ad
，联立式(1)、(2)、(3)计算出第二阶段所能承受的轴载ne2。
[0045]
ε
t,ad
＝ε(ne2,θ
cq
,f)krkcꢀꢀ
(1)
[0046]
ε(ne2,θ
cq
,f)krkc＝ε6(10℃,25～hz)[e(10℃)/e(θ
eq
)]
0.5
[ne/(1
×
106)]bꢀꢀ
(2)
[0047]
ne2＝{ε
t,ad
/e(10℃)/e(θ
eq
)]
0.5
krkc}
1/b
×
106ꢀꢀ
(3)
[0048]
其中：ε6为材料进行疲劳试验100万次的应变(10℃，25赫兹加载频率的实验环境)；ne为标准当量轴数；b为材料计算参数；e(10℃)为10℃时的模量；e(θ
eq
)为沥青混合料等效温度下的模量；kc为材料修正系数；kr为路面破坏风险系数。
[0049]
然后，通过设计年限内累计重车交通量n与式(4)计算出两阶段承受的累计总轴载ne
总
，累计总轴载减去第二阶段轴载ne2即可得到第一阶段轴载ne1。
[0050]
ne
总
＝n
×
cam
ꢀꢀ
(4)
[0051]
其中，cam为nfp 98-086规范规定的侵害系数值；
[0052]
最后，根据式(5)、(6)计算半刚性底基层层底拉应力σ
t,ad
和路基顶面竖向压应变容许值ε
z,ad
，得到两阶段设计指标的容许值。
[0053]
σ
t,ad
＝σ6[ne
1,2
/(1
×
106)]bkckdkrksꢀꢀ
(5)
[0054]
ε
z,ad
＝0.012(ne
1,2
)-0.222
ꢀꢀ
(6)
[0055]
其中，σ6为试件进行一年弯曲试验对应的断裂应力；kd为非连续修正系数，对于水硬性结合料稳定材料一般取1；ks为土基的承载能力系数；其中，两个阶段的指标容许值均由式(5)、(6)求出，将第一阶段下轴载ne1的值代入求出的即为第一阶段的指标容许值；将第二阶段下轴载ne2的值代入求出的即为第二阶段的指标容许值。
[0056]
s3：比较五种路面结构的设计指标计算值和容许值的差异。
[0057]
其中，若两阶段设计指标计算值验算均低于容许值，则认为该结构满足道路交通要求，并从这五种路面结构中优选路面结构。具体来说，基于验算满足道路交通要求的多种路面结构，考虑经济性，选择结构层厚度最小的路面结构。
[0058]
s4：建立优选路面结构的三维模型。
[0059]
在本实施例中，基于三向非均布荷载下的弹性层状体系理论，利用abaqus有限元软件建立优选的沥青路面结构数值模型，并对各结构层层数、厚度及材料属性进行初始设置，材料属性包括动态弹性模量、泊松比。
[0060]
s5：在三向非均布移动荷载下模拟计算选定的两阶段控制指标值，并对比验证计算值是否小于容许值以及规范值。
[0061]
其中，第一阶段控制指标包括半刚性底基层层底拉应力、路基顶面竖向压应变，第二阶段控制指标包括沥青层层底拉应变、路基顶面竖向压应变、沥青层永久变形。
[0062]
其中，控制指标计算值与验证是否小于容许值以及规范值，其计算验证过程如下：
[0063]
依据法国规范与中国规范，采用半刚性底基层层底拉应力、沥青层层底拉应变作为路面疲劳开裂的控制指标，采用路基顶面压应变、沥青层永久变形作为车辙的控制指标；对路面模型施加三向非均布移动荷载，模拟计算得到控制指标值后，与容许值和规范值进行比较，验证优选的路面结构是否合理。若控制指标计算值小于容许值与规范值，则表明优选的路面结构可以在实际工程中应用。反之，循环并重新选定路面结构进行s3～s5的步骤，直至选定的路面结构验算通过。
[0064]
以下通过具体案例进一步说明本方法的效果，初步拟定五种路面结构，按照复合式基层路面结构的沥青层厚度与总路面结构层层厚比值在0.5的原则，基于塞内加尔当地交通条件初步采用、通过试算得到满足要求的路面结构，具体路面结构参数见表1：
[0065]
表1路面结构组合
[0066][0067]
对五种路面结构求两阶段设计指标容许值和计算值，先通过alize软件得到第二阶段的沥青层层底拉应变和路基顶面竖向压应变计算值，以第二阶段下的沥青层层底拉应变计算值作为容许拉应变值，计算出第二阶段所能承受的轴载。接着，通过设计年限内累计重车交通量计算出两阶段承受的累计总轴载，累计总轴载减去第二阶段轴载即可得到第一阶段轴载值。最后计算半刚性底基层层底拉应力和路基顶面竖向压应变容许值，得到两阶段设计指标的容许值。两阶段下容许值计算结果见下表2和表3，计算值见表4。
[0068]
表2第二阶段容许值计算结果
[0069][0070]
表3第一阶段容许值计算结果
[0071][0072]
[0073]
表4设计指标计算值
[0074][0075]
由表2～表4和图2两阶段容许值和应力应变计算结果的对比分析可知，当路面结构为6cm bbsg3+16cm gb4+22cm glc时，即可满足两阶段下的各项指标部不超过容许值的要求，且成本较低。
[0076]
利用abaqus有限元软件建立步骤三拟定的沥青路面结构数值模型，并对各结构层层数、厚度及材料属性进行初始设置，材料属性包括动态弹性模量、泊松比，然后在100kn的三向非均布荷载下的进行路面结构力学指标响应分析。设置参数见下表6，路面模型见图3。
[0077]
表6路面结构计算参数
[0078][0079]
在三向非均布移动荷载下模拟计算选定的两阶段控制指标计算值，并对比验证计算值是否小于容许值与规范值，路面结构力学指标计算值与容许值(规范值)对比见图4。由图4可知，各指标计算值满足设计指标容许值和中国规范值，选定的路面结构组合可用于实际路面。
[0080]
以上所述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，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种复合式基层沥青路面结构两阶段设计方法，其特征在于，包括如下步骤：s1，初步拟定多种路面结构；s2，对每种路面结构求两阶段设计指标容许值和计算值；s3，比较每种路面结构的设计指标计算值和容许值的差异，若两阶段设计指标计算值验算均低于容许值，则认为该结构满足道路交通要求，并从满足要求的结构中优选路面结构；s4，建立优选路面结构的三维模型；s5，在三向非均布移动荷载下模拟计算选定的两阶段控制指标的计算值，对比验证计算值是否小于容许值以及规范值。2.根据权利要求1所述的一种复合式基层沥青路面结构两阶段设计方法，其特征在于，s1中基于复合式基层路面结构的沥青层厚度与总路面结构层层厚比值为0.5，根据当地交通条件，拟定多种不同面层厚度、基层厚度、半刚性底基层厚度的路面结构。3.根据权利要求2所述的一种复合式基层沥青路面结构两阶段设计方法，其特征在于，第一阶段设计指标包括半刚性底基层层底拉应力、路基顶面竖向压应变，第二阶段设计指标包括沥青层层底拉应变、路基顶面竖向压应变。4.根据权利要求3所述的一种复合式基层沥青路面结构两阶段设计方法，其特征在于，s2具体包括如下子步骤：s21，通过专业软件得到第二阶段的沥青层层底拉应变和路基顶面竖向压应变计算值；以第二阶段下的沥青层层底拉应变计算值作为容许拉应变ε
t,ad
值，联立式(1)、(2)、(3)计算出第二阶段所能承受的轴载ne2；ε
t,ad
＝ε(ne2,θ
cq
,f)k
r
k
c
ꢀꢀꢀ
(1)ε(ne2,θ
cq
,f)k
r
k
c
＝ε6(10℃,25～hz)[e(10℃)/e(θ
eq
)]
0.5
[ne/(1
×
106)]
b
ꢀꢀꢀꢀ
(2)ne2＝{ε
t,ad
/e(10℃)/e(θ
eq
)]
0.5
k
r
k
c
}
1/b
×
106ꢀꢀꢀꢀ
(3)其中：ε6为材料进行疲劳试验100万次的应变，在10℃，25赫兹加载频率的实验环境下；ne为标准当量轴数；b为材料计算参数；e(10℃)为10℃时的模量；e(θ
eq
)为沥青混合料等效温度下的模量；k
c
为材料修正系数；k
r
为路面破坏风险系数；s22，通过设计年限内累计重车交通量n与式(4)计算出两阶段承受的累计总轴载ne
总
，累计总轴载减去第二阶段轴载ne2得到第一阶段轴载ne1ne
总
＝n
×
cam
ꢀꢀꢀ
(4)其中，cam为nfp 98-086规范规定的侵害系数值；s23，根据式(5)、(6)计算半刚性底基层层底拉应力σ
t,ad
和路基顶面竖向压应变容许值ε
z,ad
，得到两阶段设计指标的容许值；σ
t,ad
＝σ6[ne
1,2
/(1
×
106)]
b
k
c
k
d
k
r
k
s
ꢀꢀꢀ
(5)ε
z,ad
＝0.012(ne
1,2
)-0.222
ꢀꢀꢀ
(6)其中，σ6为试件进行一年弯曲试验对应的断裂应力；k
d
为非连续修正系数；k
s
为土基的承载能力系数。5.根据权利要求4所述的一种复合式基层沥青路面结构两阶段设计方法，其特征在于，s3中基于验算满足道路交通要求的多种路面结构，选择结构层厚度最小的路面结构。6.根据权利要求5所述的一种复合式基层沥青路面结构两阶段设计方法，其特征在于，
s4中通过有限元软件建立优选的沥青路面结构数值模型，并对各结构层层数、厚度及材料属性进行初始设置，材料属性包括动态弹性模量、泊松比。7.根据权利要求6所述的一种复合式基层沥青路面结构两阶段设计方法，其特征在于，s5中采用半刚性底基层层底拉应力、沥青层层底拉应变作为路面疲劳开裂的控制指标，采用路基顶面压应变、沥青层永久变形作为车辙的控制指标；对路面模型施加三向非均布移动荷载，模拟计算得到控制指标值后，与容许值和规范值进行比较，验证优选的路面结构是否合理；若控制指标计算值小于容许值与规范值，则优选路面结构能够在实际工程中应用；反之，循环并重新选定路面结构进行s3～s5的步骤，直至选定的路面结构验算通过。

技术总结
本发明提供了一种复合式基层沥青路面结构两阶段设计方法，包括：初步拟定多种路面结构；对每种路面结构求两阶段设计指标容许值和计算值；比较每种路面结构的设计指标计算值和容许值的差异；建立优选路面结构的三维模型；在三向非均布移动荷载下模拟计算选定的两阶段控制指标的计算值，对比验证计算值是否小于容许值以及规范值。本发明初步拟定五种路面结构方案，采用两阶段设计方法优选路面结构，再基于数值分析计算半刚性底基层层底拉应力、沥青层层底拉应变、路基顶面竖向压应变和沥青层永久变形四个指标，以验证路面结构合理性，从而确定给定交通条件下的复合式基层沥青路面结构，为复合式基层沥青路面结构的设计提供了新思路。新思路。新思路。


技术研发人员：赖增成 张攀科 刘文斌 鞠志成
受保护的技术使用者：中国路桥工程有限责任公司
技术研发日：2023.06.16
技术公布日：2023/8/14