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        瀝青路面疲勞極限設計方法研究
        發布:admin 發布時間:2016-06-29 瀏覽次數:8867



        一、立項背景

            本項目屬云南省科技廳科技計劃項目,研究期限2009年~2012年。項目基于疲勞破壞理論,開發適應云南不同地區的瀝青路面結構設計新方法,擬代替現有的瀝青路面以彎拉應力為驗算指標、彎沉為設計控制指標的設計方法。

            云南省國土面積30.4萬平方公里,94%是山區,公路運輸承擔了全省運輸總量的92%以上,因此近年來交通部和云南省對公路建設的投資持續增長并取得了長足的進步。目前全省公路通車總里程超過20萬萬公里,其中高速公路約4000公里。為凸現與部分東盟國家山水相鄰的區位優勢,云南省決定在未來更加努力建設公路網絡,以起到中國與東南亞地區的大通道作用。至2020年,云南省將繼續投入巨資,建設未來干線公路網和農村公路網,要使全省的高速公路總里程達到6000公里。而在干線公路網建設中,目前待建公路總里程為1.9萬公里,其中包括近2000公里的高速公路。其中近2/3通車里程均采用瀝青路面。

            國內現有的瀝青路面,包括高速公路的瀝青路面絕大部分在使用期內就發生了破壞。瀝青路面發生破壞的原因很多,有路基的問題,使用材料的問題,路面施工的問題,但一個很重要的原因就是路面設計所依據的理論與路面實際狀況有較大差距,路面設計工作模型與面實際工作狀況差距較大,設計不盡合理、不正確導致路面過早的大面積破壞,造成巨大的經濟損失和不良的社會影響。

        二、研究目的

            瀝青路面在我省已有約100年的使用歷史,大面積在公路上使用瀝青也有約30多年的歷史,自上世紀80年代改革開放以來,隨著高速公路的快速建設,瀝青路面已成為我省高等級公路的主要路面結構,但瀝青路面的設計方法還延續上世紀80年代所確立的以路面彎沉為設計指標的設計方法,以彎沉為指標的瀝青路面設計方法是以彈性層狀體系理論為基礎,通過對國內瀝青路面的調查分析所確定的一種經驗的設計方法,而調查所依據的瀝青路面是過去所修建的低等級公路,并且現在的路面交通與30多年前的路面交通完全不同,因此,根據過去低等級公路條件下所得出的路面設計經驗用于現行交通狀況的路面設計,顯然不太合理,設計出的路面結構不能合理地適應現行交通荷載。即現行設計理論與路面實際狀況有較大差距,不能正確的代表瀝青路面的實際受荷狀況,這直接導致瀝青路面的設計不盡合理。路面設計工作模型與面實際工作狀況差距較大,設計不盡合理、不正確導致路面過早的大面積破壞,造成巨大的經濟損失和不良的社會影響。

            因此,開發適應云南不同地區的瀝青路面結構設計新方法,擬代替現有的瀝青路面以彎拉應力為驗算指標、彎沉為設計控制指標的設計方法,減少路面因設計不合理而出現的過早破壞,延長瀝青路面的使用壽命,提高路面的使用性能,減少路面的養護維修工作,保證路面的暢通,提高公路的投資效益和使用效益,顯得非常具有必要性和迫切性。

        三、主要研究內容

            (一)云南省瀝青路面氣候分區區劃及瀝青面層溫度分布研究

            1、云南省瀝青路面氣候分區區劃研究

            2、云南省瀝青路面面層溫度分布研究

            (二)云南省各瀝青路面氣候區劃內公路交通荷載分布研究

            (三)云南省瀝青路面面層瀝青混合料疲勞行為研究

            (四)云南省瀝青路面面層瀝青混合料結構層優化

            (五)云南省瀝青路面面層疲勞極限設計方法研究

            1、確定瀝青路面疲勞設計標準

            2、瀝青路面疲勞設計方法

            (六)開發適用云南瀝青路面疲勞極限設計方法實用軟件

        四、取得的主要成果

            本項目經過4年多的刻苦攻關,取得了一系列科研成果,公開發表論文16篇,獲得國家發明專利1項,項目研究成果總體達到國際先進水平。課題成果對云南省高速公路瀝青路面的修建產生了巨大的效益。

            (一)分析各氣象要素包括氣溫、太陽總輻射、風速和日照時數等對瀝青路面溫度分布的影響;以傳熱學理論和熱傳導方程為基礎,建立適用于瀝青路面的非穩態溫度場的導熱微分方程;采用有限差分方式對內部節點和邊界節點進行隱式差分求解。按瀝青路面溫度區間進行了云南省路面氣候分區劃分,并計算繪出各氣候分區內不同路表溫度區間下沿深度變化的溫度曲線圖。

           

        云南七月日平均最高氣溫分布圖

            (二)通過分析云南省地區實地軸載調查以及收費站點交通量資料,確定云南省高等級公路車輛典型輪軸類型;統計換算各不同車型通行比例,提出各輪軸類型的代表車型以及各代表車型不同軸載等級的出現頻率;繪制出3種不同軸載特征類型的云南地區高速公路軸載分布圖。

           

           

           

            (三)建立了基于修正Burgers模型的能反映路面受車輛重復荷載效應的瀝青混合料本構模型;提出了采用三軸重復加載蠕變試驗來研究瀝青混合料高溫抗變形能力的試驗方法,推薦了完整的試件制備方法、試驗設備要求以及試驗邊界條件、溫度條件和荷載條件等試驗參數,并通過室內試驗系統研究了偏應力水平及溫度條件對瀝青混合料流變規律的影響。

              

        三軸室和溫度控制箱                   數據采集和控制系統

            (四)根據室內試驗數據提出水泥穩定碎石抗壓強度、彎拉強度以及級配碎石材料的非線性承載力計算公式;在此基礎上建立兩種不同基層類型的路面結構仿真模型進行力學性能計算分析;研究面層及基層厚度變化對結構彎沉和面層結構疲勞壽命的影響規律。綜合計算結果分析得到滿足彎沉和面層疲勞破壞要求的、不同累計標準軸載作用次數下的基層最小厚度。

              

        混合料攪拌                  混合料烘箱短期老化

         

            (五)分析了瀝青混合料疲勞破壞機理、疲勞破壞形成階段以及影響瀝青混合料疲勞行為的各種因素;提出采用間接拉伸試驗來研究瀝青混合料疲勞性能,通過室內試驗在不同溫度條件下(10℃、20℃、30℃)進行AC-13、AC-20、AC-25三種典型瀝青混凝土的疲勞試驗;采用三參數威布爾分布數理統計分析方法對試驗結果進行分析,研究應力水平、試驗溫度條件對瀝青混合料疲勞性能以及疲勞特征參數的影響規律;提出了應力控制模式下以計算橫向應變建立應變疲勞方程的方法,在此基礎上構建瀝青路面結構疲勞破壞預估模型。

           

        AC13瀝青混合料三種溫度下的永久變形曲面

            (六)鋪筑了三種典型瀝青路面類型的室內試槽足尺試驗路結構,采用內置應變傳感器測定重復車輛荷載作用下的結構應變響應數據,研究分析了實際車輛軸載作用下瀝青路面響應規律;與數值仿真模型計算結果對比證明了理論計算的合理有效性。

           

        抗彎拉試驗及疲勞試驗圖

            (七)建立了基于疲勞累積損傷原理的瀝青路面使用壽命預估的新方法。以氣候分區II區為例,計算了不同路面溫度區間、不同軸載等級下瀝青路面面層底部應變響應,利用室內試驗提出的疲勞破壞預估模型以及設計年限內瀝青路面不同溫度區間、不同軸載等級的各工況下軸載作用次數分析出II區高等級公路疲勞累積損傷值,最終建立了該氣候分區內高速公路瀝青路面使用壽命預估模型,提出相應的瀝青路面疲勞極限設計方法。

              

        面層攤鋪                            面層碾壓

        五、社會經濟效益

            目前,早期破壞是影響瀝青路面發展的一個重要問題,即在路面沒有達到使用期限時就出現了破壞,如車轍、裂縫、推移、擁包等。嚴重時在路面通車兩、三年后即出現了大面積破壞,不得已進行全線罩面。

            按傳統的設計方法,一般來說在高速公路瀝青路面投入使用5~7年左右需要進修小規模的修補,在使用9~10年左右需要進修大規模修補。預計小規模維修費用相當于初期總投資的1%~2%,大規模維修費用相當于初期總投資的3%~4%。以依托工程武昆高速公路為例,其全長64Km,建設總投資52.4億元,為雙向四車道高速公路。由于橋隧比例較高,路面造價占總投資額的5~6%,約為2.8億元(扣除橋梁隧道部分)。在15年的路面設計年限內,按通車5年后每兩年進行一次2.5cm的罩面(小規模修補),需要資金約0.86億元,期間進行一次面層結構的全部更換(大規模修補),需要資金約2.0億元,在路面設計年限內其維修總額約需2.86億元。

            采用基于疲勞極限的瀝青路面設計方法設計出的瀝青路面預計在使用期內不會出現大規模維修,預計在使用8~10年左右出現小規模修補。以上例來看,只需對路面進行定期小規模修補和預防性養護,總資金額約為1.0億元,路面維修費用較傳統設計節約1.86億元,占總投資額的3.5%。如按云南省每年高速公路200億的建設投資規模計算,建成通車后全省預計可節約養護資金7~10億元,不僅大幅減少了道路維修養護費用,減少了對自然環境材料的消耗,且具有實現瀝青路面使用壽命預估的快速簡便、預估成本低廉的優勢,項目研究成果豐富了我國高速公路瀝青路面設計理論,有助于推動高速公路瀝青路面結構朝更合理、更實用的方向發展。

         
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