基于疲劳损伤的沥青路面设计温度及预估模型研究

1、第27卷 第5期2010年5月 公 路 交 通 科 技JournalofHighwayandTransportationResearchandDevelopmentVol 27 No 5 May2010文章编号:1002 0268(2010)05 0006 05基于疲劳损伤的沥青路面设计温度及预估模型研究韦金城1,2,庄传仪1,2,高雪池3,王 林2(1 长安大学 特殊地区公路工程教育部重点实验室,陕西 西安 710064;2 高速公路养护技术交通行业重点实验室(济南),山东 济南 250031;3 山东省交通厅公路局,山东 济南 250002)摘要:针对沥青路面结构必须控制的疲劳破坏形式,以

2、沥青层层底拉应变作为控制沥青路面疲劳开裂的指标。通过实测沥青面层层底最大拉应变与路面结构不同深度处路面温度的相关性分析,确定了沥青路面疲劳损伤的设计温度,提出了以沥青层中间温度作为沥青路面疲劳开裂分析的设计温度和试验条件。通过实测永久性沥青路面试验路每小时的路面温度和气象数据,分析了沥青层中间温度的分布规律,对沥青层中间温度与气温、路面深度之间的相关关系进行了计算分析,建立了沥青层中间温度的预估模型。结果表明,沥青路面应变响应与温度密切相关,随着路面温度的升高,沥青层底拉应变增大;沥青层中间深度处温度与沥青层底拉应变相关性最高,采用沥青层中间深度处温度能较好地评价路面结构的抗疲劳性能。关键词:

3、道路工程;永久性沥青路面;相关性分析;设计温度;拉应变;疲劳损伤中图分类号:U416 217 文献标识码:ADesignTemperatureandItsPredictionModelforAsphaltPavementBasedonFatigueFailureWEIJincheng1,2,ZHUANGChuanyi1,2,GAOXuechi3,WANGLin2(1 KeyLaboratoryforSpecialAreaHighwayEngineeringofMinistryofEducation,Chang anUniversity,Xi an Shaanxi 710064,China;2

4、KeyLaboratoryofExpresswayMaintenanceTechnologyofMinistryofTransport(Jinan),Jinan Shandong 250031,China;3 ShandongHighwayAdministrationBurea,Jinan Shandong 250002,China)Abstract:Withregardtothefatiguefailurewhichmustbecontrolledinasphaltpavement,thetensilestrainatthebottomoftheasphaltlayerwastakenast

5、hecontrollingindexforfatiguecrackingofasphaltpavement Byanalyzingthecorrelationofthetemperatureatdifferentdepthsofasphaltpavementwiththemeasuredstrainresponseatthebottomofasphaltlayer,thedesigntemperatureforthefatiguefailureofasphaltpavementsweredetermined,takingthetemperatureatthemiddleoftheasphalt

6、layerasthedesigntemperatureandthetestconditionfortheanalysisofthefatiguefailureofasphaltpavement Hourlypavementtemperaturesandmeteorologicaldataweremeasuredintheselectedperpetualpavement,thedistributionofthetemperatureatthemiddleoftheasphaltlayerwerestudied Throughcalculatingandanalyzingthecorrelati

7、onofthetemperatureatthemiddleofasphaltlayerwithairtemperatureanddifferentdepthsbelowthepavementsurface,thepredictionmodelofmiddle depthtemperatureofasphaltlayerwasputforward Theresultsshowthat(1)thevalueofstrainresponseofasphaltpavementiscloselyrelatedtothepavementtemperature,thetensilestrainatthebo

8、ttomoftheasphaltlayerincreaseswiththepavement收稿日期:2009 12 23基金项目:交通部联合攻关项目(2005353341200);山东省交通科技计划项目(2005Y001)作者简介:韦金城(1976-),男,广西南宁人,博士研究生,研究方向路面结构与材料 (wei-jincheng126 com)第5期 韦金城,等:基于疲劳损伤的沥青路面设计温度及预估模型研究 7temperatureincrease;(2)thecorrelationbetweenthetemperatureatthemiddleofasphaltlayerandtheten

9、silestrainatthebottomofasphaltlayeristhehighest,whichcanbetterassesstheabilityofanti fatigueperformancebyusingthetemperatureatthemiddleofasphaltlayerKeywords:roadengineering;perpetualpavement;correlationanalysis;designtemperature;tensilestrain;fatiguefailure0 引言沥青混合料是一种典型的温度敏感性材料,其力学特性和路用性能随温度的变化差异很

10、大。路面温度沿沥青层深度方向的不均匀分布,给路面结构分析带来了很大困难。疲劳开裂作为沥青路面结构最常见的损坏形式之一,其产生机理和发展过程都与路面温度场的分布状况密切相关1,现行的 公路工程沥青及沥青混合料试验规程!(JTJ052 2000)以沥青混合料劈裂试验#(T0716 1993)测定的破坏劲度模量作为评价沥青混合料低温疲劳的设计参数,该方法以15作为试验温度218cm,沥青层下面为水泥或石灰粉煤灰处治材料。结构S4为中国山东省近年来新建高速公路开始大量采用的路面结构,其特点是在结构S5的基础上,根据设计需要在沥青层与无机结合料处治层间增加一层厚度从8cm至15cm不等的大孔隙沥青混合料

11、排水层8。,众所周知,沥青路面温度时图1 山东永久性路面结构图(单位:cm)Fig 1 PavementstructuresofShandongperpetualpavementsections(unit:cm)刻发生着变化,采用某一固定的温度作为预估沥青路面疲劳寿命的依据,显然与实际相差较大,无法正确评价路面结构的抗疲劳性能。由于荷载反复作用引起的疲劳开裂一般开始于沥青路面结构底部并由此向上发展,国内相关研究通常采用沥青面层底部以上一定厚度的路面平均温度作为路面代表温度以计算疲劳等效温度1,或直接取沥青层底温度计算疲劳当量温度3,用以评价路面结构的抗疲劳性能,但上述方法缺乏根据来源,不能真实

12、地反映路面结构实际工作状况,因此,本文基于沥青路面疲劳损伤特性,确定反映沥青路面结构抗疲劳性能的路面设计温度,并根据实测的路面温度和气象站观测数据,建立沥青层中间深度处路面温度预估模型4-5,为沥青层底应变响应分析、路面结构疲劳损伤研究提供基础依据。1 路面结构设计与传感器埋设中国永久路面试验路位于山东省滨州市西郊,试验路按照双向4车道设计,路面宽24m,试验路总长度为5km,分成5个结构段(S1、S2、S3、S4、S5),每个分段设计不同的路面结构组合及厚度7-8,如图1所示。其中结构S1、结构S2、结构S3为永久性路面结构。结构S2与结构S3路面结构及厚度相同,但7 5cm疲劳层分别采用普

13、通沥青和改性沥青。结构S4、结构S5为比较结构,结构S5为中国高速公路最试验路5个结构段的沥青层底分别安装了沥青应变仪,用于观测路面结构在行车荷载及环境因素作用下的路面响应;在每个结构段安装的温度传感器,可测量路面结构断面4个不同深度的温度,各结构段4个温度测点到路表面的距离如表1所示。表1 温度传感器测点离路表的距离(单位:cm)Tab 1 Distancesfromtemperaturemeasuringpointtopavementsurface(unit:cm)温度传感器T1T2T3T4S10255058S20193240S30193240S40163545S50714229,112

14、数据采集与分析2 1 温度代表值的选择沥青路面结构应变响应值的大小与温度密切相关,但是在路面结构的不同深度处,温度的波动是不一样的,距离路表面越深温度的波动越小10。选择一个有代表性的路面结构温度对分析和比较路面结构的应变大小很重要,路面温度代表值和应变值应有较好的相关性10。对三联轴轴载为540kN时不同结构的纵向应变最大值与路面不同深度处温度值的相关性8 公 路 交 通 科 技 第27卷大纵向应变的相关关系。回归分析的结果如表2所示。回归分析表明,处于沥青层中间位置的路面温度T2与最大应变的相关性最高。因此,采用沥青层中间温度作为路面结构响应分析的设计温度值。深处)的相位差约为35h,沥青

15、层中间深度处路面温度滞后24h。由于路面温度变化通常以1a为周期,路面温度的分布以1a中的小时温度进行统计,试验路全年的沥青层中间深度处小时温度频率分布如图4所示。从该统计图可知,大气温度和沥青层中间深度温度的分布以及在1a当中某温度区间所占的比例。根据小时温度频率分布,可采用累积破坏等方法分析确定路面结构不同功能层所需的沥青PG等级11,亦可用来计算沥青路面永久变形或者沥青路面疲劳损伤8-9,建立新的沥青路面结构设计方法8,1011。图2 路面温度与沥青层底拉应变的关系ig 2 Correlationbetweenpavementtemperatureandstrainatthebottom

16、ofasphaltlayer表2 纵向应变最大值与路面温度的相关性分析Tab 2 Correlationbetweenmaximumlongitudinalstrainandpavementtemperature结构S1S2S3S4S5T10 9240 7940 7890 7080 882相关系数R2T2T30 970 9550 8670 8450 8510 8350 8400 7010 8720 869T40 9430 800 7860 6540 861图4 实测小时沥青层中间温度和气温分布频率图Fig 4 Frequencydistributionofmeasuredhourlytempe

17、raturesatthemiddledepthofasphaltlayerandairtemperatures2 3 路面结构响应分析在行车荷载作用下,路面结构内各点处于不同的应力应变状态,由于沥青路面材料的抗压强度远较抗拉强度大,而沥青面层底部在车轮下所受的拉应力较之表面在车轮驶近或驶过后产生的拉应力要大得多,因此,在车轮荷载反复作用下,沥青路面疲劳开裂一般从底部开始发生。研究分析表明,柔性基层沥青路面沥青层的疲劳状态更接近于常应变疲劳状态,考虑国外常用的沥青路面设计方法均以沥青层拉应变作为控制疲劳的指标,本文以沥青层层底拉应变作为控制沥青路面疲劳开裂的指标。针对5种试验路结构,分别实测了各

18、结构沥青层中间深度处温度及在该温度下实测的沥青层底拉应变,汇总于表3。表3 实测沥青层底拉应变Tab 3 Measuredtensilestrainsatthebottomoftheasphaltlayer结构不同沥青层中间温度()的层底拉应变/ 1013 425 931 513 337 22020 83745 122 171 23032 35364 736 8136 44050 175 892 761 3261 26-8,136,102 2 沥青层中间温度分布研究根据2008年6月25日实测的每小时沥青路面温度和气象数据,给出沥青路面温度场和气温的日小时变化关系曲线,如图3所示。由图3可以看

19、出,沥青层中间处温度表现出与气温相似的变化趋势,由于热量沿路面深度方向的传导需要一定时间,随着深度的增加,影响程度逐渐减弱,日变化差异越来越小,滞后程度逐渐增强,不同深度及不同结构层之间的路面温度分布曲线存在相位差,相对于气温而言,路表温度分布曲线的相位差约为1h,沥青层底部(如26cm图3 6月份路面温度场和气温的日小时变化曲线Fig 3 HourlytemperaturecurvesofpavementtemperaturefieldandairtemperatureduringJuneS1S2S3S4S5第5期 韦金城,等:基于疲劳损伤的沥青路面设计温度及预估模型研究 9从表3可以看出,

20、沥青层底拉应变受温度影响非常大,随着路面温度的升高,沥青层底拉应变增大,温度越高,沥青层底拉应变增长越快,如永久性路面结构S1,路面温度从20升至30,应变增加了11 5 ,而从30升高至40,应变增加了17 8 。根据现场实车检测数据发现,除半刚性基层沥青路面结构S5外,其余4种柔性基层路面结构在常温时沥青层底最大拉应变很少出现大于70 情况;高温时,沥青层底拉应变一般不会超过100 。半刚性基层沥青路面结构S5对温度的敏感性最强,路面温度在30以上时,沥青层底应变值增长最快。这一结果对我们正确认识和分析我国近几年出现的高速公路沥青路面早损坏,具有很好的参考价值。3 沥青层中间温度预估模型根

21、据试验段2008年2月 2009年2月整年8760h沥青层中间深度温度观测数据和气象数据,对沥青层中间温度和气温进行回归分析。结果表明,沥青层中间深度处温度与气温满足较好的线性关系,相关系数R2为0 902,如图5所示,如用二次多项式进行回归,相关系数R为0 8964。上述分析表明,沥青层中间深度处温度与气温的一次方的相关系数最高,相关性最强,两者呈线性关系。212,148面温度场在1d中不同时刻的典型分布如图6所示,图6中散点表示不同时刻路面温度沿深度的分布1,15-16。分别使用路面深度(H)的1次、2次和3次多项式对路面温度沿深度方向的分布进行了拟合,结果如图6中的实线所示。显然,路面深

22、度(H)的3次多项式对路面温度场的模拟最为准确。随着路面深度的增加,气温对路面温度的影响程度逐渐减弱。在预估模型中可以引入气温与路面深度的乘积(Ta%H),以反映环境因素对于路面不同深度处温度的影响程度1,16。基于上述考虑及应用的方便,沥青层中间深度处温度(Tmp)可以表示为气温(Ta)和路面深度(H)的函数Tmp=f(Ta,H),即Tmp=a1+a2Ta+a3TaH+a4H+a5H2+a6H3,(1)式中,Tmp为沥青层中间深度处温度;Ta为大气温度;H为路面深度,即距路表的距离;a1a6为待定的回归系数。利用最小二乘法原理对沥青层中间深度处温度Tmp、气温Ta和路面深度H进行多元回归9,

23、得出依据气温和路面深度预估沥青层中间深度处温度的经验公式,见式(2),表4为预估模型的回归分析结果,可见,各回归参数均达到了较高的水平,预估模型具有较高的精度。Tmp=1 576+1 138Ta-0 007TaH+0 06H+0 0000383H3。表4 预估模型的回归分析结果Tab 4 Resultofregressionanalysisbypredictionmodel复相关系数R0 946判断系数R20 896经调整的判断系数R2adj0 896标准误差3 505(2)图5 沥青层中间温度与气温的关系Fig 5 Relationbetweentemperatureinthemiddled

24、epthofasphaltlayerandairtemperature4 结语(1)以沥青层层底拉应变作为控制沥青路面疲劳开裂的指标,实测了不同温度条件下试验路结构沥青层底的最大拉应变,沥青层底应变受温度的影响,随路面温度的升高而增大。沥青层底拉应变表现出很强的温度敏感性,温度越高,沥青层底拉应变增长越快。(2)沥青路面中间层的温度与沥青层底拉应变响应相关性最大,因此以沥青层中间温度作为沥青路面由于路表温度的周期性变化和路面结构内部的热量交换,路面温度场沿深度方向的分布十分复杂。路图6 沥青路面温度沿深度的典型分布状况Fig 6 Typicaldistributionofasphaltpave

25、menttemperaturefield结构疲劳损伤的设计温度。(3)根据实测路面温度场和当地气象站数据,进,10 公 路 交 通 科 技 第27卷处路面温度预估模型。(4)由于收集的温度数据受地域性限制以及统计分析方法本身的样本偏差等问题,上述预估方程在其他地区应用时,须根据当地的实际观测数据对方程进行标定或修正。参考文献:References:1 孙立军 沥青路面结构行为理论M 北京:人民交通出版社,2005SUNLijun StructuralBehaviorStudyforAsphaltPavementsM Beijing:ChinaCommunicationsPress,20052

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27、chonFatigueEquivalentTemperatureCalculationMethodJ JournalofHighwayandTransportationResearchandDevelopment,2009,26(5):6-11,224 MOHSENIA,SYMONSM ImprovedACPavementTemperatureModelsfromLTPPSeasonalDataC/Proceedingsofthe77thAnnualTransportationResearchBoard(TRB)Confer ence Washington,D C :TRB,19985 LYT

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30、nResearchInstitute ResearchandApplicationofPerpetualPavementR Jinan:ShandongHighwayAdministrationBu reau,20089 李斌,汤文,孙立军 环道路面永久变形预估模型研究J 武汉理工大学学报,2009,31(5):79-82 LIBin,TANGWen,SUNLijun ResearchonPermanentDeformationEvaluationModelofCircularTrackPavementJ JournalofWuhanUniversityofTechnology,2009,31(5):79-8210MASONM GuideforMechanistic empiricalDesignofNewandRehabilitatedPavementStructures,NCHRP1 37AR Washington,D C :TransportationResearchBoard,200411赵延庆,凌晨,白琦峰,等 基于路面温度频率分布的沥青PG高温等级选择J 石油沥青,2007,21(01):43-46ZHAOYanqing,LINGChen,BAIQifeng,etal SelectionofHighTemperaturePGGradesforAsphaltBi