TCI 280-2024 沥青路面结构多指标可靠度蒙特卡洛法评价规程

Multi-indexReliabilityEvaluationSpecification2024-03-28发布2024-03-28实施中国国际科技促进会I II 32规范性引用文件 33术语和定义 34符号和缩略语 55基本规定 56极限状态设计原则 67沥青路面参数变异性 78沥青路面可靠度分析与评价 9本文件按照GB/T1.1—2020《标准化工作导则第1部分：标准化文件的结构和起草规则》的规定起草。请注意本文件的某些内容可能涉及专利。本文件的发布机构不承担识别专利的责任。本文件由河北交通投资集团有限公司提出。本文件由中国国际科技促进会归口。本文件起草单位：河北交通投资集团有限公司、河北雄安京德高速公路有限公司、重庆交通大学、河北交通职业技术学院、山东高速基础设施建设有限公司、四川省交通建设集团有限责任公司、同济大学、西南科技大学、国科联盟(北京)国际信息科学研究院。本文件主要起草人：王国清、秦禄生、邱文利、张权、何兆益、张庆宇、汤雄、张晓、许忠印、路鹏、李海冬、秦旻、王鑫、张莹、董立强、张艳娟、向浩、黄刚、李通、刘丽、杨志强、刘静、马利豪。本文件为首次发布。3T/CI280-2024沥青路面结构多指标可靠度蒙特卡洛法评价规程本文件确定了沥青路面结构多指标可靠度极限状态设计原则，规定了材料、结构和交通参数变异性确定方法，提出了蒙特卡洛法分析沥青路面结构多指标可靠度的技术要求。本文件适用于使用蒙特卡洛法进行各等级沥青路面结构可靠度评价，可与JTG2120-2020《公路工程结构可靠性设计统一标准》和JTGD50-2017《公路沥青路面设计规范》配套使用，增强沥青路面结构可靠度的针对性、实用性。2规范性引用文件下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件的必不可少的条款。其中，注日期的引用文件，仅该日期对应的版本适用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本(包括所有的修改单)适用于本文件。JTGE20-2011公路工程沥青及沥青混合料试验规程JTGD30-2015公路路基设计规范JTGF40-2004公路沥青路面施工技术规范JTGD50-2017公路沥青路面设计规范JTGE51-2009公路工程无机结合料稳定材料试验规程JTGF80/1-2017公路工程质量检验评定标准第一册土建工程JTG2120-2020内河航标技术规范JTG3450-2019公路路基路面现场测试规程3术语和定义下列术语和定义适用于本文件。变异性variability沥青路面工程中因实际施工质量管理和控制水平等因素差异，路面材料及结构等实测参数与其设计水平不一致的特性。变异系数coefficientofvariation样本数据集的标准差与其平均值之比，用于度量平均数不同的两个或多个样本数据集间变异程度的相对统计量。4T/CI280-2024=e(−())，则称随机变量X服从正态分布。沥青路面设计使用年限designworking/servicelifeofpavement在正常设计、施工、使用和养护条件下，沥青路面不需要结构性维修的预定使用年限。当量轴次equivalentsingleaxleloads按当量损坏原则，将不同车型轴载作用次数换算为设计轴载的当量作用次数。当量设计轴载累计作用次数cumulativeequivalentsingleaxleloads在设计使用年限内，沥青路面设计车道上当量轴次的总和。极限状态方程limitstateequation沥青路面不同材料的结构层中，满足设计规定和使用要求的结构失效临界状态关系式。失效概率probabilityoffailure在设计使用年限内，路面结构不能完成预定功能的概率。可靠度reliability路面结构在规定的时间和规定的条件下完成预定功能的概率。3.10目标可靠度targetreliability沥青路面结构在设计阶段要求达到的可靠度。3.11可靠指标reliabilityindex为保证所设计的路面结构具有规定的可靠度，在沥青路面结构极限状态设计表达式中采用的可靠度参数指标。3.12安全等级safetyclasses根据路面结构的重要性和破坏可能产生后果的严重程度而划分的设计等级。5T/CI280-20244符号和缩略语下列符号适用于本文件。4.1材料参数−−模量/MPa4.2统计学参数−−目标可靠指标−−目标可靠指标−−抽样次数/次−−失效概率4.3交通量参数及其他参数−−结构或构件的抗力−−作用的效应Ne−−设计年限内设计车道上的当量轴载累计作用次数/次−−极限状态功能函数−−变异系数5基本规定5.1一般规定5.1.1沥青路面结构设计应满足公路工程结构设计中的各项功能要求。5.1.2沥青路面结构在正常设计、正常施工和正常使用条件下的功能要求应符合现行《公路工程结构可靠性设计统一标准》(JTG2120-2020)第3.1.2条的有关规定。5.1.3沥青路面结构设计其他相关规定应符合现行《公路工程结构可靠性设计统一标准》(JTG2120-2020)第3.1.3条的有关规定。5.2目标可靠指标5.2.1各等级沥青路面结构的设计安全等级及承载能力极限状态的目标可靠度(%)和目标可靠指标,应符合表1的规定，二级及二级以下公路路面结构破坏可能产生很严重后果时，可提高一级安全等级。6T/CI280-2024表1目标可靠度和目标可靠指标公路等级高速公路一级公路二级公路三级公路四级公路安全等级一级一级二级三级三级目标可靠度(%)959070目标可靠指标β1.651.281.040.840.52注：引自《公路沥青路面设计规范》(JTGD50-2017)表3.0.15.2.2新建沥青路面结构设计使用年限应符合现行《公路沥青路面设计规范》(JTGD50-2017)第3.0.2条的有关规定，对于永久性沥青路面结构或长寿命沥青路面结构设计使用年限应不低于40年；改建路面结构设计可根据工程实际情况选取适宜的设计使用年限。6极限状态设计原则6.1极限状态6.1.1沥青路面结构的极限状态设计原则应符合现行《公路工程结构可靠性设计统一标准》(JTG2120-2020)第4.1.1条的有关规定。6.1.2沥青路面结构的各种极限状态，均应规定明确的极限状态标准或限值。6.1.3对沥青路面结构的极限状态验算，应符合现行《公路沥青路面设计规范》(JTGD50-2017)第3.0.5条和附录B的有关规定。6.2极限状态方程6.2.1沥青路面结构的极限状态可采用下列极限状态方程来描述：=(1,2,...,)(6.2.1−1)式中：Z或(•)−−结构的功能函数；xi(i=1,2,...,n)−−影响结构功能的基本变量，包括荷载、材料、环境和岩土性能、结构几何参量、计算模式不定性系数等随机变量。当极限状态方程中的若干变量组合为作用效应和结构抗力两个综合变量时，极限状态方程可表达为：=(,)=−=0(6.2.1-2)式中：R−−若干变量组合的结构抗力；S−−若干变量组合的作用效应。6.2.2沥青路面按极限状态设计时，应以规定的可靠度满足下列要求：=(1,2,...,)>0(7T/CI280-2024或=−≥07沥青路面参数变异性7.1交通荷载参数7.1.1交通数据调查内容沥青路面的交通数据调查应包括交通量及年平均增长率、方向系数、车道系数、车辆类型组成、轴载组成和轴重等。7.1.2交通数据调查方法交通数据调查一般应结合当地交通观测站的观测和统计资料，或通过实地设立站点进行观测和统计，无条件时可参考路面设计文件中交通量相关资料。交通数据调查应满足现行《公路沥青路面设计规范》(JTGD50-2017)附录A的有关规定。7.1.3交通量影响因素变异性确定结合现场交通观测站观测和统计资料，确定“初始年平均日交通量AADTT(辆/d)”、“方向系数DDF”、“车道系数LDF”、“车辆类型分布系数VCDF”、“车辆当量设计轴载换算系数EALFm”、“设计使用限内交通量年平均增长率Y”等影响因素均值、变异系数及分布模型。7.1.4当量设计轴载累计作用次数Ne变异性确定结合现场交通数据获得的影响因素均值和变异系数，按照现行《公路沥青路面设计规范》(JTGD50-2017)附录A中式A.3.1、A.4.1和A.4.2计算设计使用年限内面层疲劳、基层疲劳和路基永久变形的交通量累计当量轴次。若无法确定现场交通量调查数据的变异性，可根据路面设计文件交通量资料，结合实际工程经验论证确定交通量累计当量轴次的变异性参数,变异系数一般可取0.2~0.4。7.2结构及材料参数7.2.1沥青路面结构厚度变异性的确定路面结构厚度变异性的统计样本应根据结构各层验收钻取芯样数据或雷达检测数据分析获得，试验方法、样本量和数据处理应符合现行《公路路基路面现场测试规程》采用正态分布确定路面各结构层厚度的分布模型。7.2.2沥青混合料动态压缩模量变异性的确定沥青混合料动态压缩模量变异性的统计样本采用施工中取料，室内成型试件或现场钻取芯样测量获得，测试方法应符合现行《公路沥青路面设计规范》(JTGD50-2017)8T/CI280-2024第5.5.11条的有关规定。统计沥青混合料动态压缩模量样本的均值a、最大值Ea,max、最小值Ea,min、标准差σ和变异系数Cv，通过假设检验，采用正态分布确定沥青面层模量的分布模型。7.2.3沥青饱和度变异性的确定青层沥青饱和度样本值的均值VFA、最大值VFAmax、最小值VFAmin、标准差σ和变异系青层沥青饱和度样本值的均值VFA、最大值VFAmax、最小值VFAmin、标准差σ和变异系数Cv，通过假设检验，采用正态分布确定沥青饱和度的分布模型。7.2.4无机结合料稳定基层材料抗压回弹模量变异性的确定无机结合料稳定基层材料抗压回弹模量变异性的统计样本采用施工中取料，室内成型、标准养护试样或施工现场钻取芯样测量获得，试验方法和数据处理应符合现行《公大值Eb,max、最小值Eb,min、标准差σ和变异系数Cv，通过假设检验，采用正态分布确定路面基层回弹模量的分布模型。7.2.5无机结合料稳定基层材料弯拉强度变异性的确定无机结合料稳定基层材料弯拉强度变异性的统计样本可采用施工中取料，室内成型、标准养护的试件测量获得，测试应符合现行《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》变异系数Cv，通过假设检验，采用正态分布确定路面基层弯拉强度的分布模型。7.3路基特性参数7.3.1路基动态回弹模量变异性的确定统计路基模量样本均值0、最大值E0,max、最小值E0,min、标准差σ和变异系数统计路基模量样本均值0、最大值E0,max、最小值E0,min、标准差σ和变异系数Cv，通过假设检验，采用正态分布确定路基模量的分布模型。7.4环境参数7.4.1温度调整系数9T/CI280-2024温度作用的影响采用温度调整系数等效代替，其中沥青混合料层疲劳、无机结合料稳定层疲劳和路基竖向压应变指标中的温度调整系数应符合现行《公路沥青路面设计规范》(JTGD50-2017)附录G的有关规定。7.4.2季节性冻土地区调整系数冻土效应的影响采用季节性冻土地区调整系数等效代替，其中沥青混合料层疲劳和无机结合料稳定层疲劳指标中的季节性冻土地区调整系数应符合现行《公路沥青路面设计规范》(JTGD50-2017)表B.1.1的有关规定。8沥青路面可靠度分析与评价8.1路面结构极限功能函数构建沥青混合料面层疲劳开裂寿命、无机结合料稳定层疲劳开裂寿命和路基顶面竖向压应变验算应符合现行《公路沥青路面设计规范》(JTGD50-2017)附录B的有关规定。8.1.1沥青混合料面层疲劳开裂寿命极限状态功能函数1=6.32×1015.96−0.29×a×b××()3.97×()1.58()2.72−e1(8.1.1-1)式中：Ne1−−沥青面层设计年限内设计车道当量轴载累计作用次数，按本文件第6.1条规定确定；−−目标可靠指标，根据公路等级按表1取值；Ka−−季节性冻土地区调整系数；εa−−沥青混合料层层底拉应变(10-6)，应符合现行《公路沥青路面设计规范》(JTGD50-2017)第6.2.2条的技术规定并按式(B.1.1-3)计算。Kb−−疲劳加载模式系数，按式(7.1.1-2)计算；b=3.33ha−−沥青混合料层厚度(mm)；Ea−−沥青混合料20℃、10Hz条件下的动态压缩模量(MPa)；VFA−−沥青混合料的计算结构层沥青饱和度(%)；KT1−−温度调整系数，应符合现行《公路沥青路面设计规范》(JTGD50-2017)附录G的有关规定。8.1.2无机结合料稳定层疲劳开裂寿命极限状态功能函数：式中：Ne2−−基层设计年限内设计车道当量轴载累计作用次数，按第6.1条规定确定；T/CI280-2024Ka−−季节性冻土地区调整系数，应符合现行《公路沥青路面设计规范》(JTGD50-2017)表B.1.1的有关规定;KT2−−温度调整系数，应符合现行《公路沥青路面设计规范》(JTGD50-2017)附录G的有关规定;RS−−无机结合料稳定类材料的弯拉强度(MPa)；m,n−−疲劳试验回归参数；Kc−−现场综合修正系数，不同类型无机结合料稳定材料的Kc应符合现行《公路沥青路面设计规范》(JTGD50-2017)式(B.2.1-2)的有关规定；,hb−−分别为沥青混合料层和计算点以上无机结合料稳定层厚度；β−−目标可靠指标，根据公路等级按表1取值；−无机结合料稳定层的层底拉应力(MPa)，应符合现行《公路沥青路面设计规范》(JTGD50-2017)第6.2.2条的技术规定并按式(B.2.1-3)计算。8.1.3路基顶面竖向压应变极限状态功能函数：3=1.25×104−0.1×(T3×e3)−0.21−Z式中：Ne3−−路基设计使用年限内设计车道当量轴载累计作用次数，按第6.1条规定确定；β−−目标可靠指标，根据公路等级按表1取值；KT3−−温度调整系数，应符合现行《公路沥青路面设计规范》(JTGD50-2017)附录G的有关规定;εZ−−路基顶面压应变(10-6)，应符合现行《公路沥青路面设计规范》(JTGD50-2017)第6.2.2条的技术规定，并按式(B.4.2)计算。8.2沥青路面结构参数随机特性8.2.1工程实际截断分布模型获得沥青路面结构各层的厚度hi、模量Ei、沥青混合料的沥青饱和度VFA、无机结合料稳定类材料的弯拉强度RS和路基顶面的回弹模量E0等参数分布模型，按照附录A式E.1~E.4得到考虑实际沥青路面工程各参量的截断分布模型。8.2.2路面结构参数随机抽样沥青路面结构多指标可靠度按照图1所示蒙特卡洛法流程计算。各参量根据附录A和8.2.1节获取的截断分布模型进行随机抽样计算。8.3沥青路面结构可靠度计算8.3.1蒙特卡洛抽样次数T/CI280-2024按照蒙特卡洛法计算沥青路面结构多指标可靠度，预先确定初始抽样次数N0，逐步增加抽样次数迭代计算，得到失效概率曲线Pf,i=Nfail/Ni,(i=1、2、3),直至前后两次Ni,(n-1)、Ni,(n)的失效概率Pf误差小于0.5%，即得到稳定的可靠度抽样次数Ni,(n)及对应的可靠度Pi计算结果。8.3.2沥青路面结构的失效概率结构层失效概率Pf为=...()(,,,;)=(,,,;)(8.3.2-1)式中：Df为功能函数(x)<0的失效区域。g为统计结构失效次数的示性函数，=，其中为7.1节沥青路面结构极限功能函数。N次蒙特卡洛抽样计算中沥青路面结构各层失效概率的无偏估计值pf为式中：i=1、2、3对应1为沥青面层疲劳开裂寿命失效概率；2为沥青路面基层疲劳开裂失效概率；3为沥青路面路基永久变形失效概率。沥青路面结构各层的可靠度为1-pfi。8.3.3路面结构多指标可靠度沥青路面结构符合串联系统结构的可靠度，多指标可靠度分析中，面层、基层和路基任一层结构失效均会导致路面结构体系失效。因此，沥青路面结构多指标系统的可靠度为(1-pfi)min。8.3.4沥青路面结构可靠度计算流程图T/CI280-2024沥青饱和度