文摘

改善沥青路面的耐久性与沉重的交通状况在寒冷地区,级配碎石过渡层的参数优化(GMTL)倒基于沥青路面力学响应和强度标准进行了研究。GMTL的应力分布规律进行了研究,通过BISAR3.0不同负载。厚度和模量的影响在人行道上GMTL应力进行了分析。最优的厚度和模量范围GMTL下定了决心。结合自行设计的实时数据采集和处理系统总态度(RDAPS), GMTL成立的力量控制标准。最后,优化反向沥青路面结构的性能验证通过MEPDG设计方法。结果表明,表层的底部拉应力降低约58%,剪切应力在GMTL GMTL模数时增加了17%从300 MPa提高到800 MPa。然而,模量的变化没有显著影响沥青表层的最大剪切应力和拉伸应力基本层底部。当GMTL厚度的增加从12厘米至20厘米,底部的基础层的拉应力降低31%左右。基于机械仿真计算结果和所需的技术指标,推荐最优参数的模量是GMTL 700 MPa, 18厘米的厚度。 In addition, the spatial attitude angle ΦN无线智能的态度总(WIAA),抗压强度Rc标准,加州承载比(CBR)标准进行了分析和强度控制标准,倒与GMTL提出了沥青路面,即CBR≥354%,Rc≥1.06 MPa,ΦN≤3°。显著改善抗裂缝中可以看到倒沥青路面结构优化时应用。以20年的使用寿命为例,自上而下裂缝减少29.3%,自下而上裂缝减少32.6%相比原来的结构。推荐的GMTL结构参数可以用来指导施工和设计倒在寒冷地区沥青路面。

1。介绍

在交通拥挤的持续影响下,传统的路面结构设计方法基于多层弹性理论分析面临着严重的挑战。它体现在以下几个方面:(1)机械指标主要是拉应力和压应力,这是太简单分析下当前道路的破坏机理复杂的交通和气候条件。(2)结构组合设计没有充分考虑机械响应和材料属性。这些挑战导致一个可怕的减少沥青路面的耐久性。因此,道路工程师已经开展了许多相关的研究。

卡里米等人开发了一个各向异性非线性粘弹性本构关系敏感紧张/压缩应力模式通过扩展Schapery的非线性粘弹性模型1]。王等人进行了联合static-and-dynamics分析综合评价路面结构应力状态(2]。Lv等人建立了一个标准化模型不同应力状态下的沥青混合料疲劳特征基于屈服准则的三维应力状态(3]。立顿等人受损的测量和建模解决沥青混合物的性质,包括骨折愈合,沥青混合料的粘弹性变形拉伸和压缩载荷4]。如果等人建立了一个有限元模型的沥青路面使用有限元分析软件,用于分析热应力和孔隙水压力在降雨入渗条件下路面结构5]。本克先生等人研究了沥青路面结构的长期反应(建模为在大应变弹塑性固体)周期交通负荷通过有限元法(FEM) (6]。Assogba等人研究了沥青路面响应的综合效应的非线性热梯度和移动轴荷载通过先进的三维路面有限元模型(7]。谢等人分析了横向裂缝的力学响应处理车轮荷载和温度荷载作用下不同的几何结构基于正交设计方法(8]。总之,各种措施,如非线性粘弹性模型,static-and-dynamics分析,有限元模型,和结构的长期响应分析,用来改善沥青路面的耐久性。目前,沥青路面各结构层基本上是根据完整的功能需求而设计的。因此,很难适应机械和功能需求的各种沥青路面结构层(9]。例如,上层主要扮演了一个角色在antirutting函数,这意味着上层应该的沥青混合料强度高。然而,抗开裂也强调在沥青混合料设计。总的来说,这是不可避免的一个挑战来平衡上述两次表演(10]。倒沥青路面(IAP)指的是一种新型的沥青路面结构级配沥青稳定碎石或砾石层在半刚性的层。这种路面结构能有效地提高antirutting能力和抗裂缝的沥青路面11]。在寒冷的地区,主要的痛苦IAP结构的类型与级配碎石过渡层(GMTL)表层开裂,发情,在基地层剪切破坏12]。的剪切破坏GMTL本质上是与剪切变形引起的过度剪切应力结构。因此,剪切强度反映了剪切变形能力应该使用强度控制指标。控制指数GMTL材料的剪切强度,学者在中国和其他国家已经做了很多相关的研究。吉马良斯利马提出一些新的参数模型和粒度分布的必要性分析,指出石骨架颗粒的基本层和底基层层(13]。郭等人控制指标进行了调查分析,根据破坏形式的灵活的级配碎石(GCS)层沥青路面结构。结果表明,10厘米厚的沥青表面拉应力变化曲线的转折点指标的沥青层和级配碎石层的剪切应力指标(14]。汉等人采用3.0 BISAR程序计算剪切应力在级配碎石基地。发现沥青层厚度时不应该太薄的级配碎石基地20厘米(15]。许等人开发了一种塑性变形模型GCS基础层基于相对变形和塑性变形比之间的关系16]。尽管该指数可以描述柔性基础材料的剪切变形阻力,很难被应用在实践中,因为复杂的测试过程,测试成本高,和不一致的测试方法。

改善沥青路面的耐久性与沉重的交通状况在寒冷地区,参数优化的GMTL IAP基于材料力学响应和强度标准是在本研究进行的。

2。原材料和实验方法

2.1。计算参数测定BISAR 3.0

BISAR3.0程序基础上,应力,应变,和任意点的位移可以计算不同层接触条件下路面结构,它提供了数据定量描述路面结构的力学响应(17]。考虑到大量的力学计算,BISAR3.0程序用于计算沥青路面结构的压力。材料参数和负载变化的影响结构沥青路面结构的应力进行了分析。在分析过程中,路面结构通常被视为一个线性弹性层系统(18]。典型的IAP的结构和计算参数如表所示1。

表1
路面结构和参数。

选中的路面结构类型是源自一个IAP结构测试区河北、寒冷地区的中国。根据《公路沥青路面设计规范(JTD d50 - 2017),“负载和计算点是使用双圆均匀垂直荷载计算(19),如图1。


图1
0.7 MPa下的剖视图的负荷计算点轮胎地面压力。
2.2。选择强度控制指标

根据GMTL IAP在寒冷地区的破坏特征、强度控制指标提出了结合加州承载比(CBR),抗压强度(Rc),和空间的态度总天使从自主研发获得实时数据采集和处理系统(RDAPS)。RDAPS体积小,成本低,精度高是本研究开发的。系统由无线智能的态度总(WIAA),分析软件和硬件设备,如图2。

(一)
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(b)
(b)
(c)
(c)
图2
介绍RDAPS。(一)WIAA的外观。(b) RDAPS分析软件。(c) RDAPS的硬件设备。

可以看到从图2(一个),WIAA 20毫米的大小由一种态度传感器、微功率电源模块,无线传输模块(发射机)。WIAA由硬树脂封装材料使用3 d打印技术。因此,WIAA的形状可以由用户设计和控制。信号稳定也可以接受由于WIAA外壳的机械强度高。微功率电源模块有一个遥控开关的功能。数据采集的时间间隔可以通过软件编程控制确保WIAA的长期耐力。WIAA可以输出数据空间姿态角的三个方向。从图2 (b)软件是由Python编程语言。总态度数据可以收集,保存,实时分析。如图2 (c),它主要包括一个无线传输模块作为一个信号受体,微功率电源模块作为控制终端、数据处理系统和显示屏幕。植入GMTL WIAA时,它可以在变形与级配碎石合作。WIAA的姿态角是通过RDAPS收集和分析,以定量描述嵌入式级配碎石的状态。

CBR可以用来描述材料的承载能力和抗变形性。此外,CBR试验使用的仪器操作方便。在路面结构的不均匀沉降,Rc可以作为一个索引来控制GMTL的变形。级配碎石的压实过程中,的空间姿态角WIAA将常数级配碎石后已经在密集状态。换句话说,在级配碎石联锁骨架形成。因此,CBR,Rc选择的姿态角WIAA GMTL材料的强度设计指标。

2.3。研究过程

首先,GMTL的应力分布规律进行了研究,通过BISAR3.0不同负载。厚度和模量的影响在人行道上GMTL应力分析和最优厚度和模量范围GMTL的决心。然后,结合自主研发的RDAPS, GMTL成立的力量控制标准。最后,优化的性能通过MEPDG IAP结构验证了设计方法。本研究有实际意义促进IAP施工工艺在寒冷地区的发展和改善沥青路面的耐久性。研究流程图如图3(20.]。


图3
本研究的研究流程图。

3所示。结果与讨论

3.1。力学响应分析
3.1.1。沥青表层的拉应力和剪切应力

剪切应力和拉伸应力的分布下的沥青表层0.7 MPa负载如图4。

(一)
(一)
(b)
(b)
图4
沥青表层的应力分布规律。(一)剪切应力分布。(b)拉应力分布。

图4(一)表明,多数大型剪切应力的范围是0厘米到12厘米低于路面。其中,最大剪应力的上层沥青路面被观察到l5点,从路面约4厘米。最大剪切应力出现在中间的层l4点,从路面8厘米。因此,l4点和l5点被选为研究点的剪切应力沥青表层。图4 (b)表明,拉伸应力的发生l1和O点,和底部的最大拉应力出现在沥青层O2点。的O和O2点被选为计算点为研究沥青路面表面的拉应力和沥青层,分别。

3.1.2。剪切应力的GMTL

与GMTL为沥青路面,路面表面的拉应力很小,即使在交通繁忙。没有考虑路面表面的拉应力下的交通负载如果GMTL设计(21]。自从GMTL容易发生塑性变形,剪切应力分布规律的GMTL 0.7 MPa负荷进行了研究,如图5。


图5
GMTL的剪切应力分布。

图5显示的最大剪应力GMTL出现在O2点。因此,O2点被选为研究点。的剪切应力分布O2点在不同负载下如图6。从图可以看出6GMTL最大剪应力的增加线性增加负载。


图6
加载对剪切应力的分布规律的影响O 2点。
3.1.3。水泥稳定碎石基础层的拉伸应力

水泥稳定碎石的抗拉应力分布规律基本层0.7 MPa下加载如图7。


图7
拉应力的分布稳定碎石基地层。

图7表明,水泥稳定级配碎石基地的最大拉应力层底部的出现O点,O点被选为研究点的拉应力水泥稳定碎石基地。基拉应力的分布规律O点在不同负载下如图8,这表明,最大拉应力水泥稳定级配碎石基地层底部的增加线性增加负载。


图8
拉应力的分布O水泥稳定碎石基础层点不同的加载条件。
3.1.4。GMTL对每个结构层的力学指标的影响

为了方便计算和分析,GMTL 12∼20厘米的厚度范围和模量范围是300∼800 MPa。厚度和模量的影响GMTL在拉应力下的表层,GMTL的最大剪应力和最大拉应力在半刚性的基础层数据所示9- - - - - -11。


图9
对底部的最大拉应力影响的表层。

图10
GMTL最大剪应力的影响。

图11
影响半刚性的基础层的最大拉伸应力。

根据图9,当GMTL不同模量从300 MPa 800 MPa,底部的最大拉伸应力的表层减少高达58%。当GMTL厚度不变而模量是700 MPa,表层的底部拉应力是最小的。GMTL模量是300 MPa时,拉应力底部的表层显著增加。然而,拉伸应力的增加的趋势减弱了模量的增加。图10表明,当GMTL的厚度不变,GMTL剪切应力的增加与模量高17%。当GMTL是18厘米的厚度,self-shear压力相对最低。图11显示,当GMTL的厚度是常数,GMTL模数的变化没有显著的影响在拉应力下的半刚性的基础层。当GMTL厚度的增加从12厘米至20厘米,底部拉应力基本层的减少了约31%。

得出GMTL模量的增加可以显著降低表层的底部拉应力和剪切应力增加GMTL,但它没有显著的影响在其他压力。底部拉应力减少半刚性的基础层和拉应力增加底部的表层观察与厚度的增加GMTL GMTL模数时设置为300 MPa。基于上述力学计算结果和现场施工要求,建议最优的模量和厚度GMTL 700 MPa和18厘米,分别。

3.2。力量控制GMTL的标准
3.2.1之上。压应力水平的决心

表中的信息1和实地调查的累计当量轴在寒冷地区交通拥挤道路选择被用来计算的压应力GMTL ABQUES的通过。结果如表所示2。

表2
GMTL的压应力水平。

在这项研究中,均值为0.446 MPa被选为允许的压应力。

3.2.2。建立强度标准

(1)抗压强度标准。当最大压应力δ马克斯超过了允许的值在车辆荷载的作用下,会发生永久变形GMTL [22]。因此,δ马克斯应小于允许的压应力。根据临界条件,Rc如果可以获得δ马克斯等于允许压应力: 在哪里Ku抗压强度系数。

根据现场调查交通量和“公路沥青路面设计规范(JTG d50 - 2017),“抗压强度系数的代表不同交通水平下计算河北省的寒冷地区。结果如表所示3。

表3
抗压强度代表值的系数在河北寒冷地区。

考虑到该领域的工程情况,选择抗压强度系数2.37。根据公式(1),Rc所需GMTL 1.06 MPa下交通拥挤在这方面的水平。

(2)CBR的标准。Rc可以变成了CBR根据CBR和之间的关系Rc(23]。在这项研究中,无侧限抗压强度之间的关系和CBR下列公式所示:

根据前面的公式,CBR GMTL标准是354%。CBR标准可以更好地指导设计与施工的级配碎石材料受到交通拥挤。

(3)强度标准基于WIAA的空间姿态角。在这项研究中,粗、细骨料之间的质量比是69 - 31日和空隙度是10.3%。WIAA是混合骨料。沉重的压实试验是在一层进行压实的时候150下的最优含水量为5.1%。的空间姿态角WIAA被用来判断级配碎石的联锁条件。空间姿态角的计算方法见下面的公式: Φ空间姿态角和单位学位(°)。Φx的姿态角吗x设在方向。Φy的姿态角吗y设在方向。Φz的姿态角吗z -轴的方向。的强度标准基于WIAA GMTL决定根据WIAA的空间姿态角之间的关系和压实度GMTL(见图12)。


图12
空间姿态角和压实度之间的关系。

提出了图12,增加压实,ΦWIAA显示急剧下降趋势在最初的阶段(少于75倍),一个稳定的下降趋势在中间阶段(76∼110倍),和一个稳定的状态在第三阶段(111∼150倍)。这是因为压缩的初始阶段的过渡阶段级配碎石从一个松散的状态密度状态,导致Φ大幅减少(24]。在压实的中间阶段,级配碎石被进一步压缩,骨料之间的联锁骨架是在这个阶段形成的。这时,WIAA的活动空间是有限的,和Φ慢慢减少。第三阶段的压实、联锁结构级配碎石骨料之间一直在一个固定的状态。这时,ΦWIAA是稳定在0.05克/厘米3由于常见的传感器漂移现象。当压实度达到98%的规范要求,相应的压实乘以105,的空间姿态角WIAA不是处于稳定状态。因此,推断,当级配碎石的压实度符合要求,仍有进一步优化的空间内部骨料之间的联锁或接触状态(25]。以实验为例,压实度是99%在110年th压实而ΦWIAA没有改变了。因此,推断,骨料之间的联锁状态可能是相对最优状态的强度和稳定性。基于上述分析,得出Φ是一个更好的指标描述的强度和稳定性GMTL相比,压实度。

根据ΦWIAA,Rc标准和CBR标准上面所讨论的,IAP的力量控制标准与GMTL提出如下公式所示: 在ΦN意味着稳定后WIAA空间姿态角的价值N次压实。的价值N由实际情况决定。公式中的三个条件(4)必须达到在同一时间。最后优化路面施工和参数如表所示4。

表4
IAP的优化结构参数。
3.3。性能验证Pavement-Me软件

根据实地调查,主要路面祸患是自上而下的开裂和自底向上的开裂。这两种类型的裂缝可以使用Pavement-Me计算软件的参数化输入电平2级和3级。路面结构参数表中提到4。材料的参数表达的动态模量。交通参数是重交通等级。气候数据可以从实地调查获得的气象数据。这部分的研究设计进行性能比较。因此,默认值是用于MEPDG校正因子的方法(26]。具体参数如表所示5。

表5
Pavement-Me的计算参数。

Pavement-Me如图的计算结果13。

(一)
(一)
(b)
(b)
图13
基于Pavement-Me混凝土抗裂能力的预测结果。(一)自上而下的开裂。(b)自下而上的开裂。

从图13优化的自顶向下开裂路面已经减少了约29.3%的20年的服务。自底向上的开裂,自下而上的优化路面开裂已经减少了约32.6% (27]。结果表明,沥青路面结构GMTL具有良好的抗开裂,这是与以往的研究一致(28]。这些研究结果可以指导IAP在寒冷地区的建筑和设计。

4所示。结论

(1)GMTL模量的增加,变形的表层会在一定负载下的少,这使得拉应力降低了。然而,力的方向O点选择在这项研究中有一个趋势的地平线方向垂直方向只要GMTL模量达到或关闭的沥青混合料层。表层的底部拉应力降低58%和GMTL剪应力增加了17%,从300 MPa GMTL模量增加到800 MPa。模量的变化没有显著影响沥青表层的最大剪切应力和拉伸应力基本层底部。(2)当GMTL厚度的增加从12厘米至20厘米,底部的基础层的拉应力降低31%左右。结合力学计算结果与现场技术要求,推荐最优参数的模量是GMTL 700 MPa, 18厘米的厚度。(3)空间姿态角ΦN无线智能的态度总(WIAA),抗压强度Rc标准,和CBR的标准进行了分析,倒与GMTL沥青路面的强度控制标准提出了,也就是说,CBR≥354%,Rc≥1.06 MPa,ΦN≤3°。(4)寒冷地区的河北,中国,优化反向沥青路面结构抗裂性能有很大的改善。以20年的使用寿命为例,自上而下裂缝的危害程度降低29.3%和自底向上的裂缝减少32.6%相比原来的结构。

数据可用性

在这项研究中提出的数据都可以在请求从相应的作者。由于隐私不公开的数据。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

作者的贡献

y l .进行调查。c . z开发方法。c . z提供软件。y l .执行验证。所有作者已阅读及同意发布版本的手稿。

确认

这项研究是由中国博士后科学基金会(2020 m683402)的重点实验室开放基金的特殊地区公路工程教育部(长安大学)(300102210504),和西安的科技计划项目(2020 kjrc0046)。