- 文献综述(或调研报告):
国外轴载换算具有代表性的主要有AASHTO法、Shell设计法、AI设计法[1,2]。AASHTO设计方法以轴重82kN为标准轴载,将路面结构的即时服务能力PSI(Present Serviceability Index)作为设计指标,将使用年限末的路面服务能力指数作为设计控制标准。Shell设计法的标准轴载是单轴双轮80kN,该方法的具体轴载换算是把路面结构分为包括路基、基层和沥青层在内的三层结构,三层结构的材料特性均用厚度、弹性模量和泊松比三个指数来表征。将沥青面层的层底水平拉应变和路基项面的竖向压应变两个指标作为主要参考标准,并将水稳材料层底弯拉应力以及路面表面车辙深度作为次要标准。AI法与Shell法事实上差别不大,同样是假设路面为多层弹性体系,标准轴载采用80kN,轴载换算同样用AASHTO方法,其设计采用的主要参考标准也与Shell法一样。
我国现行的JTG D50-2006《公路沥青路面设计规范》[3]中轴载换算方法普遍以两种方法进行换算:以设计弯沉值和沥青层层底拉应力为指标换算方法以及以半刚性材料层的拉应力为指标的换算方法。王辉等[4]在沥青路面按弯沉等效的轴载换算的研究中指出轴载换算指数主要影响因素为路面结构强度与轴载重量,而轮胎压力的影响并不明显;给出了不同于规范中轴载换算指数值;同时讨论了对于重载交通下的轴载换算指数表达形式。
王维等[5]在《半刚性基层沥青路面设计方法存在问题探讨》中指出现规范轴载换算中存在的几点问题:1)由于弯沉综合修正系数F值,设计弯沉值之比等于理论弯沉值之比这个假设前提值得商榷;2)随着施工工艺的完善和施工质量的提高,沥青路面技术的快速发展,大量优质沥青尤其是改性沥青的使用,FWD弯沉检测技术的应用等,C值是否还能等于0.2有待进一步研究。3)对于轴载大于130 kN的轴载换算公式中n取值只是在条文说明中建议为5.0-5.8,没有给出具体的数值。在规范正文只是说应根据实际情况,经论证单独选用设计计算参数,给设计人员带来较大的麻烦与不确定因素。
王旭东等[6]在对路面设计中弯沉等指标的探讨中指出按照弹性层状体系理论,路表理论弯沉与结构层内部的应力、应变在概念上都是等效的,都是基于同一个力学模型、同一组计算参数得到的,只是从不同角度反映了路面整体结构的力学响应状态。作为一个路面结构的设计指标各有千秋,即有其合理性,也各有其不足。其次,由于路面材料自身的非线性和各向异性,以及层间结合状态的不确定性,理论力学模型与路面结构的实际状态存在一定的差异,理论计算得到的弯沉、应力或应变当作为设计指标时都应该进行必要的标定、修正。相比之下,通过现有的检测手段可以得到比较可靠的路面结构的实际弯沉,因此,弯沉指标的修正比较容易。实际工程表明,弯沉指标的修正不仅与路基强度(以模量表征),而且与路面结构形式有关。再者,弯沉是反映路面结构在荷载作用下整体结构承载能力大小的指标,与路面结构的各种病害形式和使用功能评价,有一定的关系,但没有必然的联系。因此,单独一个弯沉指标并不能完全反映路面结构的使用状态,还需要通过材料组成设计、结构优化设计以及必要的应力或应变的控制指标等共同完善沥青路面结构和材料设计。所以一味地追求弯沉指标和忽视弯沉指标对于路面结构设计都是不完善的。故道路结构设计最好能采用多个单项指标,而不是只采用综合指标,这样可以对特定的损坏类型进行全方面的控制。
关于轴载换算新方法中该采用何种指标,国内学者有相关的研究。孙志林等[7]利用BISAR程序,计算了半刚性基层、柔性基层等几种不同沥青路面结构在不同荷载下的路基顶面压应变,并回归得到了基于路基顶面压应变的轴载换算公式,结果表明基于路基顶面压应变的轴载换算指数b受胎压、轴重及路面结构影响很小。可取轴载换算指数b为O.986,最后算得基于路基顶面压应变的轴载换算指数为4.93。吴尚等[8]认为现规范沥青路面轴载换算是基于疲劳损伤等效建立的,采用的是线性疲劳损伤理论,这种换算方法无法考虑既有损伤对后续加载过程的影响,低估了荷载的作用,造成换算的不科学性,因此其通过沥青混合料疲劳试验,建立了沥青混合料的非线性疲劳损伤演化方程,据此建立了基于非线性损伤理论的沥青路面轴载换算新方法。陈少幸等[9,10]根据不同荷载与路面结构下的计算沥青层层底拉应变,分析柔性基层沥青路面轴载换算的影响因素,并得到了按疲劳等效时柔性基层沥青路面的轴载换算公式。宋鑫等[11]利用APBI程序, 计算了不同柔性基层沥青路面在不同胎压、不同轴重作用下的路基顶面压应变和沥青层底弯拉应变。根据轴载换算等效原则, 分别计算了基于路基顶面压应变和沥青层底拉应变的不同柔性基层沥青路面在轴重、胎压不同工况组合下的轴载换算指数。结果表明基于沥青层底弯拉应变的柔性基层沥青路面轴载换算指数b受胎压、轴载及路面结构的影响较大, 通过回归分别得到三种柔性基层沥青路面的轴载换算系数:全柔性结构1.447、倒装结构1.534、组合式结构1.112。
杨砚等[12]在柔性路面设计方法探讨中给出以下建议:
1 因沥青混合料具有明显非线性特性(弹、粘、塑性体) , 由于其模量的不确定性,应力指标仅是一种虚构的概念, 且难以实测. 相反, 若以应变指标作为防止疲劳开裂的极限指标, 乃是可以实际直接量测的指标.因为我们在作路面足尺模拟试验时, 直接量测到的是应变而不是应力, 这也便于对理论进行验证因此, 对沥青混合料面层, 应考虑以面层底部的最大拉应变作为极限指标来控制疲劳开裂。
2 在路面设计中应将材料非线性考虑进去,开发路基土和粒料基层材料的回弹模量的应力依赖性模型以及沥青混合料在不同温度和加载速度下的劲度模量
3 将环境因素纳入计算过程.,
4 吸收路面管理系统的研究成果到设计规范中来.
