淺談用FWD彎沉盆參數研究瀝青路面反應模型

陳子金 王昌衡

1 概述

許多研究表明,對瀝青路面而言,無論采用哪種層狀體系理論,路表彎沉盆與荷載中心垂直彎沉值都存在一定的關系,并根據這些關系,對彎沉盆參數與路面反應如應力和應變做了許多的研究。以下為一些研究者提出的路面反應模型,根據瀝青路面破損類型分疲勞開裂模型和車轍模型。

2 疲勞開裂模型

2.1 Jung模型

Jung(1988年)提出一種預測瀝青混凝土面層底部拉應變的方法[1],該方法需用到FWD承載底板邊緣彎沉值的斜率,其斜率是將彎沉盆的倒數代入多項式得到的。瀝青面層底部的拉應變(εac)由曲率半徑R確定:

其中,Hac為瀝青面層厚度;a為FWD承載底板半徑;D0為荷載中心的彎沉值;Dedge為承載板邊緣的彎沉值,由曲線代入單個彎沉盆計算得到。

2.2 Thompson模型

Thompson(1989年,1995年)對全厚式路面和級配基層路面進行研究[2,3],提出使用彎沉盆縱剖面下的面積(AUPP)來確定瀝青面層底部的拉應變(εac)。如圖1所示,其面積AUPP由式(3)確定:

其中,D0,D1,D2,D3分別為距荷載底板中心距離為0 mm,305 mm,610 mm,915 mm處的彎沉值,mm。

對全厚式瀝青路面,瀝青面層底部的拉應變(εac)的計算式為:

對級配基層瀝青路面,瀝青面層底部的拉應變(εac)與AUPP關系為:

Garg和Thompson(1998年)通過試驗研究得出,AUPP是一種較為重要的彎沉盆參數,用AUPP來預測瀝青面層底部的拉應變(εac),能得到較為準確的結果。由于AUPP反映的是彎沉盆的一項幾何特性,因此用其預測εac不受路基和路面類型的影響。

2.3 Hee Mun Park模型

Hee Mun Park(2001年)在其博士論文中對此作了大量的研究[4,5],在進行彎沉盆參數分析中發現,瀝青面層底部的拉應變εac與基層損壞指數(BDI)有很好的相關性。對于全厚式瀝青路面,面層底部的拉應變 εac與BDI的關系為:

對骨料基層瀝青路面,面層底部的拉應變εac與BDI的關系為:

其中,彎沉盆參數BDI可參見表1;Hac為瀝青面層厚度,mm。

表1 彎沉盆參數

3 車轍模型

3.1 Thompson模型

Thompson(1989年)通過研究,用路基應力比(SSR)來估計路面體系的車轍潛力,路基應力比(SSR)定義為:

其中,SSR為路基應力比;σdsg為路基偏應力;qu為路基無側限抗壓強度。

通過用ILLIPAVE有限元程序進行數據擬合,得到以下回歸方程用于確定基層柔性路面的SSR:

表2列出了重要季節(春季)的SSR設計標準,該標準對設計交通量下整個預測的表面車轍可接受水平進行限制。

表2 重要時期 SSR的設計標準

3.2 Hee Mun Park模型

Hee Mun Park(2001年)在其博士論文中,對車轍問題主要考慮以下應變:瀝青面層平均壓應變εcac;基層頂面壓應變εabc;路基頂面壓應變εsg。研究中發現,各項應變分別與不同的彎沉盆參數有較好的相關性。其中,瀝青面層平均壓應變εcac與SCI的關系為:

基層頂面壓應變εabc與基層損壞指數BDI間的關系為:

其中,Hbase為基層厚度,mm。

對全厚式瀝青路面,路基頂面壓應變εsg與基層損壞指數BDI相關性較好,兩者關系為:

然而,對于骨料基層,路基頂面壓應變εsg與基層彎曲指數BCI相關性較好,兩者關系為:

4 結語

研究路面反應模型對了解道路使用壽命,分析路面結構狀態及預測道路使用壽命等有著極其重要的作用。以上研究都是在利用FWD彎沉盆參數的基礎上進行的,無論利用的是何種FWD彎沉盆參數,都從不同側面反映了路面反應與FWD彎沉盆參數的內在關系。因FWD彎沉盆參數較多,這種研究人們會繼續下去,繼續推進這一研究工作的開展。

[1]Jung,F..Direct Calculation of Maximum Curvature and Strain in Asphalt Concrete Layers of Pavements from Load Deflection Basin Measurements.Transportation Research Record 1196,TRB,Washington D.C,1988:225-259.

[2]Thompson,.R.Area Under the Pavement Profile to Predict Strain.Informal Presentation at FWD Users Group Annual Meeting,Indianapolis.IN.1989:168-93.

[3]Thompson,M.R..ILLI-PAVE Based NDT Analysis Procedures.In:Nondestuctive Testing of Pavements and Backcalculation of Moduli,ASTM STP 1026.A.J.BushⅢand G.Y.Baladi,EDs.ASTM,Philadelphia,1989:229-244.

[4]Kim,Y.R.,H.M.Park.Use of Falling Weight Deflectometer Multi-Load Level Data for Pavement Strength Estimation.In:NCDOT Report(Project HWY-00-4).North Carolina State University,2001:32-80.

[5]Xu Bing,S.R.Ranjithan,Y.R.Kim.Development of Relationships Between FWD Deflections and Asphalt Pavement Layer Condition Indicators.In:Paper submitted to TRB,2001:372-378.