柔性路面力學敏感性正交分析設計

廖彩鳳,蔣國杰,劉 勇

(上海市政交通設計研究院有限公司,上海市 200030)

柔性路面力學敏感性正交分析設計

廖彩鳳,蔣國杰,劉 勇

(上海市政交通設計研究院有限公司,上海市 200030)

采用正交分析法分析了不同柔性路面設計指標隨路面結構層厚度變化的力學敏感性,并得到了在等經(jīng)濟性變化及等厚度變化兩種不同條件下路面結構各層厚度變化對設計指標的影響程度;并以此為基礎,給出了僅考慮經(jīng)濟性或僅考慮厚度條件下的路面結構對比實例。

柔性路面;力學敏感性;正交分析

0 引言

柔性路面結構在國外應用推廣已有多年,并形成一系列適用于各自交通特性的設計方法、典型路面結構及設計規(guī)范。

在我國,相比于早已推廣應用數(shù)十年的半剛性路面結構,柔性路面結構的應用非常有限,目前僅建成一些試驗路,并未大規(guī)模地投入應用。對于柔性路面結構設計指標主要借鑒自國外規(guī)范及我國現(xiàn)有的半剛性路面設計規(guī)范,尚未對柔性路面結構不同厚度情況下的組合設計進行深入研究。

因此,有必要針對柔性路面結構的厚度設計問題,采用科學的研究方法對柔性路面各設計要素進行研究,提出合理的柔性路面厚度設計指標及要點,為我國柔性路面結構設計提供依據(jù)及支撐。

1 研究方法及參數(shù)

1.1 研究工具及方法

該項研究采用bisar軟件作為主要力學工具,并采用正交分析方法對柔性路面結構在不同力學敏感性因素下的力學性能進行比較。

正交分析是根據(jù)正交性從全面的分析對象中挑選出部分有代表性的點進行分析,這些有代表性的分析對象具備了均勻分散、齊整可比的特點。正交分析方法是分式析該設計的主要方法。

1.2 研究因素

1.2.1 主要影響因素

柔性路面設計主要考慮厚度因素,其次考慮材料的模量因素。一般情況下,若未采用高模量瀝青等特殊粘結材料,瀝青混合料在常溫條件下模量隨粘結料類型的變化影響并不明顯,所以本文不考慮路面材料模量變化。

為簡化計算,柔性路面上面層取固定值4 cm,中下面層由于材料性能相近,合并為瀝青聯(lián)結層考慮,即聯(lián)結層厚度為中下面層厚度之和。

綜合考慮以上因素,該項正交分析的主要影響因素為:瀝青聯(lián)結層厚度、柔性基層厚度、底基層厚度、路基模量。

1.2.2 因素影響水平分析

厚度因素的影響水平從兩方面分析:等經(jīng)濟性變化分析、等厚度變化分析。

1.2.2.1 等經(jīng)濟性變化分析

當柔性路面結構厚度不受限時,通過等經(jīng)濟性變化研究采用何種路面結構厚度組合可以在柔性路經(jīng)濟性較好的情況下達到較好的路面性能。

結合現(xiàn)有材料的實際工程造價,本文設聯(lián)結層采用材料為AC-20或AC-25(取兩者價格均值,則每2 cm厚約30元/m2),基層材料采用ATB-25 (每2 cm厚約25元/m2),底基層材料采用級配碎石(10 cm厚約25元/m2)。當瀝青聯(lián)結層厚度因素每個水平增量為2 cm時,考慮相同的經(jīng)濟性,柔性基層厚度變量每個水平增量應取2.5 cm,底基層厚度每個水平增量應為12 cm,因此,在相同的造價增量條件下,柔性路面厚度影響因素變量的水平取值如表1所列。

表1 影響因素變量的水平取值表(等經(jīng)濟性變化分析)

1.2.2.2 等厚度變化分析

當不考慮經(jīng)濟性時,通過等厚度變化研究在相同厚度變化的情況下采用何種路面結構厚度組合可以在柔性路面厚度較小的情況下達到較好的路面性能。

為使柔性路面結構的厚度變化達到較廣的范圍,柔性路面厚度影響因素只考慮做理論分析,取值如表2所列。

表2 影響因素變量的水平取值表(等厚度變化分析)

1.2.3 路面結構材料模量

柔性路面結構各層模量按表3取值計算。

2 柔性路面力學敏感性正交分析

2.1 正交分析表

正交分析選取瀝青聯(lián)結層厚度、柔性基層厚度、粒料類底基層厚度及路基模量共4個研究因素,每種因素取3種水平,因此等經(jīng)濟性變化分析及等厚度變化分析需分別建立標準的4因素3水平正交分析表。

表3 柔性路面結構瀝青混合料設計參數(shù)表(單位:MPa)

2.1.1 等經(jīng)濟性變化條件下正交分析表

等經(jīng)濟性變化條件下柔性路面結構各指標的各設計指標敏感性正交分析表見表4所列。

2.1.2 等厚度變化條件正交分析表

等厚度變化條件下柔性路面結構各指標的各設計指標敏感性正交分析表見表5所列。

表4 設計指標敏感性正交分析表(等經(jīng)濟分析)

表5 設計指標敏感性正交分析表(等厚度變化分析)

2.1.3 正交分析計算結果

等經(jīng)濟性變化和等厚度變化條件下各指標正交分析計算結果R值(極差)如表6所列。

表6 等經(jīng)濟性變化和等厚度變化條件下各指標正交分析計算R值匯總表

2.2 正交分析表計算結果分析

對表4～表6數(shù)據(jù)進行分析比較可以得到如下結論:

(1)通過對表4及表5中各指標對應的當量標準軸載作用次數(shù)進行對比可得:

a.對于柔性路面結構而言,彎沉指標所對應的當量標準軸載作用次數(shù)均小于層底拉應力指標所對應的當量標準軸載作用次數(shù),因此采用彎沉指標比采用層底拉應力更為不利。

b.對于柔性路面結構而言,彎沉指標所對應的當量標準軸載作用次數(shù)與層底拉應變指標所對應的當量標準軸載作用次數(shù)互有大小。

綜上分析,柔性路面采用彎沉指標及層底拉應變指標作為路面結構設計指標更合理。

(2)等經(jīng)濟條件下,通過對表6各指標的R值進行分析,結論如下:

a. 對于彎沉指標,因素變量影響程度由大到小排列為:底基層厚＞柔性基層厚＞瀝青聯(lián)結層厚＞路基模量。

b. 對于層底拉應力指標,因素變量影響程度由大到小排列為:底基層厚＞柔性基層厚＞瀝青聯(lián)結層厚＞路基模量。

c. 對于層底拉應變指標,因素變量影響程度由大到小排列為:柔性基層厚＞瀝青聯(lián)結層厚＞底基層厚＞路基模量。

綜上分析,當采用彎沉作為設計指標,需考慮最佳的經(jīng)濟性時,應采用較厚的底基層,其次考慮增加柔性基層的厚度。當采用層底拉應變?yōu)樵O計指標,需考慮最佳的經(jīng)濟性時,主要考慮增加柔性基層的厚度。

(3)等厚度變化條件下,通過對表6各指標的R值進行分析,結論如下:

對于所有設計指標而言,因素變量影響程度由大到小排列為:瀝青聯(lián)結層厚＞柔性基層厚＞底基層厚＞路基模量。這是由于在等厚度變化的情況下,材料模量大小對路面結構力學性能的提高作用更大。

3 基于力學敏感性分析的柔性路面結構設計

基于等經(jīng)濟、等厚度變化條件下得到的力學敏感性規(guī)律,本文提出兩種基于不同設計條件的路面結構實例進行對比(見表7、表8)。

表7 基于等經(jīng)濟性考慮的路面結構1一覽表

表8 基于等厚度變化考慮的路面結構2一覽表

兩種結構在標準軸載下的力學指標如表9所列。

表9 力學指標計算結果一覽表

由表9各指標對應的路面結構能承受的最大當量軸載作用次數(shù)如表10所列。

表10 最大當量軸載作用次數(shù)一覽表

由表9及表10可見,路面結構1最不利設計指標條件下能承受的當量標準軸載作用次數(shù)約為路面結構2的1.03倍,兩者的使用壽命基本一致。

通過經(jīng)濟指標分析,得到兩種路面結構的經(jīng)濟指標及其實際厚度,見表11所列。

表11 力學指標計算結果一覽表

由表11可得,路面結構2的厚度為路面結構1的83.1%,而路面結構1的造價為路面結構2的 86.7%，。

4 結語

該項研究采用正交分析方法對柔性路面結構力學敏感性進行了深入分析,結論如下:

(1)柔性路面采用彎沉指標及層底拉應變指標作為路面結構設計指標更合理。

(2)對于柔性路面結構而言,增加底基層厚度經(jīng)濟性優(yōu)于增加柔性基層厚度。

(3)當柔性路面厚度受限、而不需考慮工程造價因素時,可考慮增加柔性基層的厚度。

U416.221

A

1009-7716(2015)03-0135-03

2014-10-14

廖彩鳳(1974-),女,湖南衡山人,碩士,高級工程師,研究方向:道路工程。