柔性路面力學(xué)敏感性正交分析設(shè)計(jì)

廖彩鳳,蔣國杰,劉 勇

(上海市政交通設(shè)計(jì)研究院有限公司,上海市 200030)

柔性路面力學(xué)敏感性正交分析設(shè)計(jì)

廖彩鳳,蔣國杰,劉 勇

(上海市政交通設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)指標(biāo)隨路面結(jié)構(gòu)層厚度變化的力學(xué)敏感性,并得到了在等經(jīng)濟(jì)性變化及等厚度變化兩種不同條件下路面結(jié)構(gòu)各層厚度變化對設(shè)計(jì)指標(biāo)的影響程度;并以此為基礎(chǔ),給出了僅考慮經(jīng)濟(jì)性或僅考慮厚度條件下的路面結(jié)構(gòu)對比實(shí)例。

柔性路面;力學(xué)敏感性;正交分析

0 引言

柔性路面結(jié)構(gòu)在國外應(yīng)用推廣已有多年,并形成一系列適用于各自交通特性的設(shè)計(jì)方法、典型路面結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)規(guī)范。

在我國,相比于早已推廣應(yīng)用數(shù)十年的半剛性路面結(jié)構(gòu),柔性路面結(jié)構(gòu)的應(yīng)用非常有限,目前僅建成一些試驗(yàn)路,并未大規(guī)模地投入應(yīng)用。對于柔性路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)指標(biāo)主要借鑒自國外規(guī)范及我國現(xiàn)有的半剛性路面設(shè)計(jì)規(guī)范,尚未對柔性路面結(jié)構(gòu)不同厚度情況下的組合設(shè)計(jì)進(jìn)行深入研究。

因此,有必要針對柔性路面結(jié)構(gòu)的厚度設(shè)計(jì)問題,采用科學(xué)的研究方法對柔性路面各設(shè)計(jì)要素進(jìn)行研究,提出合理的柔性路面厚度設(shè)計(jì)指標(biāo)及要點(diǎn),為我國柔性路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(xiàng)研究采用bisar軟件作為主要力學(xué)工具,并采用正交分析方法對柔性路面結(jié)構(gòu)在不同力學(xué)敏感性因素下的力學(xué)性能進(jìn)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(diǎn)進(jìn)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(diǎn)。正交分析方法是分式析該設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)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(jié)材料,瀝青混合料在常溫條件下模量隨粘結(jié)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(jì)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(jié)層考慮,即聯(lián)結(jié)層厚度為中下面層厚度之和。

綜合考慮以上因素,該項(xiàng)正交分析的主要影響因素為:瀝青聯(lián)結(jié)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(jì)性變化分析、等厚度變化分析。

1.2.2.1 等經(jīng)濟(jì)性變化分析

當(dāng)柔性路面結(jié)構(gòu)厚度不受限時(shí),通過等經(jīng)濟(jì)性變化研究采用何種路面結(jié)構(gòu)厚度組合可以在柔性路經(jīng)濟(jì)性較好的情況下達(dá)到較好的路面性能。

結(jié)合現(xiàn)有材料的實(shí)際工程造價(jià),本文設(shè)聯(lián)結(jié)層采用材料為AC-20或AC-25(取兩者價(jià)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(dāng)瀝青聯(lián)結(jié)層厚度因素每個(gè)水平增量為2 cm時(shí),考慮相同的經(jīng)濟(jì)性,柔性基層厚度變量每個(gè)水平增量應(yīng)取2.5 cm,底基層厚度每個(gè)水平增量應(yīng)為12 cm,因此,在相同的造價(jià)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(jì)性變化分析)

1.2.2.2 等厚度變化分析

當(dāng)不考慮經(jīng)濟(jì)性時(shí),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(jié)構(gòu)厚度組合可以在柔性路面厚度較小的情況下達(dá)到較好的路面性能。

為使柔性路面結(jié)構(gòu)的厚度變化達(dá)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(jié)構(gòu)材料模量

柔性路面結(jié)構(gòu)各層模量按表3取值計(jì)算。

2 柔性路面力學(xué)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(jié)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(gè)研究因素,每種因素取3種水平,因此等經(jīng)濟(jì)性變化分析及等厚度變化分析需分別建立標(biāo)準(zhǔn)的4因素3水平正交分析表。

表3 柔性路面結(jié)構(gòu)瀝青混合料設(shè)計(jì)參數(shù)表(單位:MPa)

2.1.1 等經(jīng)濟(jì)性變化條件下正交分析表

等經(jīng)濟(jì)性變化條件下柔性路面結(jié)構(gòu)各指標(biāo)的各設(shè)計(jì)指標(biāo)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(jié)構(gòu)各指標(biāo)的各設(shè)計(jì)指標(biāo)敏感性正交分析表見表5所列。

表4 設(shè)計(jì)指標(biāo)敏感性正交分析表(等經(jīng)濟(jì)分析)

表5 設(shè)計(jì)指標(biāo)敏感性正交分析表(等厚度變化分析)

2.1.3 正交分析計(jì)算結(jié)果

等經(jīng)濟(jì)性變化和等厚度變化條件下各指標(biāo)正交分析計(jì)算結(jié)果R值(極差)如表6所列。

表6 等經(jīng)濟(jì)性變化和等厚度變化條件下各指標(biāo)正交分析計(jì)算R值匯總表

2.2 正交分析表計(jì)算結(jié)果分析

對表4～表6數(shù)據(jù)進(jìn)行分析比較可以得到如下結(jié)論:

(1)通過對表4及表5中各指標(biāo)對應(yīng)的當(dāng)量標(biāo)準(zhǔn)軸載作用次數(shù)進(jìn)行對比可得:

a.對于柔性路面結(jié)構(gòu)而言,彎沉指標(biāo)所對應(yīng)的當(dāng)量標(biāo)準(zhǔn)軸載作用次數(shù)均小于層底拉應(yīng)力指標(biāo)所對應(yīng)的當(dāng)量標(biāo)準(zhǔn)軸載作用次數(shù),因此采用彎沉指標(biāo)比采用層底拉應(yīng)力更為不利。

b.對于柔性路面結(jié)構(gòu)而言,彎沉指標(biāo)所對應(yīng)的當(dāng)量標(biāo)準(zhǔn)軸載作用次數(shù)與層底拉應(yīng)變指標(biāo)所對應(yīng)的當(dāng)量標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)及層底拉應(yīng)變指標(biāo)作為路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)指標(biāo)更合理。

(2)等經(jīng)濟(jì)條件下,通過對表6各指標(biāo)的R值進(jìn)行分析,結(jié)論如下:

a. 對于彎沉指標(biāo),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(jié)層厚＞路基模量。

b. 對于層底拉應(yīng)力指標(biāo),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(jié)層厚＞路基模量。

c. 對于層底拉應(yīng)變指標(biāo),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(jié)層厚＞底基層厚＞路基模量。

綜上分析,當(dāng)采用彎沉作為設(shè)計(jì)指標(biāo),需考慮最佳的經(jīng)濟(jì)性時(shí),應(yīng)采用較厚的底基層,其次考慮增加柔性基層的厚度。當(dāng)采用層底拉應(yīng)變?yōu)樵O(shè)計(jì)指標(biāo),需考慮最佳的經(jīng)濟(jì)性時(shí),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(biāo)的R值進(jìn)行分析,結(jié)論如下:

對于所有設(shè)計(jì)指標(biāo)而言,因素變量影響程度由大到小排列為:瀝青聯(lián)結(jié)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(jié)構(gòu)力學(xué)性能的提高作用更大。

3 基于力學(xué)敏感性分析的柔性路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基于等經(jīng)濟(jì)、等厚度變化條件下得到的力學(xué)敏感性規(guī)律,本文提出兩種基于不同設(shè)計(jì)條件的路面結(jié)構(gòu)實(shí)例進(jìn)行對比(見表7、表8)。

表7 基于等經(jīng)濟(jì)性考慮的路面結(jié)構(gòu)1一覽表

表8 基于等厚度變化考慮的路面結(jié)構(gòu)2一覽表

兩種結(jié)構(gòu)在標(biāo)準(zhǔn)軸載下的力學(xué)指標(biāo)如表9所列。

表9 力學(xué)指標(biāo)計(jì)算結(jié)果一覽表

由表9各指標(biāo)對應(yīng)的路面結(jié)構(gòu)能承受的最大當(dāng)量軸載作用次數(shù)如表10所列。

表10 最大當(dāng)量軸載作用次數(shù)一覽表

由表9及表10可見,路面結(jié)構(gòu)1最不利設(shè)計(jì)指標(biāo)條件下能承受的當(dāng)量標(biāo)準(zhǔn)軸載作用次數(shù)約為路面結(jié)構(gòu)2的1.03倍,兩者的使用壽命基本一致。

通過經(jīng)濟(jì)指標(biāo)分析,得到兩種路面結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)及其實(shí)際厚度,見表11所列。

表11 力學(xué)指標(biāo)計(jì)算結(jié)果一覽表

由表11可得,路面結(jié)構(gòu)2的厚度為路面結(jié)構(gòu)1的83.1%,而路面結(jié)構(gòu)1的造價(jià)為路面結(jié)構(gòu)2的 86.7%，。

4 結(jié)語

該項(xiàng)研究采用正交分析方法對柔性路面結(jié)構(gòu)力學(xué)敏感性進(jìn)行了深入分析,結(jié)論如下:

(1)柔性路面采用彎沉指標(biāo)及層底拉應(yīng)變指標(biāo)作為路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)指標(biāo)更合理。

(2)對于柔性路面結(jié)構(gòu)而言,增加底基層厚度經(jīng)濟(jì)性優(yōu)于增加柔性基層厚度。

(3)當(dāng)柔性路面厚度受限、而不需考慮工程造價(jià)因素時(shí),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。