浅谈用FWD弯沉盆参数研究沥青路面反应模型

陈子金 王昌衡

1 概述

许多研究表明,对沥青路面而言,无论采用哪种层状体系理论,路表弯沉盆与荷载中心垂直弯沉值都存在一定的关系,并根据这些关系,对弯沉盆参数与路面反应如应力和应变做了许多的研究。以下为一些研究者提出的路面反应模型,根据沥青路面破损类型分疲劳开裂模型和车辙模型。

2 疲劳开裂模型

2.1 Jung模型

Jung(1988年)提出一种预测沥青混凝土面层底部拉应变的方法[1],该方法需用到FWD承载底板边缘弯沉值的斜率,其斜率是将弯沉盆的倒数代入多项式得到的。沥青面层底部的拉应变(εac)由曲率半径R确定:

其中,Hac为沥青面层厚度;a为FWD承载底板半径;D0为荷载中心的弯沉值;Dedge为承载板边缘的弯沉值,由曲线代入单个弯沉盆计算得到。

2.2 Thompson模型

Thompson(1989年,1995年)对全厚式路面和级配基层路面进行研究[2,3],提出使用弯沉盆纵剖面下的面积(AUPP)来确定沥青面层底部的拉应变(εac)。如图1所示,其面积AUPP由式(3)确定:

其中,D0,D1,D2,D3分别为距荷载底板中心距离为0 mm,305 mm,610 mm,915 mm处的弯沉值,mm。

对全厚式沥青路面,沥青面层底部的拉应变(εac)的计算式为:

对级配基层沥青路面,沥青面层底部的拉应变(εac)与AUPP关系为:

Garg和Thompson(1998年)通过试验研究得出,AUPP是一种较为重要的弯沉盆参数,用AUPP来预测沥青面层底部的拉应变(εac),能得到较为准确的结果。由于AUPP反映的是弯沉盆的一项几何特性,因此用其预测εac不受路基和路面类型的影响。

2.3 Hee Mun Park模型

Hee Mun Park(2001年)在其博士论文中对此作了大量的研究[4,5],在进行弯沉盆参数分析中发现,沥青面层底部的拉应变εac与基层损坏指数(BDI)有很好的相关性。对于全厚式沥青路面,面层底部的拉应变 εac与BDI的关系为:

对骨料基层沥青路面,面层底部的拉应变εac与BDI的关系为:

其中,弯沉盆参数BDI可参见表1;Hac为沥青面层厚度,mm。

表1 弯沉盆参数

3 车辙模型

3.1 Thompson模型

Thompson(1989年)通过研究,用路基应力比(SSR)来估计路面体系的车辙潜力,路基应力比(SSR)定义为:

其中,SSR为路基应力比;σdsg为路基偏应力;qu为路基无侧限抗压强度。

通过用ILLIPAVE有限元程序进行数据拟合,得到以下回归方程用于确定基层柔性路面的SSR:

表2列出了重要季节(春季)的SSR设计标准,该标准对设计交通量下整个预测的表面车辙可接受水平进行限制。

表2 重要时期 SSR的设计标准

3.2 Hee Mun Park模型

Hee Mun Park(2001年)在其博士论文中,对车辙问题主要考虑以下应变:沥青面层平均压应变εcac;基层顶面压应变εabc;路基顶面压应变εsg。研究中发现,各项应变分别与不同的弯沉盆参数有较好的相关性。其中,沥青面层平均压应变εcac与SCI的关系为:

基层顶面压应变εabc与基层损坏指数BDI间的关系为:

其中,Hbase为基层厚度,mm。

对全厚式沥青路面,路基顶面压应变εsg与基层损坏指数BDI相关性较好,两者关系为:

然而,对于骨料基层,路基顶面压应变εsg与基层弯曲指数BCI相关性较好,两者关系为:

4 结语

研究路面反应模型对了解道路使用寿命,分析路面结构状态及预测道路使用寿命等有着极其重要的作用。以上研究都是在利用FWD弯沉盆参数的基础上进行的,无论利用的是何种FWD弯沉盆参数,都从不同侧面反映了路面反应与FWD弯沉盆参数的内在关系。因FWD弯沉盆参数较多,这种研究人们会继续下去,继续推进这一研究工作的开展。

[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.