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1、交通部西部交通建设科技项目 合同编号：2008 318 814 065 单位编号：10618 密 级： 分类号：U416.216 基于平整度的沥青路面使用寿命预估研究 研究报告简本 重庆交通大学 2012年3月 PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 目 录 1 研究背景及意义 . 1 2 主要研究内容及实施方案 . 1 2.1 主要研究内容 . 1 2.2 实施方案 . 1 3 主要研究成果 . 2 3.1 路面平整度实测资料获取 . 2 3.2 路面不平度激励模型分析 . 3 3.3 不平整路面车辆动荷载分析 . 5 3.4 沥青路面永久变形预估方法的建立 .11
2、3.5 基于平整度的沥青路面剩余使用寿命预估 . 13 4 主要创新点. 15 PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 11 研究背景及意义 路面不平整度是车辆产生动载的主要原因。车辆受不平整度路面的激励，产生不同于静载的动态荷载，并以这种变化的荷载作用于路面上，使路面产生相应的响应，加速路面平整度的衰减，平整度变差又将使得车轮对路面产生的附加动荷载增大，因此路面不平整度与汽车动荷载之间存在耦合作用。本项目正是基于这种耦合关系，从能综合反映路面使用性能的平整度参数出发，通过室内试验、理论分析和模型计算，研究不平整路面引起的动荷载作用及考虑动荷载作用的高等级公路沥青路面平
3、整度的变化规律；计算在不同使用时间路面各点的动荷载和永久变形，由此确定路面在不同使用期的平整度；参照路面使用期末的临界平整度状态或永久变形极限值，确定路面的剩余使用寿命，为路面的运营管理和优化决策提供依据。 2 主要研究内容及实施方案 2.1 主要研究内容 本项目从能综合反映路面使用性能的平整度参数出发，考虑车辆振动模型与路面结构之间的耦合作用，分析不平整路面对车辆动荷载的激励作用及路面平整度在荷载作用下永久变形的变化趋势，研究路面使用性能在路面初始平整度状态、行车荷载及使用条件等因素影响下的发展规律，并参照路面使用末期的临界平整度状态或永久变形极限值确定路面的剩余使用寿命。主要研究内容如下：
4、 路面不平整度模型的建立 不平整路面车辆动荷载研究 重复荷载作用下沥青混合料永久变形试验研究 考虑动荷载作用的沥青路面永久变形预估方法 基于平整度的沥青路面剩余使用寿命预估研究 2.2 技术路线 本项目研究所采用的技术路线如图1所示。 PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 2图1 项目研究技术路线 3 主要研究成果 3.1 路面平整度实测资料获取 （1）对重庆市及周边地区的沥青路面的平整度资料（包括多年累计的平整度、交通量状况、气候环境、养护状况及当年平整度检测结果等）进行了部分调查收集，并对收集所得资料进行了整理分析； 车辆结构参数 汽车振动荷载 沥青路面永久变形
5、性能预估方法 重复荷载作用下沥青混合料 三轴动态蠕变性能试验 各计算点永久变形 路面剩余使用寿命 路面波形函数 路面实测平整值 路面结构受力分析 路面温度分布 车-路耦合模型 变形后路面波形函数 系统动力学及 模态分析理论 交通量 标准轴载换算 分布系数 路面结构 变形后路面平整度 平整度临界值 或永久变形极限值 PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 3（2）借助EPC型路面激光断面测试仪，对梁平长寿路、界石水江路、綦江万盛路、重庆黔江路、重庆武胜路高速公路沥青路面部分路段进行了平整度实测，获得了约200km的沥青路面的平整度实测数据。 图2示例列出了綦江-万盛高速公
6、路下行方向行车道K15+980K6+000段的路面不平度检测结果。 图2 綦江-万盛高速公路路面不平度实测图 3.2 路面不平度激励模型分析 （1）在分析路面不平度测定方法和评价指标的基础上，分析了路面不平度时间域与空间域、幅值域与频率域转化关系，建立了路面功率谱与路面状态参数（波长和幅值）、路面功率谱与标准差间的关系函数，如式（1）和式（2）所示，得出了“速度v是联系路面不平度空间域与时间域关系的重要参量”和“路面不平度的标准差与路面状态参数间存在着定量关系”的结论。 2200200 )()(1)(fvnnGnnnGvfG qqq = （1） = 83.2011.0200 )( dnnnnG
7、qs （2） 00.511.522.533.544.550 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500K15+980K6+000路面不平度标准差/mm09年实测 08年实测PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 4（2）基于路面不平度的测量原理，建立了路面不平度测量仿真模型，计算了路面不平度指标s与路面状态参数（波长和幅值）的定量关系，如图3图5所示。从图3图5可得，满足同一平整度指标即具有相同标准差s的路面，包含了一系列波长及对应幅值的组合，且波长L和幅值A大致呈正比例关系变化；路面平整度指标值s与幅值A呈正比例关系，与波长l呈反比例
8、关系。 051015202530350 10 20 30 40 50波长L(m)幅值A(mm)d=0.6 d=0.8 d=1 d=1.2 d=1.4 d=1.6 d=0.3图3 不同标准差下波长与幅值的关系曲线 0510152025303540450 5 10 15 20 25 30幅值A(mm)均方差值L=3m L=6m L=9m L=12m L=15m L=21m L=36m L=45m图4 不同波长下标准差值与幅值的关系曲线 PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 500.511.522.530 10 20 30 40 50波长L(m)均方差值A=2mm A=5m
9、m A=8mm A=10mm A=15mm A=20mm A=30mm图5 不同幅值下均方差值与波长的关系曲线 （3）依据M.W.Sayers理论，以路面实测平整度为基础建立了正弦波形的路面模型，用正弦波形函数模拟路面不平整，即式（3）。为能更好地反映路段整体情况和减少计算工作量，本项目采用路段平整度均值s 来描述该路段的路表不平度情况，并以此数据求算该路段的波长及对应的振幅值。 )sin()( xAxq w= （3） 通过分析求算，得路面不平度的标准差值 js 和平均值 jd 分别为 1).2cos(1)2sin(.1).2cos(1)2sin(.22 = nexAnexA nnjlplpl
10、plps 22 )2sin(1)2(sin11).2cos(1.= nn xnxneA lplplp （4） = )2sin().2cos(11 nj xeAnd lplp （5） 3.3 不平整路面车辆动荷载分析 （1）针对路面不平整度引起的车辆振动，建立了四自由度和七自由度车辆-路面耦合系统动力学方程，并以此作为车辆动载分析的基础。选择国内高速公路上常见的二轴车，仿真计算了不平整路面引起的车辆动荷载，系统分析了路面状态参数（波长和幅值）、速度、载重及胎压等因素对车辆动荷载的影响规律。 PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 6（2）研究了路面状态参数（波长和幅值）对
11、车辆动荷载的影响规律，如图6图 7 所示。随着路面波形幅值的增加，车辆的动荷载和动载系数增加；在一定车速条件下，最大动载系数与波长呈近似反比例关系，当路面波形的波长超过 30m后，其动荷载将变的很小，可近似为不产生附加动荷载。说明了路表状况的好坏对车辆动荷载影响非常大，提高路面平整度是减小附加动荷载，提高路面使用寿命的有效措施。 00.20.40.60.811.20.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03路面波形幅值/m动载系数货车前轮动载系数 货车后轮动载系数轿车前轮动载系数 轿车后轮动载系数图6 车辆动载系数随路面波形幅值变化 00.20.40.60.85 10 15
12、 20 25 30 35 40 45 50波长/m货车后轮动载系数速度8m/s 速度12m/s速度15m/s 速度18m/s速度21m/s 速度25m/s图7 货车后轮动载系数随路面波形波长变化 （3）研究了车速对车辆动荷载的影响规律，如图8所示。车轮对路面作用的PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 7动荷载和动载系数受车辆速度影响严重，且车辆的最大动载系数与不平整路面的波长和汽车行驶速度的耦合作用相关。 00.20.40.60.88 12 16 20 24车速/(m/s)货车后轮动载系数波长5m 波长7m波长10m 波长20m波长30m 波长50m图8 货车后轮动载系数随车速变化 （5）研究了载重对
