由路面平整度預估瀝青路面使用壽命的方法
2023-05-13 21:44:36 2
專利名稱：由路面平整度預估瀝青路面使用壽命的方法
技術領域：
本發明涉及一種路面質量適時評估方法，尤其是涉及一種由路面平整度預估瀝青路面使用壽命的方法。
背景技術：
隨著交通量的增多，永久變形引起的路面損壞所佔的比例越來越大如美國，70年代AASHTO發起的在各州所進行的路面損壞調查表明，在州際主要公路上，由於永久變形所導致的路面損壞約佔30％，而日本在80年代統計顯示，由於永久變形引起的路面損壞高達82％。在我國，自「八五」以來，永久變形問題也越來越嚴重，永久變形已經成為當今瀝青路面三大損壞形式之冠的世界性問題。永久變形將使路面平整度變差，嚴重影響路面行駛質量，使得汽車車輪對路面產生附加動荷載，產生更大的永久變形，又使得附加動荷載增大。這就是路面平整度與汽車動荷載之間的耦合作用。但迄今僅有很少的研究人員分析路面的平整度與其引起的動荷載之間的關係。
目前我國對路面結構的設計均以靜止的車輛荷載作用下的結構為研究對象，這在荷載不太大、車速較低、路面非常平整的情況下基本是適合的。然而在路面有一定的不平度時，汽車行駛將對路面產生運動荷載，靜力荷載模式與車輛行駛過程中對路面的實際作用力將有較大的差異，地面結構的動力學特性也遠非靜力學特性所能描繪，這些差異和缺陷，用現有的設計理論和方法是無法從根本上加以解決的。在路面設計理論中，把行駛的車輛荷載以靜止的胎壓模型設計，考慮動荷載係數，從而限制路面的車轍，到達設計壽命。但是在高等級公路的使用過程中，路面的使用壽命往往在沒有達到設計使用年限時就出現早期破壞，其中很重要的一個因素就是沒有考慮實際的動荷載作用而導致的。
發明內容
本發明的目的是提供一種由路面平整度預估瀝青路面使用壽命的方法。本發明從不平整路面引起的行車動荷載作用出發，力求取得動力荷載作用下瀝青路面平整度與行車動荷載之間的關係，從而為動荷載設計奠定一定的基礎，並尋找出平整度隨荷載作用變化下的規律和動荷載對時間、平整度的變化趨勢，預估路面的動荷載和永久變形，參照質量規範而得出路面的使用的臨界狀態和期限。
實現上述目的的技術方案為一種由路面平整度預估瀝青路面使用壽命的方法，其特徵是1)建立路面模型，測量計算路面平整度；2)建立汽車振動模型，根據路面平整度計算行車動荷載；3)根據獲得的動荷載及路面結構參數、交通荷載、環境參數計算路面的永久變形；4)計算路面平整度的變化；5)從平整度的變化預估路面使用壽命。
路面平整度的測量計算方法為1)路面用正弦函數表示為f(x)＝Asin(ωx)；2)用連續式測平儀沿道路縱向測量路面平整度得到平整度標準差σi及路面平整度標準差均值Y；平整度標準差為i=di2-(di)2/NN-1=i2-(i)2/NN-1]]>路面平整度標準差均值可表示為Y=i=1NdiN=i=1NiN]]>3)確定平整度臨界值。
式中A-波形振幅；ω-角頻率，ω＝2π/λ；λ-波長。di-以一定距離為一個計算區間，在牽引車牽引下，每隔一定路程採集的路面凹凸偏差位移值(mm)；Δi-對應於di的相應的函數估算位移值(mm)；σi-對應於di時為實測標準差，對應於Δi時為計算標準差；N計算區間用於計算標準差的測試數據個數。
以100m為一個計算區間，在牽引車牽引下，每隔10cm採集路面凹凸偏差位移值di(mm)，1000米路段路面平整度標準差可表示為
i=A2[1-cos(e)]2n=110000sin2(xn)-{A[1-cos(e)]n=110000|sin(xn)|}2/100009999]]>=A[1-cos(e)]19999{n=110000sin2(xn)-[n=110000|sin(xn)|]2/10000}]]>1000米路段平整度標準差均值可表示為Y=i=1NdiN=A[1-cos(e)]n=110000|sin(xn)|10000]]>根據對不同檢測方法得出的數據進行回歸分析，確定路面平整度標準差為3.5或路面正弦波振幅為3釐米時，為路面可使用臨界狀態。
行車動荷載的計算方法為1)建立考慮車輛上下振動和左右傾覆振動的四自由度模型，其車輛模型運動方程為My+Cy+Ky=f(t);]]>式中 C=c1+c30-c3-Lc320c2+c4-c4c4L2-c30c3c3L20-c4c4-c4L2,]]>K=k1+k30-k3-Lk320k2+k4-k4k4L2-k30k3k3L20-k4k4-k4L2,y=y1y2ycc,f(t)=f1(t)f2(t)00.]]>m1，m2為非懸掛體系1/2質量(mg)；m懸為滿載時懸掛體系質量(kg)； k1，k2-左右輪胎剛度(N/mm)；c1，c2-左右輪胎阻尼(N·s/mm)；k3，k4-左右懸架剛度(N/mm)；c3，c4-左右懸架阻尼(N·s/mm)；y1，y2-左右車輪中心在垂直方向位移(m)；yc-懸掛體系質心在垂直方向位移(m)；θc-懸掛體系側傾角度(弧度)。
2)動荷載Pd的計算式Pd＝k1[y1-a sin(ωvt)]＝k1[y1-a sin(ωx)]。
式中ω-角頻率，α-波形路面矢高，v-車輛行駛速度。
設ω＝1.0472，即預估模型為α＝π，λ＝6m，v＝80km/h。
永久變形Δh的計算式為h=Cmi=1n(av)i(Smix,)ihi]]>式中Cm為動態修正係數，(σav)i為第i亞層平均應力；(Smix，η)i為第i亞層瀝青混合料的粘滯勁度；hi為第i亞層的厚度。
路面平整度的變化為令G=i=1N{Asin(xi)[1-cos(e)]-h(xi)+12[h(xi-e)+h(xi+e)]}2]]>H=i=1N{Asin(xi)[1-cos(e)]-h(xi)+12[h(xi-e)+h(xi+e)]}]]>變形後路面平整度的標準差i=i2-(i)2/NN-1=G-H2/NN-1]]>變形後路面平整度的平均值Y=i=1NiN=HN]]>變形後路面用正弦函數表示為f1(x)＝A1sin(ωx)。
預估路面使用壽命的步驟為循環執行動荷載、永久變形及變形後平整度值的計算，得出第2次、第3次…第n次荷載變形，當第n次變形後的平整度標準差達到臨界值時，路面已達可使用壽命期限，其n即為其壽命。
本發明的優點是能對路面質量進行適時評估，為公路相關部門的養護、維修道路提供依據。
圖1是連續式測平儀測量原理示意圖。
圖中x軸為路線中線方向；U軸為路面高程大小；U2為測定輪；U1、U3為前後行駛輪；圖2為四自由度汽車模型示意圖。
圖中m1，m2為非懸掛體系1/2質量(mg)；m懸為滿載時懸掛體系質量(kg)；B-車輛左右車輪之間距離(m)；k1，k2-左右輪胎剛度(N/mm)；c1，c2-左右輪胎阻尼(N·s/mm)；k3，k4-左右懸架剛度(N/mm)；c3，c4-左右懸架阻尼(N·s/mm)；y1，y2-左右車輪中心在垂直方向位移(m)；yc-懸掛體系質心在垂直方向位移(m)；θc-懸掛體系側傾角度(弧度)。
圖3為路面使用壽命預估流程圖。
具體實施例方式
由路面平整度預估瀝青路面壽命包括路面模型、汽車振動模型、永久變形等三個主要部分；其中汽車振動模型是關鍵，直接影響著永久變形的大小及由此決定的平整度。由路面平整度預估瀝青路面使用壽命的方法，具體是1)建立路面模型，測量計算路面平整度；2)建立汽車振動模型，根據路面平整度計算行車動荷載；3)根據獲得的動荷載及路面結構參數、交通荷載、環境參數計算路面的永久變形；4)計算路面平整度的變化；5)從平整度的變化預估路面使用壽命。
路面模型的建立是根據MW·Sayers提出的用正弦函數表徵不平整路面理論，從而可以得出波形路面函數正弦波波長與相應振幅與平整度之間的關係(見附圖1)。
本發明採用的連續式平整度是永久變形和路面行駛質量聯繫的中間紐帶，而發明又以正弦函數形式模擬路面，兩者的關係是本發明的基礎。
根據我國高等級公路的實際情況，發明在進行路面模型波長、振幅和平整度標準差的關係分析時，提出了路面有效波長(λ＝3m～26m)和有效振幅(A≤3cm)概念，即當路面模型波長處於有效波長，振幅處於有效振幅範圍，模型才有效。
參考附圖1，可以得出f(x)＝A sin(ωx) (1)式中A波形振幅；ω角頻率，ω＝2π/λ；λ波長。
路面平整度測量可以分段也可總段進行，且分段測量值與總段測量值具有相關性。發明經過統計分析得出分段路面模型振幅平均值與總段路面模型振幅相等(Ag=An)]]>，分段路面模型平整度標準差平均值與總段路面模型平整度標準差相近(g=c,=(1+0.1)).]]>由圖中相關的已知條件可得U3＝f(x)U1＝f(x-e)U2＝f(x+e)式中，e為圖1中行駛輪與測量輪之間的距離。
測量參考基準點為U=12[U1+U2]=12[f(x-e)+f(x+e)]]]>測量所得的路面凹凸偏差位移值是測量輪高程U3和基準點高程U之差值=U3-U=f(x)-12[f(x-e)+f(x+e)]---(2)]]>把式(1)代入式(2)中，可得i=Asin(x)-12{Asin[(x-e)]+Asin[(x+e)]}]]>=Asin(x)-Asin[(x-e)+(x+e)2]cos[(x-e)-(x+e)2]]]>=Asin(x)-Asin(x)cos(e)]]>=Asin(x)[1-cos(e)]]]>根據《公路路基路面現場測試規程》可知，連續式測平儀沿道路縱向測量得到的平整度標準差σi為i=di2-(di)2/NN-1=i2-(i)2/NN-1---(3)]]>式中di以100m為一個計算區間，在牽引車牽引下，每隔10cm採集的路面凹凸偏差位移值(mm)；Δi對應於di的相應的函數估算位移值(mm)；σi對應於di時為實測標準差，對應於Δi時為計算標準差；N計算區間用於計算標準差的測試數據個數。
如將Δi的表達式帶入式(3.3)中，可得出以下關係式一段1000米路段路面平整度標準差可表示為
i=A2[1-cos(e)]2n=110000sin2(xn)-{A[1-cos(e)]n=110000|sin(xn)|}2/100009999]]>=A[1-cos(e)]19999{n=110000sin2(xn)-[n=110000|sin(xn)|]2/10000}---(4)]]>一段1000m長路段的平整度標準差均值為Y=i=1NdiN=A[1-cos(e)]n=110000|sin(xn|10000---(5)]]>式4、5即為發明得出的波形函數波長及振幅與平整度的計算關係式。
由於平整度表徵形式較多，發明還對各種平整度的不同檢測方法得出的數據進行了回歸分析，進行了連續式平整度儀檢測的平整度標準差σ與國際平整度指數IRI相關性分析，參照國際平整度指數IRI和行駛質量指數RQI的關係，確定出臨界平整度標準差σ＝3.5(壽命界限值)。即當路面平整度標準差為3.5或路面正弦波振幅為3釐米時，為路面可使用臨界狀態。
行駛在路面上的汽車是一個複雜的多質量振動系統，參照車輛部門研究的車輛振動理論，結合研究的實際情況，發明建立考慮車輛上下振動和左右傾覆振動的四自由度模型(見附圖2)。就研究的精度，進行了如下假設1、汽車車身為剛體且垂直於鉛垂面；2、由於載重汽車的車輛荷載的大部分都集中在後輪上，故只考慮豎向振動和車輛側傾振動；3、車輛等速直線行駛，輪胎與地面始終保持接觸，無脫離；4、路面不平整度較小，車輛振動不大；5、汽車懸架剛度、輪胎剛度為線性函數，懸架阻尼、輪胎阻尼為相對速度的線性速度；6、路面位移輸入函數作用在輪胎與路面的接觸中心點上。
發明對四自由度車輛模型運用分析力學的方法進行了求解，得出車輛模型運動方程My+Cy+Ky=f(t)]]>
其中 C=c1+c30-c3-Lc320c2+c4-c4c4L2-c30c3c3L20-c4c4-c4L2,]]>K=k1+k30-k3-Lk320k2+k4-k4k4L2-k30k3k3L20-k4k4-k4L2,y=y1y2ycc,f(t)=f1(t)f2(t)00.]]>汽車四自由度模型動荷載求解，與路面正弦波形函數形式相同，也為正弦函數，同時因發明採用連續式平整度儀，求解出的正弦函數形式動荷載也以0.1米為步長，沿路線縱向分布。由發明內容介紹的模型復模態求解，其方法如下根據疊加原理，系統對多個激勵的總響應等於系統對各個激勵單獨作用的響應的總和。因此，系統對激勵向量f(t)的作用相當於f1(t)與f2(t)的總和。
f(t)=k1asin(vt)+c1vacos(vt)k2asin(t+)+c2vacos(vt+)00]]>f1(t)=k1asin(vt)k2asin(t+)00]]>f2(t)=c1vacos(vt)c2vacos(vt+)00]]>由復模態分析得出位移計算公式為x=r=12nurvrTfmr(j-r)ejt,]]>其中有f(t)=fejωt，f為力幅列陣。因此，可利用歐拉公式，將f(t)轉化為複數形式
FI(t)=k1vacos(vt)+k1vasin(vt)ik2vacos(t+)+k2vasin(vt+)i00=k1aeivtk2aeieivt00=k1ak2aei00eivt]]>FII(t)=c1vacos(vt)+c1vasin(vt)ic2vacos(t+)+c2vasin(vt+)i00=c1vaeivtc2vaeieivt00=c1vac2vaei00eiwvt]]>由此可得f(t)＝Im ag(FI(t))+Re al(fII(t))。將FI(t)和FII(t)分別帶入復模態位移公式中求解，然後取其相應的虛部和實部相加，即可得出位移形式如下y=y1y2ycc]]>由其中的y1的物理意義(左車輪中心在垂直方向位移)和附圖2分析可知，車輛模型中一邊的動荷載可由以下公式計算得出Pd＝k1(y1-f0)＝k1[y1-a sin(ωvt)] (6)式中f0——路面函數，f0＝a sin(ωvt)。
式(6)可以得出，不平整路面上汽車動荷載與輪胎剛度、振幅、速度、波長及時間等因素有關，因此，減振不僅需要有良好平整度路面的道路作保障，也需要汽車部門研究新型抗振機車。
在垂直位移和動荷載的求算中，本發明更關注的是路面縱向某點的大小。根據時間和位移的關係，可以設縱向位移x0＝0時，t＝0，汽車勻速行駛，則有x＝x0+vt＝vt。因此將此代入式(6)中可得Pd＝k1[y1-a sin(ωvt)]＝k1[y1-a sin(ωx)](7)由微分方程可知，y1一般應有如下形式y1＝A sin(ωx)+B cos(ωx)因此，求算動荷載的式(7)亦可變形如下Pd＝k1[A sin(ωx)+B cos(ωx)-a sin(ωx)]＝k1(A-a)sin(ωx)+k1B cos(ωx)同一三角函數化後，可得Pd=k1(A-a)sin(x)+k1Bcos(x)=k12[(A-a)2+B2]sin[x+arctg(B(A-a)2+B2)]]]>由所求動荷載和汽車已知的靜荷載，發明採用半理論半經驗的殼牌永久變形理論進行永久變形的計算，考慮以下因素(1)考慮隨深度變化而產生的溫差和不同混合料類型時對瀝青層的細分；(2)計算每個分層中瀝青的實際粘度；(3)估定候選結構的變形特性；(4)換算交通數據(與用於總體結構設計不相同的交通量加權法)；(5)確定混合料勁度；(6)確定為獲得平均應力分布係數(7)確定瀝青層中的估算永久變形；(8)估算總的永久變形。
因殼牌理論和我國瀝青路面結構和材料的差異，在路面結構劃分、瀝青亞層模量計算時，發明進行了修正針對亞層結構，發明採用殼牌理論結構厚度劃分尺寸，由此得出同亞層不同瀝青混合料的模量換算hE0.25=i=1n-1hiEi0.25,]]>公式中h為亞層厚度，E為亞層模量，hi為該亞層中不同瀝青混合料層厚度，Ei為該亞層中不同瀝青混合料模量。
我國瀝青路面永久變形公式如下h=Cmi=1n(av)i(Smix,)ihi,]]>其中Cm為動態修正係數，Cm=1.4； (σav)i為第i亞層平均應力；(Smix，η)i為第i亞層瀝青混合料的粘滯勁度；hi為第i亞層的厚度。
由原波形函數路面各點計算高程減去精確到各點的永久變形，可以得出變形後各點的高程，由此，發明得出其平整度計算公式n=F(xn)-12[F(xn-e)+F(xn+e)]]]>=Asin(xn)-h(xn)-12{Asin[(xn-e)]-h(xn-e)+Asin[(xn+e)]-h(xn+e)}]]>=Asin(xn)[1-cos(e)]-h(xn)+12[h(xn-e)+h(xn+e)]]]>將上式代入Y=i=1NiN]]>和i=i2-(i)2/NN-1,]]>即可得出變形後路面的平整度均值和標準差。
令G=i=1N{Asin(xi)[1-cos(e)]-h(xi)+12[h(xi-e)+h(xi+e)]}2]]>
H=i=1N{Asin(xi)[1-cos(e)]-h(xi)+12[h(xi-e)+h(xi+e)]}]]>變形後路面平整度的標準差i=i2-(i)2/NN-1=G-H2/NN-1]]>變形後路面平整度的平均值Y=i=1NiN=HN]]>發明由上得出的變形後平整度均值和標準差，參照式5，可得變形後正弦波形函數振幅A1，若假定頻率變形前後變化較小，則又可得出變形後路面正弦波形函數形式f1(x)＝A1sin(ωx)循環執行動荷載、永久變形及變形後平整度值的計算，得出第2次、第3次…第n次荷載變形，當第n次變形後的平整度標準差達到臨界值時，路面已達可使用壽命期限，其n即為其壽命。如考慮交通量因素，可以年為單位計算荷載變形，n即為可使用年份。
發明在頻率確定時，考慮了左右激勵相位差相差α＝0，π，π/2及波長λ＝3，5，7，8，10，11.56，15，20m等情況，最後與實際檢測資料誤差分析，選定了α＝π，λ＝6m，v＝80km/h為預估模型，即ω＝1.0472。
權利要求
1.一種由路面平整度預估瀝青路面使用壽命的方法，其特徵是1)建立路面模型，測量計算路面平整度；2)建立汽車振動模型，根據路面平整度計算行車動荷載；3)根據獲得的動荷載及路面結構參數、交通荷載、環境參數計算路面的永久變形；4)計算路面平整度的變化；5)從平整度的變化預估路面使用壽命。
2.根據權利要求1所述的由路面平整度預估瀝青路面使用壽命的方法，其特徵是路面平整度的測量計算方法為1)路面用正弦函數表示為f(x)＝A sin(ωx)；2)用連續式測平儀沿道路縱向測量路面平整度得到平整度標準差σi及路面平整度標準差均值Y；平整度標準差為i=di2-(di)2/NN-1=i2-(i)2/NN-1]]>路面平整度標準差均值可表示為Y=i=1NdiN=i=1NiN]]>3)確定平整度臨界值。式中A-波形振幅；ω-角頻率，ω＝2π/λ；λ-波長。di-以一定距離為一個計算區間，在牽引車牽引下，每隔一定路程採集的路面凹凸偏差位移值(mm)；Δi-對應於di的相應的函數估算位移值(mm)；σi-對應於di時為實測標準差，對應於Δi時為計算標準差；N計算區間用於計算標準差的測試數據個數。
3.根據權利要求2所述的由路面平整度預估瀝青路面使用壽命的方法，其特徵是以100m為一個計算區間，在牽引車牽引下，每隔10cm採集路面凹凸偏差位移值di(mm)，1000米路段面平整度標準差可表示為i=A2[1-cos(e)]2n=110000sin2(xn)-{A[1-cos(e)]n=110000|sin(xn)|}2/100009999]]>=A[1-cos(e)]19999{n=110000sin2(xn)-[n=110000|sin(xn)|]2/10000}]]>1000米路段平整度標準差均值可表示為Y=i=1NdiN=A[1-cos(e)]n=110000|sin(xn|10000]]>
4.根據權利要求2所述的由路面平整度預估瀝青路面使用壽命的方法，其特徵是確定路面平整度標準差σi為3.5或路面正弦波振幅為3釐米時，為路面可使用臨界狀態。
5.根據權利要求1所述的由路面平整度預估瀝青路面使用壽命的方法，其特徵是行車動荷載的計算方法為1)建立考慮車輛上下振動和左右傾覆振動的四自由度模型，其車輛模型運動方程為My+Cy+Ky=f(t);]]>式中 K=k1+k30-k3-Lk320k2+k4-k4k4L2-k30k3k3L20-k4k4-k4L2,y=y1y2ycc,f(t)=f1(t)f2(t)00.]]>m1，m2為非懸掛體系1/2質量(mg)；m懸為滿載時懸掛體系質量(kg)；k1，k2-左右輪胎剛度(N/mm)；c1，c2-左右輪胎阻尼(N·s/mm)；k3，k4-左右懸架剛度(N/mm)；c3，c4-左右懸架阻尼(N·s/mm)；y1，y2-左右車輪中心在垂直方向位移(m)；yc-懸掛體系質心在垂直方向位移(m)；θc-懸掛體系側傾角度(弧度)。2)動荷載Pd的計算式Pd＝k1[y1-αsin(ωvt)]＝k1[y1-αsin(ωx)]。式中ω-角頻率，α-波形路面矢高，v-車輛行駛速度。
6.根據權利要求5所述的由路面平整度預估瀝青路面使用壽命的方法，其特徵是設ω＝1.0472，即預估模型為α＝π，λ＝6m，v＝80km/h。
7.根據權利要求1所述的由路面平整度預估瀝青路面使用壽命的方法，其特徵是永久變形Δh的計算式為h=Cmi=1n(av)i(Smix,)ihi]]>式中Cm為動態修正係數，(σav)i為第i亞層平均應力；(Smix，η)i為第i亞層瀝青混合料的粘滯勁度；hi為第i亞層的厚度。
8.根據權利要求1所述的由路面平整度預估瀝青路面使用壽命的方法，其特徵是路面平整度的變化為變形後路面平整度的標準差i=i2-(i)2/NN-1=G-H2/NN-1]]>變形後路面平整度的平均值Y=i=1NiN=HN]]>式中G=i=1N{Asin(xi)[1-cos(e)]-h(xi)+12[h(xi-e)+h(xi+e)]}2]]>H=i=1N{Asin(xi)[1-cos(e)]-h(xi)+12[h(xi-e)+h(xi+e)]}2]]>變形後路面用正弦函數表示為f1(x)＝A1sin(ωx)。
9.根據權利要求1所述的由路面平整度預估瀝青路面使用壽命的方法，其特徵是預估路面使用壽命的步驟為循環執行動荷載、永久變形及變形後平整度值的計算，得出第2次、第3次…第n次荷載變形，當第n次變形後的平整度標準差達到臨界值時，路面已達可使用壽命期限，其n即為其壽命。
全文摘要
本發明涉及一種由路面平整度預估瀝青路面使用壽命的方法。其技術方案是1)建立路面模型，測量計算路面平整度；2)建立汽車振動模型，根據路面平整度計算行車動荷載；3)根據獲得的動荷載及路面結構參數、交通荷載、環境參數計算路面的永久變形；4)計算路面平整度的變化；5)從平整度的變化預估路面使用壽命。本發明的優點是能對路面質量進行適時評估，為公路相關部門的養護、維修道路提供依據。
文檔編號G01N33/00GK1945264SQ20061005457
公開日2007年4月11日 申請日期2006年11月8日 優先權日2006年11月8日
發明者梁乃興, 曹源文, 吳勇, 於清, 楊建喜, 李志勇 申請人:重慶交通大學