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薄表面沥青路面设计
作者：Sabine Leischner（1） , Frohmut Wellner（1） , Gustavo Canon Falla（1） , Markus Oeser（2） and Dawei Wang（2）
（1）：德国德累斯顿大学；（2）：德国亚琛工业大学
摘要：薄的柔性路面在世界上人口稀少的地区广泛使用。然而，这种路面结构在德国没有广泛使用。因此，不存在M-E设计过程。最近，一个旨在了解德国设计条件下的薄沥青路面反应的研究项目表明，沥青厚度小于50mm的路面的耐久性被证明是令人满意的; 前提是考虑到基础课程中UGM的非线性行为来执行设计。结论是，在负载附近的颗粒材料必须使用非线性应力相关模型建模。本文介绍了薄表面沥青路面的M-E设计方法。
关键词：薄面沥青路面，三轴试验，未结合颗粒材料，M-E路面设计
- 简介
薄沥青层（TAL）路面广泛应用于世界上人口稀少地区的小规模道路网。这些路面通常由位于充分压实的土壤路基顶部的一个或多个未结合的颗粒层上的上部薄沥青层（10mm至40mm厚度）组成。TAL路面的承载能力在很大程度上由未结合的粒状材料（UGM）提供，其中上沥青表面作为对弯曲刚度几乎没有贡献的防水层。TAL路面的设计几乎总是凭经验进行，这些道路的横截面和建筑材料是基于特别国家的高标准沥青路面的经验。这种基于经验的设计方法的缺点在于，材料和地层厚度根据非常不灵活的设计输入来选择。 因此，需要确定一个机械框架，以真实估计欧洲TAL路面的性能。
- 在薄沥青路面中的UGM的性能
基于路面响应分析的TAL路面设计的先决条件是开发可靠的建模技术来真实地模拟UGM的性能。UGM在循环载荷下的变形行为可以用应变表示为弹性部分和塑性部分的总和。塑性应变速率与弹性应变值相比非常小。塑性应变从应力应变计算中分离，并基于适当的实验室试验的结果单独建模。 重复载荷三轴试验（RLTT）。选择未结合的颗粒材料（桑迪石渣-SG 0/32，花岗闪长岩-GRA 0/32，安山-AND和瑞典花岗岩0/32）的RLTTs，以确定薄沥青路面机械设计方法的输入参数。其中一个选择的材料——花岗岩——以前在瑞典的1：1测试跑道使用。目的是使用来自全尺寸测试的数据来验证所提出的设计方法。
传统上，UGM被视为线弹性。 对于TAL路面，UGM的线弹性假设是无效的，并且UGM必须使用非线性应力相关模型来建模。已经开发了许多描述UGM的应力依赖弹性行为的模型。最广泛使用的模型之一是由UZAN开发的“通用修正模型”（等式1）：
方程1
—弹性模量，体积应力，—八面体剪切应力，参考应力（100kPa），
材料参数。
水分含量是继应力水平之后影响UGM弹性反应的最重要因素。Numrich（4）对在恒定密度但不同水分含量下制备的测试样品进行的重复负载三轴实验（RLTT）中显示随着水分含量的增加弹性应变增加。一些学者将这种影响归因于孔隙水压力的变化（5）。其他学者指出，在聚集体之间的过量的水充当润滑剂，减少颗粒之间的摩擦，这增加了变形（6）。
在这种情况下，可以清楚的看到，由于从表面过滤或者由于在解冻期间的冰融化，薄表面沥青路面的UGL中的水分含量的增加导致轴承强度的损失。出于这个原因，作者提出了对“通用修正模型”的以下轻微改进，以解释水分对材料刚度的影响。
在对模型的仔细观察中可以发现参数表示由体积应力引起的硬化效应，参数表示由于剪切应力引起的软化效应。参数与E-模量的绝对量值相关。对于水分含量的微小变化，观察到应力硬化和软化行为保持几乎恒定。然而，材料刚度的大小随着水分含量的增加而减小。通过用水分依赖函数代替常数，可以将这种刚度损失引入到UZAN模型中。测试表明，对于水分含量的小变化，参数的减小与水分的增加呈线性相关。因此，作者提出了对“通用修正模型”的以下轻微改进，以解释水分对材料刚度的影响：
方程2
其中，WC—水分含量，—最佳pH值，—材料参数。
UGLs中塑性应变的累积导致颗粒状路面中出现车辙。通过对TAL路面基底顶面上的塑性变形的纯机械验证，可知应使用适当的弹性塑性模型。这些模型描述了使用基于物理的方法在材料中塑性应变的累积。在世界范围内存在大量这样的可用模型，然而，由于它们的复杂性，这些模型目前仅用于科学目的。作者提出了确定UGL顶部的塑性变形的M-E方法，其中负载轴上的塑性变形基于多级RLTT的结果建模。测试结果用于拟合以下函数：
方程3
其中，—塑性应变，N—负载循环数，—材料参数。
参数结合了试验初始阶段应变的快速增加，主要与后压实相关，以及在第一次负载循环期间塑性应变的积累。参数代表大量负载循环后的恒定塑性应变率。对于在基础层中使用的几个UGM进行的RLTT的结果表明参数可以通过方程4与弹性应变相关联。
方程4
其中，—弹性应变，—材料参数。
图1显示出了对于花岗闪长岩 0/32的垂直塑性应变速率对垂直弹性应变的模型和RLTT结果的近似。黑线对应于方程4的函数曲线。
图1：垂直塑性应变率对垂直弹性应变—根据公式3的试验结果和塑性模型（2）。
方程4显示对于所有应力组合的塑性应变速率是相同的，这导致了相同的弹性应变，但这不适用于所有情况。然而，在这个假设下，与更先进的应力依赖模型相比，覆盖宽范围的应力条件所需的负载组合的数量显著减少。
使用其中作为时间的函数的弹性和塑性应变的多级长期RLTT的数据来确定方程4的参数。作者提出了一个测试协定，包括七个系列的长窦形负载步骤，每个负载循环50,000次，每次5 Hz。应力水平如表1所示。使用塑性应变曲线中25,000和50,000个循环之间的割线的斜率来确定塑性应变速率。
表格1：测试UGM的塑性变形性能的应力水平（2）。
图2示出了在三种不同的含水量时花岗闪长岩0/32的多级RLTT的结果作为示例。
图2：:花岗闪长岩0/32材料的垂直塑性应变对负载循环次数的影响。
- 薄沥青路面的M-E性能预测
目前，在大多数M-E路面设计方法中，没有考虑基础的塑性变形。相反，如果UGM符合包括聚集强度，耐久性，清洁度，分级等标准的一些规范，则认为不发生塑性变形。这个假设对于TAL路面是无效的，因为TAL路面的寿命受最大车辙深度的控制主要来源于UGM上负载应用附近的塑性变形发展。
车辙是一个主要的关注点，特别是在可以囤积水或冰的区域，会因此产生交通安全风险。因此，许多道路管理单位在进行修复之前将车辙深度最大允许值定义为20mm。
因此，本次研究开发了一种新的M-E设计方法，其重点是限制薄密封路面结构的车辙的主要来源：在路基过度塑性变形和UGM在轮负载附近的过度塑性变形。该程序基于两个步骤：首先，执行响应步骤，其中由于交通负载而计算的结构响应，同时考虑气候条件对材料性质的影响。之后，进行应力预测以评价来自路基和基础颗粒层的车辙的累积损伤。该过程的设计方案在图3中示出。
图3：薄表面沥青路面M-E设计方案概述（2）
流程图包括第一循环，其中年份被分成代表正常和春季融化条件的两个季节期。 在春季解冻期间，基础UGM中的水分含量显着增加。这种增加导致承载能力的损失，在设计过程中不能忽略。 根据德国M-E设计方法（RSTO 12），德国解冻期的长度对应于平均日温度在-5℃和 5℃之间的天数。此后，使用第二循环来扫过交通负载。交通负载在设计过程中必须考虑轴距组合的适当范围及其相关的发生频率（2）。
- 路面设计过程的输入值
用于具有低交通量的道路的TAL路面的可能结构包括在路基土上，200至600mm的底部以及薄沥青边界磨损路线上的防冻层。防冻层的厚度取决于该区域的气候条件和路基的霜冻敏感性。应将建模路基材料假定委各向同性线弹性材料。
除了提供结构层，底基的主要作用是防冻保护。耐冻性通过适当的分级（小于0.063mm的细小含量小于5％）和足够的透水性来保证。
底基材料显示出应力依赖性的性质。 然而，应力的大小在基底中的应力小于基底应力。因此，在实践中，非线性材料行为在基底中的刚度计算的应用对于TAL路面中的基础来说不那么重要。因此，如果没有材料参数可用于底基材料，则简化的线性弹性材料方法可以用于底基层，而不会引起大的误差。然而，如果底基材料的三轴试验数据可用于材料模型，例如先前描述的用于基础材料的模型，可以用于描述底基的弹性性质的非线性应力和水分依赖性。
基底必须由高质量的聚集体构成，例如碎石。 当可用UGM的性质不符合最小设计要求时，可用稳定剂来处理上部层。非传统稳定器可应用于基础UGL的顶部的300mm，作为与季节变化相关的承载能力和强度的短期损失的解决方案。因此，基底层可以用在正常条件下具有足够承载能力的材料构造并且用非传统化学添加剂稳定以降低其水分敏感性，以便解决冻融期间的刚度损失。用聚合物稳定化是用于粗粒水分敏感的道路材料的最有效的非传统稳定方法之一（2）。
基础材料的最重要的性质之一是层次。 在这方面，如果整个材料被适当地分级，则应使用粗级配聚集体以增加层承载能力。此外，必须设置窄的分级带以确保材料的均匀性。合适的材料模型，例如本文先前描述的材料模型，应用于基础中描述UGM的弹性性质的非线性应力和水分依赖性。
TAL路面的磨耗层是厚度在10和40mm之间的薄沥青层或密封碎屑。该层的性质类似于没有弯曲刚度的膜。使用稀释的沥青磨损层的主要问题是易于散乱，霜冻损坏和开裂。因此，必须使用对塑性变形具有高抗性的混合物，并且必须使用足够的柔性以经受大的弹性变形而不开裂。混合物应该用高质量的聚集体制备，具有高抗碎裂性，耐磨性和抛光性，以确保适当的抓地力和驾驶舒适性。
考虑到在正常/自然和高水分含量（解冻条件）下的刚度的温度依赖性，沥青层应当使用线性弹性材料模型来建模。为此，必须规定两个季节设计情况下的参考表面温度（2）。
- 性能计算
传统上，沥青路面弹性分层系统分析为均匀的半无限半空间。分层弹性方法的局限性在于，EModulus在每个水平层内必须是恒定的，因此该方法不能有效地处理UGL所呈现的材料非线性。因此，分析颗粒状路面的响应优先选择FE方法。
对于所提出的设计方法，响应模型的分析能力必须包括：
·基于UGM的应力依赖材料模型
·在UGL底部的拉伸应力的校正
在沥青路面的UGL的数值分析中的主要困难之一是计算水平拉伸应力的趋势。用于模拟UGM的FE程序必须结合张力截断算法以考虑聚集层的可忽略的拉伸强度。此外，通过考虑基底材料的各向异性，可以减小基底中预测的拉伸应力。
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- 路基车辙的损害贡献
在大多数分析路面设计方法中，抵抗地基的塑性变形的设计是用经验传递函数，其将失效之前的最大负载循环数与评估塑性变形倾向的间接指数相关联。该指数通常是路基顶部的垂直弹性应变。考虑到德国的设计条件，以及从文献中提供的几个功能的比较结果后，作者建议使用瑞典路面设计指南的传递函数（方程5）。
方程5
其中—在路基顶部的垂直弹性应变，N—故障前允许的负载周期数。
可以使用Miner的假设来证明由于路基中过度塑性变形而产生的车辙的符合性。为了证明传递函数的有效性，应该使用适当的加速路面试验的结果进行回算。
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- UGL中的车辙
必须使用适合UGM的塑料模型来确定顶部的塑性变形基础。在文献中有不同的塑料模型，但是它们的复杂性使得它们对于薄沥青路面不可行。为了克服这个限制，作者提出了一个经验模型，它在机械框架内简单和容易实现。基本上包括以下步骤：使用合适的材料参数和通过FE计算获得的弹性应变场，在负载轴处使用方程3和4确定UGL中的每个元件的质心处的塑性应变。此后，用元件厚度Delta;确定每个元件的塑性变形。然后通过具有深度的每个元件中的塑性变形的累积来计算UGL在负载中心处的总塑性变形。使用不同材料和路面几何形状的FE计算结果表明，在底层塑性变形的最高风险发生在层的顶部300mm。该顶部300mm内的塑性变形不应超过15mm的极限。因此，可以定义三个子层，每个子层具有100mm的厚度，用于计算UGL中的塑性变形。对于加载轴上的这些关键位置，应该计算代表应力值。
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- 用全标准试验验证塑性变形模型
使用在机械设计方法中使用的塑性模型在瑞典VTI进行的1：1现场测试的结果验证（3）。使用重型车辆模拟器（HVS，图4）在具有未结合的颗粒层的薄沥青路面结构上进行现场测试，所述颗粒层由通过重复负载三轴试验确定的材料之一制
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