馮金庫

摘 要：施工變異性會導(dǎo)致瀝青路面材料性能產(chǎn)生偏離，可能引發(fā)多種早期病害，影響道路的使用性能和服務(wù)水平，降低道路的服役壽命。為分析道路施工的變異性及其對道路使用性能的影響，本文分析了瀝青路面施工時(shí)，瀝青指標(biāo)、礦料級配、瀝青含量及空隙率等主要控制參數(shù)變異性范圍及概率分布，進(jìn)而運(yùn)用誤差傳遞原理和蒙特卡洛分析了瀝青混合料動態(tài)模量，并分析了瀝青面層厚度的變異性。最后通過蒙特卡洛模擬分析了粘土、粉土和砂土中稠度和壓實(shí)度變異性對土基回彈模量的影響。

關(guān)鍵詞：路基評價(jià);評價(jià)體系;層次分析法;模糊數(shù)學(xué)理論

0 前言

隨著瀝青路面廣泛的應(yīng)用，我們發(fā)現(xiàn)在運(yùn)營初期（2～3年），瀝青路面的早期破壞現(xiàn)象較為嚴(yán)重，如開裂、車轍、水損害等，這些病害直接導(dǎo)致了瀝青路面使用性能的下降，嚴(yán)重影響了道路的使用率和通行率，同時(shí)也帶來了巨大的經(jīng)濟(jì)損失。以往的研究中，人們比較重視瀝青路面施工中各參數(shù)的均值和極值，而忽略了施工中變異性的問題。而目前的路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的發(fā)展趨勢需要人們考慮設(shè)計(jì)參數(shù)的變異性，并建立概率型的路面設(shè)計(jì)方法，與此相應(yīng)地，就需要分析和控制施工中的變異性。在瀝青路面施工過程中，瀝青的性質(zhì)、混合料級配、油石比、壓實(shí)度、厚度等是重要的控制指標(biāo)。而現(xiàn)行的規(guī)范和施工實(shí)踐中，并沒有考慮上述指標(biāo)在施工中產(chǎn)生的變異性，僅規(guī)定了指標(biāo)的控制范圍。施工參數(shù)的變異性會造成路面是結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生差異，這種差異是瀝青路面產(chǎn)生早期損害的主要原因。因此，對瀝青路面施工參數(shù)的變異性進(jìn)行分析和研究，對于提高瀝青路面的施工質(zhì)量，提高路面的使用性能、減少瀝青路面的早期損害及保證路面的使用壽命，具有十分重要的意義[1-4]。

1 瀝青面層材料模量的符合性檢驗(yàn)

1.1 瀝青混合料動態(tài)模量預(yù)測模型

瀝青混合料作為一種典型的粘彈性材料，受時(shí)間和溫度的雙重影響，我國路面設(shè)計(jì)中采用的是靜態(tài)模量值，它是彈性條件下應(yīng)力與應(yīng)變的比值，忽視了瞬態(tài)響應(yīng)，所以與路面實(shí)際受力狀態(tài)差別較大，而動態(tài)模量考慮了時(shí)間的影響，是應(yīng)力幅值與應(yīng)變幅值的比值，可以較好的描述溫度與荷載的共同影響，從而更好地模擬混合料真實(shí)的受力狀態(tài)。而路面結(jié)構(gòu)和材料的設(shè)計(jì)和研究中所要關(guān)心的正是車輛不同動態(tài)荷載下的路面動態(tài)響應(yīng)特性。在瀝青混合料動靜模量的對比研究中，羊明對比試驗(yàn)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，溫度20℃、加載頻率10 Hz情況下的混合料動態(tài)模量約為靜態(tài)模量的2.0～2.5倍。孫建對比動靜模量發(fā)現(xiàn)15℃時(shí)的動靜模量比為1.3～1.7之間，而20℃時(shí)則為1.7～2.5之間。

研究表明，在固定溫度和荷載條件下，瀝青混合料動態(tài)模量和靜態(tài)模量也存在著一定的關(guān)系。基于統(tǒng)計(jì)方法研究瀝青混合料動態(tài)模量預(yù)估得出的預(yù)估模型較多，尤以Witczak模型最具代表性。

Witczak和 Fonseca通過2 800多個(gè)動態(tài)模量數(shù)據(jù)，建立了密級配瀝青混合料動態(tài)模量的預(yù)估模型。該模型包括以下參數(shù)：瀝青黏度及用量、19 mm、9.5 mm和 4.75篩孔篩余及0.075 mm篩孔通過率、空隙率、溫度和加載頻率。計(jì)算式如下：

1.2 基于蒙特卡洛模擬的符合性檢驗(yàn)

蒙特卡羅方法是對隨機(jī)誤差傳遞過程進(jìn)行間接模擬，然后通過統(tǒng)計(jì)方法分析測定結(jié)果。當(dāng)各直接測定量的隨機(jī)誤差相互獨(dú)立時(shí)，與誤差傳遞公式計(jì)算結(jié)果一致;當(dāng)各直接測定量的隨機(jī)誤差不相互獨(dú)立時(shí)，亦能得到正確結(jié)果。

蒙特卡羅方法一般模擬次數(shù)多，重復(fù)計(jì)算量大，編程運(yùn)算則需要花費(fèi)大量時(shí)間，而MATLAB作為一種功能強(qiáng)大的科學(xué)計(jì)算軟件，其編程語言簡單，效率較高，自帶工具箱中的功能函數(shù)多大200 多個(gè)P27，所以本文通過MATLAB來模擬和計(jì)算其誤差的傳遞和分配情況。在計(jì)算中假定各參數(shù)服從正態(tài)分布，研究中發(fā)現(xiàn)，有些參數(shù)的測量值有時(shí)不一定服從正態(tài)分布，根據(jù)實(shí)際情況，此方法可以使用各參數(shù)任何分布的情況。

2 土基回彈模量預(yù)測模型

根據(jù)《柔性路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法》中提出的土基回彈模量和砂礫含量、土體含量水量、塑性指數(shù)及壓實(shí)度的關(guān)系：

時(shí)偉根據(jù)、、76 g錘的塑性指數(shù)Ipy和100 g錘之間的換算關(guān)系，粘土、粉土和砂土稠度與含水量的換算關(guān)系，同時(shí)令重型擊實(shí)Kh= C×K，得到以下一組公式：

各土質(zhì)平均砂礫含量一般為：砂土為50%～85%，粘土為50%～60%，粉土為20%～70%。王新岐對廣東南部地區(qū)土質(zhì)進(jìn)行調(diào)查得出該地區(qū)砂土砂礫含量可取65%，粘土為50%，粉土為45%，分別帶入上式，得到結(jié)果如下：

3 土基回彈模量預(yù)測模型

（1）在此處依然假定稠度和壓實(shí)度數(shù)據(jù)服從正態(tài)分布，以粘土為例，在 MATLAB中的具體程序如下：

for j=1：10000

k=normrnd（mu1，sigmal）;w=normrnd（mu2，sigma2）;

Ej）=19.5*k^2.5*（1.2-0.5831*w）^（-（0.68*i-0.44）*k/6）;

end

m=mean（E）， s=std（E）， cV=s/m

（2）下面分析壓實(shí)度和稠度在相同變異性的情況的影響分析，本文對選取壓實(shí)度變異性為1.5%，稠度變異性為1.5%和7.3%。

上述分析結(jié)果顯示，相同變異性條件下，壓實(shí)度變異性對模量的影響要高于稠度的影響。但是實(shí)際施工中壓實(shí)更容易控制所以變異性較小，而稠度變異性則一般較大。

以帶入稠度實(shí)際的變異性，則粘土和粉土稠度變異性對模量的影響要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于壓實(shí)度造成的影響，而砂土稠度變異性的影響則較小。

4 研究結(jié)論

本文對施工中主要參數(shù)的變異性進(jìn)行分析，歸納總結(jié)了影響變異性的因素及相應(yīng)控制措施，介紹了誤差傳遞原理及方法，并將其應(yīng)用于潮莞高速公路瀝青路面動態(tài)模量的變異性分析中，得出的主要研究成果如下：

（1）厚度的測量值符合正態(tài)分布和對數(shù)正態(tài)分布，為了計(jì)算簡便，按正態(tài)分布考慮;隨著路面結(jié)構(gòu)層的上升，厚度變異性減低。

（2）粘土和粉土中稠度變異性對模量的影響比壓實(shí)度變異性的影響大很多，而砂土中稠度變異性的影響較小，且低于其壓實(shí)度變異性的影響。

參考文獻(xiàn)：

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