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交通地质学 13（2017）13-27
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交通地质学
期刊网站：www.elsevier.com/locate/trgeo
美国联邦航空管理局对道路粒料基层和底基层材料非线性特性的评估方法
Claudia E.Zapata,Mattew W.Witczak,Pugazhvel Thirthar Palanivelu
亚利桑那州立大学可持续工程与建筑环境学院，大学大道公共区，邮政信箱873005，坦佩，亚利桑那州85287-3005
关键词：粒料基层；底基层；非线性模量；体积应力；八面体剪应力；国家机场试验设施
摘要：
美国机场道面的主要测试点是位于新泽西州大西洋城中心的联邦航空局威廉休斯技术中心。该中心设施是国家级机场道面试验设施，位于大西洋城市机场中的一个有盖机库里。自20世纪90年代末，就在这里修建了各种各样的人行道交叉道路，并通过用不同的载重车辆行驶，来模拟各种飞机机轮类型，机轮负荷和轮胎压力。
亚利桑那州立大学发起了一项研究，来调查路基粘土的形成是否是由于气候的影响，特别是温度梯度的影响。如果假设得到验证，它有可能改变道面荷载区段的性能分析方法。这项研究涉及到研究调查，涵盖广泛的技术课题。
整个项目的一个主要任务是测算无粘结基层和底基层的非线性模量，以研究沥青温度对道面轮廓应力状态的影响。此任务允许将非线性模量结果与FAA AC-150-5320-6E（FAA，2009），即目前正在使用中的FAA方法进行比较。本文讨论并介绍了CC-7道面截面的多层应力综合分析所得的模量结果，这些应力分析适用于各种荷载车配置、车轮荷载和接触区域。
243个单独道面计算机分析的总体平均结果提供了可比模量值，但发现了一些分析限制，这些限制将导致基层和底基层材料弹性模量的相对误差在-60%到 60%之间。下卧基层和底基层的模量误差非常重要，因为它们将导致在预测随后的疲劳开裂抗力和任何沥青铺面层的预测中出现重大误差。
介绍
背景
美国机场的主要道面测试设施是位于新泽西州大西洋城的联邦航空局威廉·J·休斯技术中心。该中心的设施被称为国家级机场道面测试设施（NAPTF），位于大西洋城市机场中的一个有盖机库设施内。自20世纪90年代末以来，在这里已经建造了各种各样具有不同横断面的道面，并用各种载重车运输，模拟了各种飞机机轮类型、机轮荷载和轮胎压力。试验剖面区域由土工膜包裹，土工膜垂直延伸至两侧，深度距道面约12英尺（3.7米）。膜包裹的目的是防止水分进入或离开试验段层。
目前正在评估的一组路段于2013-2014年建成，并被联邦航空局指定为施工循环路段CC-7。图1展示了柔性道面部分，以及宽60英尺长300英尺（18.3mtimes;91.4m）试验区平面图。横截面的不同深度处配备了温度和湿度传感器，此外，还获得了路基层的原状谢尔比管样品，以确保道面层的强度-压实特性的正确性。
图一
最新施工的柔性道面横断面的循环CC-7厚度为3英寸（7.6cm）。沥青混凝土（AC）表面层（P-401）厚度为6英寸（15cm），密实级配碎石底座（P-209）厚度为20英寸（51cm），砂砾底基层（P-154）厚度为22英寸（56cm），杜邦粘土路基1号基层厚度为32英寸（81厘米），杜邦粘土路基2号层基层厚度为61英寸（155厘米）。
项目目的
在装载CC-7型钢之前，作者被联系去检查路基粘土是否有水分，如果确实有，路基粘土会发生移动，这个现象有可能改变初始设计CBR强度，CBR是FAA在研究中评估的道面荷载截面性能分析中使用的参数。为此，亚利桑那州立大学（ASU）已经启动了一项涉及广泛技术研究主题的调查
整个项目研究的一个主要子任务是，对无粘结基层（P-209）和底基层（P-154）的非线性模量进行评估，并将这些结果与FAA AC-150-5320-6E[5]中使用的现行FAA方法进行比较。本论文的具体目标是讨论和介绍现行的FAA方法对未结合基层和底基层弹性模量评估结果的有效性，对CC-7道面段非线性多层应力分析得出的解的有效性，适用于大范围的载重车配置，车轮荷载和接触面积。
在公路和机场道面设计和分析中，用于估算未结合粒料和土壤材料层的非线性模量值的非线性解的概念已在实践中使用了40多年。拟分析解使用多层线性弹性道面响应解，由于这些模型中的基本要求是在任何层内都有均匀、各向同性的条件，此方法的主要限制是它不能正确地考虑应力状态的径向（水平）变化，从而导致层内非线性模量发生径向变化。因此，需要在道面层内给定深度处，根据最大应力状态计算该层的非线性解，然后将该值用作所用多层弹性模型中的均匀各向同性条件。
车辆加载属性
车轮配置
根据FAA提供的信息，当前试验段主要装载了由以下车轮组成的试验车轮：（a）双车轮，（b）双串联车轮，（c）三串联车轮。对于所有试验大车车轮，双轮胎间距（Sd）设置为54英寸（137厘米），而双双和三个串联间距之间的串联距离（St）设置为57英寸（145厘米）。
轮胎负荷和接触压力
根据FAA方法，所有载重车上的轮胎尺寸均为飞机轮胎尺寸52times;21或22。它们的恒定接触压力（pc）为243 psi（1.7兆帕）。车轮（轮胎）负载是可变的，这取决于测试的施工周期。单个轮胎的车轮载荷范围为55至65kips（245至289KN）。在ASU研究小组进行的多层弹性理论（MLET）应力分析中，使用了三种轮胎载荷的矩阵：50kip、60kip和70kips（222、267和311KN）。该矩阵得出了表1所示的每个轮胎荷载的设计输入系数。
车辆速度
NAPTF提供的信息表明：给定的载重车是以标准小车v=2.5mph（4km/h）的速度通过道面。
MLET应力计算点
MLET研究评估了粒料基层和底基层以及各种粘土路基的应力分布。应用代表Jacob-Uzan分层弹性分析的JULEA程序进行理论研究。整体MLET分析中使用的计算点包括11个垂直位置和多达15个水平位置，这取决于所研究的车轮类型。图2所示为研究的每种特定齿轮类型的MLET应力分析中使用的水平x-y坐标位置：双轮胎（D）、双串联（DT）和三串联（TT）。如前所述，选择（x-y）计算点，以确保在任何给定深度（z）处的最大临界应力值可以在每个车轮的整个轮胎正下方找到。
用于每个x-y计算分配的计算深度（z）在表2中确定。作为整体研究的一部分，在每个x-y位置也评估了总共11个计算深度（z）。注意厚度大于6英寸的层，在计算的准确性上被分成了两部分。轮胎和计算位置点的概要见表3。表2和表3确定了：（a）按齿轮类型划分的轮胎位置;（b）按齿轮类型划分的x-y计算点的坐标;（c）MLET研究中使用的单独计算深度z。
值得注意的是，在对本论文中提出的基层和底基层非线性预测的对比研究中，仅直接使用了粒料基层和底基层的道面响应值，路基层中的其他应力状态用于另一项联合研究（本论文中未预先提出），以评估上游和县城粘土路基层的非线性响应[20]。
道面层模量
用MLET解计算关键道面响应变量（应力/应变）需要确定每层的两个弹性支柱。下一节描述了用于确定每个道面层（包括NAPTF试验段）的动态（弹性）模量和分析假设的泊松比值的细节。
AC P401 E--温度关系
目的
本研究阶段的主要目标涉及选择P401 AC混合料的典型主曲线，可用于确定AC混合料的动态复合模量（E*）与试验设施预期遇到的道面温度范围之间的关系。对于给定的AC混合物，E*是特定混合物特性（Mp）、试样状态（T）和荷载频率（f）的函数。因此：
E*=f（Mp，T，f） （1）
在实验室复合模量试验中，以及实际的现场荷载应力脉冲试验中，试验频率（f）与给定循环的荷载时间有关，关系式：
t1=1/f （2）
因为这种影响，在对应于给定的负载小车重复速度（v），E*也将是所用车轮布置类型的函数，因为这将控制交流层中的负载应力脉冲的时间。
典型AC的E*主曲线的选择
重要的是要理解，在FAA AC 150/5320-6E手册[5]和FAARFIELD计算机程序中，对于所有温度和车轮装置，AC的弹性模量都被方便地假设为200000psi（1379MPa）这个简化值。这显然是一种简化，它不能模拟实际的年度现场环境条件、实际铺砌横截面和在给定机场设施下，在无翼混合体上运行的多架飞机的具体起落架布置。重要的是要认识到，在给定的一年中，AC混合物的E*通常在PCC层（3-5times;10^6 psi或2-3times;10^4 MPa）的模量与密级配碎石层（30-60 ksi或207 414 MPa）的模量之间变化。准确预测NAPTF处P-401混合料的实际现场E*行为是非常关键的。通过混合料主曲线将E*表征为温度和荷载时间的函数是当前沥青混合料建模和表征研究中广泛接受的事实。大多数用于建立主曲线模型的关系与Witchzak[13,12]开发的sigmoidal函数有关：
（3）
在这个方程中:a、b、d和c是拟合参数，tr被定义为主曲线函数的缩减时间，方程为：
（4）
其中aT是位移系数，tl是所述荷载道面组合引起的应力脉冲的实际荷载时间，tr是缩减时间。
在纯线性粘弹性中，位移函数在理论上是试验温度的线性函数。然而，Witchzak已经证明，对于过去45年中评估的350多种不同的混合物，对数（aT）关系的最精确模型呈现非线性形式，并且最精确的模型是：
（5）
因此，任何一种特定的交流混合物的完全模-时-温关系可以用一系列七个系数来表征，这些系数取决于混合物的特定性质。这些系数为：d、a、b、c、A、B和C。
因为本研究不包括试验段中的层在3-in中动态复合模量（E*）的测量。联邦航空局使用的代表通用P-401混合料规范的一组典型系数是从广泛的混合料试验结果数据库中选择的。该数据库由Witchzak从1970年代早期开始开发，并作为表征沥青混合料E*性能的基础，应用在一些沥青协会手册系列出版物[18,17]以及AASHTO[1,12,13]最近开发的MEPDG中。本研究中使用的具体系数为：d=0.4368606，a=1.936506，b=0.297275，c=0.87176，A=0.000065，B=0.072016，C=4.725074。
AC层中的荷载脉冲时间（tl）的估算
为了预测任何给定温度下的AC的E*，需要确定所述道面齿轮组合的tl。为了解决这一问题，有必要利用根据变压器作用理论而建立的齿轮载荷脉冲在交流层中的热释放。在这项研究中，应力脉冲在AC层总厚度的深度处导出，以便为AC层内的载荷脉冲提供最保守的估计。该方法基于将试验段（厚度为h1，模量为E1）中实际AC层的层刚度D与等效AC（）厚度和模量（相当于道面系统Esg最低路基层）的转换段相等。这是为了使转换后的截面处在一个“Boussinesq”单层弹性系统中。等效厚度由以下公式得出：
（6）
其中Eac是AC层模量，mu;ac和mu;sg代表AC和路基泊松比。
而实际交流所需的实际脉冲长度（Lp），可以从以下公式建立：
（7）
对于转换截面，因为Boussinesq固体（）通常接近45°。其中是
半径，其计算公式如下：
（8）
其中P是轮胎负荷，pc是接触压力。
在NAPTF中，载重车的额定装载速度先前被认为等于2.5英里/小时（4公里/小时）。利用这一公式，（单个轮胎应力脉冲下）可以得到特定的加载时间（假设micro;ac=micro;sg）：
（9）
其中，v单位为ft/sec，ac和h1单位为英寸，Eac和Esg单位为psi。
因为Lp值，加载时间与路基Esg值直接相关；本文采用JULEA-MLET应力分析方法，选择了一系列Esg值进行参数敏感性研究。三级Esg值用于粘土路基层，大约覆盖实际FAA在试验段中记录的CBR值范围。使用的SG值为4、6和10 ksi（27.6、41.4和68.9MPa）。
确定应力重叠的重要性
使用此方法很重要，因为它能够确定AC层中相邻行之间是否存在任何单独的应力重叠。
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