《基于蒙特卡洛法的瀝青路面多指標(biāo)可靠度評(píng)價(jià)規(guī)程》編制說(shuō)明

《基于蒙特卡洛法的瀝青路面多指標(biāo)可靠度評(píng)價(jià)規(guī)程》編制說(shuō)明一、工作概況2020年6月，交通運(yùn)輸部印發(fā)《關(guān)于河北雄安新區(qū)開(kāi)展智能出行城市等交通強(qiáng)縱三橫”區(qū)域高速公路網(wǎng)的重要組成部分，也肩負(fù)著創(chuàng)造雄安質(zhì)量的任務(wù)。因國(guó)交通基礎(chǔ)設(shè)施在建設(shè)技術(shù)、裝備、管理方面也積累了豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。針已有研究中關(guān)于可靠度的計(jì)算模型主要有：應(yīng)力-抗力模型、疲勞分析模次二階矩法、JC法、直接積分法等；這些模型及方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，但應(yīng)力-抗鑒于路面基礎(chǔ)設(shè)施的耐久性與可靠性問(wèn)題貫穿于路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與使用的“瀝青路面結(jié)構(gòu)的可靠性研究”立題并研究以后，我國(guó)瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范得到了進(jìn)優(yōu)化：1986年我國(guó)的《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》采用路表彎沉為設(shè)計(jì)指標(biāo),層底拉應(yīng)力為驗(yàn)算指標(biāo)。1997年的規(guī)范中用以劈裂強(qiáng)度替代彎拉強(qiáng)度,并修正設(shè)計(jì)彎沉指標(biāo)值。相比1986版的規(guī)范，97版新增的設(shè)計(jì)彎沉值比容許彎沉值降低20%,此外,半剛性材料的模量也提高了近2倍。2006年的規(guī)范對(duì)層底拉應(yīng)力指標(biāo)進(jìn)行了修改,體現(xiàn)在材料參數(shù)的改變,還建議用材料的彎拉強(qiáng)度驗(yàn)證以提高準(zhǔn)確性，此時(shí)彎沉計(jì)算時(shí)需要的模量較之前提高2-3倍。但2017年的規(guī)范析研究難以適應(yīng)現(xiàn)行瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范要求，而現(xiàn)行瀝青路面多指標(biāo)設(shè)計(jì)公路工程的設(shè)計(jì)范圍廣，難以對(duì)瀝青路面結(jié)構(gòu)的可靠性評(píng)價(jià)提供精細(xì)化指導(dǎo)。而目前我國(guó)各省份尚無(wú)針對(duì)瀝青路面結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的至津石高速段(以下簡(jiǎn)稱：京德高速)工程，從瀝青路面的材料、結(jié)構(gòu)、施工和標(biāo)方法對(duì)河北地區(qū)修建半剛性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)的工后可靠性能開(kāi)展了系統(tǒng)課題研究先后歷時(shí)3年，已通過(guò)室內(nèi)外系統(tǒng)試驗(yàn)驗(yàn)證并成功應(yīng)用于京德高4.1.1成立標(biāo)準(zhǔn)制定工作組：根據(jù)《基于蒙特卡洛法的瀝青路面多指標(biāo)可4.1.2確定工作計(jì)劃：標(biāo)準(zhǔn)項(xiàng)目于2023年10月26日通過(guò)中國(guó)國(guó)際科技促進(jìn)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)化工作委員會(huì)及相關(guān)專家技術(shù)審核，進(jìn)行立項(xiàng)公示，項(xiàng)目計(jì)劃編號(hào)為4.1.3查詢國(guó)內(nèi)外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和文獻(xiàn)資料：根據(jù)工作計(jì)劃，標(biāo)準(zhǔn)制定工作組4.1.4形成標(biāo)準(zhǔn)草案：根據(jù)工作計(jì)劃及分工安排，在系統(tǒng)參考、學(xué)習(xí)已有4.1.5形成標(biāo)準(zhǔn)討論稿和編制說(shuō)明：根據(jù)工作計(jì)劃，由各參與單位主要負(fù)草案進(jìn)行整體完善，于2023年11月14.1.6形成標(biāo)準(zhǔn)征求意見(jiàn)稿和編制說(shuō)明：根據(jù)工作計(jì)劃，為推動(dòng)《基于蒙稿進(jìn)行修改完善，于2023年11月16日形成標(biāo)準(zhǔn)征仔細(xì)校核與修改，形成標(biāo)準(zhǔn)送審稿，計(jì)劃于2024年1月底，由中國(guó)國(guó)際科技促進(jìn)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)化工作委員會(huì)組織召開(kāi)線上標(biāo)準(zhǔn)評(píng)審會(huì)二、標(biāo)準(zhǔn)編制內(nèi)容無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定類材料彈性模量隨機(jī)特性的樣本應(yīng)采用施工中取料成型或現(xiàn)場(chǎng)鉆芯取樣的試件進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)測(cè)試，測(cè)試方法和數(shù)據(jù)處理應(yīng)符合瀝青混合料動(dòng)態(tài)壓縮模量隨機(jī)特性的樣本應(yīng)采用施工中取料成型或現(xiàn)場(chǎng)鉆芯取樣的試件進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試規(guī)程應(yīng)符合《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG合《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTGD30-2015）中第3章一般路基的規(guī)定和實(shí)驗(yàn)方對(duì)河北雄安京德高速和榮烏新線高速瀝青路面在建工程的6個(gè)標(biāo)段開(kāi)展調(diào)路面各結(jié)構(gòu)層厚度隨機(jī)特性的樣本應(yīng)采用鉆芯取樣試件或路面雷達(dá)進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試方法和數(shù)據(jù)處理應(yīng)符合《公路工程質(zhì)量檢驗(yàn)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》（JTG測(cè)試規(guī)程應(yīng)符合《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG路面各結(jié)構(gòu)層厚度隨機(jī)特性的樣本應(yīng)采用鉆芯取樣試件或路面雷達(dá)進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試方法和數(shù)據(jù)處理應(yīng)符合《公路工程質(zhì)量檢驗(yàn)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》（JTG無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定類材料彈性模量隨機(jī)特性的樣本應(yīng)采用施工中取料成型或現(xiàn)場(chǎng)鉆芯取樣的試件進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)測(cè)試，測(cè)試方法和數(shù)據(jù)處理應(yīng)符合瀝青混合料動(dòng)態(tài)壓縮模量隨機(jī)特性的樣本應(yīng)采用施工中取料成型或現(xiàn)場(chǎng)鉆芯取樣的試件進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試規(guī)程應(yīng)符合《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG合《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTGD30-2015）中第3章一般路基的規(guī)定和實(shí)驗(yàn)方無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定類材料彎拉強(qiáng)度隨機(jī)特性的樣本應(yīng)采用施工中取料成型試件進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試規(guī)程應(yīng)符合《公路工程無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》(JTGE51-2009)第5章和《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTGD50-2017）第5.4.5瀝青飽和度VFA隨機(jī)特性的樣本應(yīng)采用施工中馬歇爾試驗(yàn)測(cè)試分析得到，測(cè)試規(guī)程應(yīng)符合《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(J《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTGD50中瀝青混合料層疲勞和無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定層疲勞指標(biāo)中的季節(jié)性凍土地區(qū)調(diào)整瀝青路面的初期交通量及其他參數(shù)可參照可行性研究報(bào)告等有關(guān)交通量(1)現(xiàn)場(chǎng)交通量觀測(cè)資料可以獲得時(shí)，根據(jù)取得的各階段瀝青路面現(xiàn)場(chǎng)交A中式A.4.2計(jì)算瀝青路面交通量累計(jì)當(dāng)量軸次(2)現(xiàn)場(chǎng)交通量的觀測(cè)資料難以獲得時(shí)，交通量參數(shù)可參考路面設(shè)計(jì)文件的交通量和采用《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTGD50-2017）附錄A中的歷史數(shù)據(jù)或經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，按照《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTGD50-2017）附錄A中后根據(jù)當(dāng)?shù)亟?jīng)驗(yàn)值或經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平確定瀝青路面交通量累計(jì)當(dāng)量軸次的變異使用概率等效方法引入截?cái)喾植祭碚摝?)將正態(tài)或?qū)?shù)正態(tài)等分布模路面結(jié)構(gòu)極限狀態(tài)函數(shù)g(x)含有n維隨機(jī)變量x=x1,x2....,xn，其失效區(qū)域?qū)?shù)正態(tài)分布，a、b分別為隨機(jī)變量截?cái)嘞陆绾徒財(cái)嗌辖?，則x=f2;xi)=ki1F,;xi)1ψ(,,a,b;xi)Ki=設(shè)p為[0,1]上服從均勻分布的隨機(jī)數(shù)，則指定范圍正態(tài)分布隨機(jī)數(shù)xi的產(chǎn)若隨機(jī)變量yi服從對(duì)數(shù)正態(tài)分布，其均值為my，變異系數(shù)為vy，則xi=lnyixmy)至(1.4.2?5)產(chǎn)生xi的隨機(jī)數(shù)后，截?cái)嗾龖B(tài)分布隨機(jī)數(shù)為yi=exi。瀝青路面結(jié)構(gòu)參量在施工中的隨機(jī)特性采用圖1所示的模特卡羅法對(duì)參量kb=g1=6.32×1015.96?0.29β×ka×kb×kT1?1×()3.97×()1.58(VFA)2.72?Ne1Ne1——面層設(shè)計(jì)年限內(nèi)車道上的當(dāng)量軸載累計(jì)作用次數(shù)，按本規(guī)ka——季節(jié)性凍土地區(qū)調(diào)整系數(shù)；kb——疲勞加載模式系數(shù)，按式（7.1.1-2）計(jì)算；0.851+0.3E.43（VFA）e0.024?a5.11+e0.024?a?5.41Ea——瀝青混合料20℃時(shí)的動(dòng)態(tài)壓縮模量(MPa)；VFA——瀝青混合料的計(jì)算結(jié)構(gòu)層瀝青飽和無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定層疲勞極限g2=ka×kT2?1×10m?n×+kc?0.57×β?Ne2Ne2——基層設(shè)計(jì)年限內(nèi)車道的當(dāng)量軸載累計(jì)作用次數(shù)，按本Rs——無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定類材料的彎拉強(qiáng)度(MP路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTGD50-201?a，?b——分別為瀝青混合料層和計(jì)算點(diǎn)σt——無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定層的層底拉應(yīng)力(MPa)，應(yīng)符合《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTGD50-2017）第6.2.2條的技術(shù)規(guī)定并按Ne4——路基設(shè)計(jì)使用年限內(nèi)車道的當(dāng)量軸載累計(jì)作用次數(shù)，按本規(guī)范第D50-2017）第6.2.2條的技術(shù)規(guī)定并按式(B.4.10000-20000次。為提高可靠度大樣本抽樣效率，計(jì)算過(guò)程中可繪制失效概率結(jié)構(gòu)層失效概率pf：Df0gi≥00gi≥0N次蒙特卡洛抽樣計(jì)算中瀝青路面結(jié)構(gòu)各層失效概率的無(wú)偏估計(jì)值為i=E[I(?)]=Igi)i=1i=1、2、3對(duì)應(yīng)的p1為瀝青路面面層失效概率；p2為瀝青路面基層失效概率；p3瀝青路面路基失效概率。因此，瀝青路面結(jié)構(gòu)各層的可靠度為1pi。面結(jié)構(gòu)多指標(biāo)系統(tǒng)的可靠度為(1pi)min。三、標(biāo)準(zhǔn)編制原則、主要內(nèi)容及其確定依據(jù)，修訂標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，還包括修訂前后技術(shù)內(nèi)容的對(duì)比（1）一致性原則保持與國(guó)家法律法規(guī)和部門規(guī)章的一致性。標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)應(yīng)符合《安全生產(chǎn)保持與行業(yè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的一致性。標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)與《公路工程結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計(jì)對(duì)于條款的主語(yǔ)表述問(wèn)題，適用于各從業(yè)單位的，可不明確主語(yǔ)對(duì)象，僅適用部分從業(yè)單位的，要明確主語(yǔ)對(duì)象。標(biāo)準(zhǔn)中相關(guān)表述統(tǒng)一，如:瀝青面層2提出本標(biāo)準(zhǔn)的依據(jù)2.2參照相關(guān)法律、法規(guī)和規(guī)定，在編制過(guò)程中著重考慮了科學(xué)性、適用《河北雄安新區(qū)總體規(guī)劃（2018—2035年）的批復(fù)》（國(guó)函〔2018〕159第二部分是規(guī)范性引用文件，列舉了構(gòu)成本無(wú)四、試驗(yàn)驗(yàn)證的分析、綜述報(bào)告，技術(shù)經(jīng)濟(jì)論證，預(yù)期的經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益和生態(tài)效益本技術(shù)指南方法前期已成功應(yīng)用于河北雄安京德高速瀝青路面結(jié)構(gòu)的工層瀝青飽和度VFA和底基層彎拉強(qiáng)度R1等關(guān)鍵可靠度計(jì)算輸入?yún)?shù)如下表1所EH/cm4EH/cm8EH/cmEH/cmEH/cmER同時(shí)，統(tǒng)計(jì)了2021年6月—12月，京德高速沿線大興機(jī)場(chǎng)、永清空港、永基壓應(yīng)變指標(biāo)的可靠度為100%；在累計(jì)當(dāng)量軸次變異水平為0.1~0.3時(shí)，基層實(shí)現(xiàn)安全性和經(jīng)濟(jì)性的統(tǒng)一。因此，圍繞《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTGD50-2017)中的多個(gè)控制指標(biāo)開(kāi)展瀝青路面結(jié)構(gòu)可靠A.M.Freudental在《結(jié)構(gòu)安全度》中提出應(yīng)該將概率論理念引入到結(jié)構(gòu)的安全局和瀝青研究所在編制瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范時(shí)考慮了路面結(jié)構(gòu)材料的隨機(jī)性和和研究。同年，美國(guó)德克薩斯州的瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法中引入可靠度理論，將可靠度設(shè)計(jì)方法與實(shí)際工程相結(jié)合并把可靠度理念應(yīng)用于路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。1990年Y.T.Chou基于前期實(shí)驗(yàn)研究得到了不同變異水平下路面結(jié)構(gòu)可靠度與本效益設(shè)計(jì)方法構(gòu)建了瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)厚度指標(biāo)與疲勞和車轍失效模式的案的成本效益，通過(guò)單純形法優(yōu)化技術(shù)設(shè)計(jì)了成本最低的求解方案。2016年DinegdaeYH認(rèn)為路面結(jié)構(gòu)可靠度分析不僅要考慮輸入變量對(duì)路面性能預(yù)測(cè)的MuhunthanB等指出新形勢(shì)下路面結(jié)構(gòu)可靠度分析要點(diǎn)在于：結(jié)合力學(xué)-經(jīng)驗(yàn)路丁立方體模擬法和羅森布萊斯2k+1點(diǎn)估計(jì)法用于路面結(jié)構(gòu)可靠度分析的可執(zhí)行性優(yōu)缺點(diǎn)，并指出超拉丁立方體方法能有效替代計(jì)算密集型蒙特卡羅方法。2019年HanZ等認(rèn)為最佳時(shí)間間隔的預(yù)防性維護(hù)不僅能使路面達(dá)到預(yù)期的性能1991年4月，交通部對(duì)“瀝青路面結(jié)構(gòu)的可靠性研究”項(xiàng)目進(jìn)行立項(xiàng)，1995年和材料不均勻性引起的路面結(jié)構(gòu)力學(xué)性能差異更符合基于彎沉指標(biāo)的可靠度分析模型和彎拉應(yīng)力指標(biāo)的可靠度模型極限狀態(tài)函數(shù)一樣。2008年徐旭等以彎沉指標(biāo)建立極限狀態(tài)方程，利用有限元軟件ANSYS均勻性(優(yōu)、中、差)評(píng)價(jià)等級(jí)。2015年石福周等針對(duì)寒區(qū)道路的溫度裂縫和水環(huán)變異系數(shù)對(duì)路面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度可靠度的影響規(guī)律。同年，司偉等[26]也結(jié)合凍融2016年王昊采用MonteCarlo法分析了基層模量變異性對(duì)彎沉和底基層層崢嶸基于正交試驗(yàn)對(duì)比分析了半剛性基層和柔性基層兩種長(zhǎng)壽命路面結(jié)構(gòu)厚等基于荷載疲勞應(yīng)力和溫度疲勞應(yīng)力指標(biāo)對(duì)舊瀝青路面加鋪水泥混凝土層結(jié)構(gòu)的可靠性開(kāi)展了加鋪層厚度、設(shè)計(jì)彎拉強(qiáng)度和當(dāng)量回彈模量等5個(gè)指標(biāo)變異青路面系統(tǒng)可靠度進(jìn)行分析。2020年楊聰利基于《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTGD50-2017)的結(jié)構(gòu)驗(yàn)算指標(biāo)設(shè)計(jì)了瀝青路面結(jié)構(gòu)可靠度軟件框架，結(jié)合無(wú)綜上所述1）道路工程的建設(shè)具有地域、氣候、材料性質(zhì)和交通量差的計(jì)算模型主要有：應(yīng)力-抗力模型、疲勞分析模型、服務(wù)性指數(shù)模型和際應(yīng)用時(shí)需要進(jìn)行轉(zhuǎn)化，但應(yīng)力-抗力模型和蒙特卡羅法是公認(rèn)的較為準(zhǔn)確的路面結(jié)構(gòu)可靠度分析方法。（2）2017年以前，我國(guó)瀝青路面可靠度分析主要最終極限狀態(tài)。（3）新版瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范實(shí)施以來(lái)，關(guān)于路面疲勞指標(biāo)的3.效果評(píng)估：本技術(shù)指南開(kāi)展了河北京德高速公路的可靠度分析和評(píng)價(jià)，綜上所述，本技