沥青路面设计的新理念和新方法2015

孙立军教授，长江学者同济大学交通运输工程学院沥青路面设计的新理念和新方法‡国内外背景‡重载引起的问题‡一体化设计框架‡设计小结‡结束语国内外背景‡半刚性基层沥青路面‡沥青层厚度‡1980年代：12cm‡1990年代中后期之前：15cm‡1990年代中后期-2005年前后：18cm‡之后：18－26cm～[e-mail]‡沥青‡国产沥青~进口沥青~优质沥青‡改性沥青‡70年代末-90年代初：研发阶段‡90年代初-90年代末：推广应阶段‡90年代末-今：大规模应用阶段‡2002年后：从单层改性到双层改性国内外背景[e-mail]‡沥青混合料‡1990年代初：LH‡1990年代中期：AK混合料‡1990年代后期：Superpave,SMA试用阶段‡2000年后：SMA，Superpave大量使用，Bailey法‡目前：SMA，AC-C（Superpave），AC-F，SAC，Bailey法，大粒径折断型级配国内外背景[e-mail]面层厚度0510152025303540198519901995200020052010进口沥青改性沥青双层改性LH,AKSuper,SMASuper,SMA,Bailey,提高压实功国内外背景[e-mail]国内外背景„目前的方法‰AASHTO方法‰SHELL方法‰AI方法‰SUPERPAVE方法‰法国方法‰比利时方法‰澳大利亚方法‰AASHTO2002‰我国方法„损坏认识与设计考虑‰形成于60、70、80、90年代‰疲劳开裂、车辙和低温开裂是主要损坏形式‰疲劳开裂首先产生于沥青层底面，并向上发展‰路基变形是车辙产生的主要原因‰设计指标：PSI、、lzrεε和[e-mail]国内外背景‡力学法‡NNf‡厚度设计方法，材料设计另外考虑dzfbrfcNaNεε⋅=⋅=,来自力学分析[e-mail]国内外背景‡Superpave方法‡NNf‡结构分析作为输入，材料设计作为归宿‡Nf=SF*Nf’(T,ε)‡来自室内试验[e-mail]国内外背景‡ME方法‡自下而上、自上而下的开裂指标‡Miner定律‡路面永久变形估计‡基于弹性应变的传统估计方法‡长寿命路面设计‡40-50年的寿命‡自上而下的损坏[e-mail]国内外背景‡我国方法‡弯沉起控制作用，层底应力一般不起控制作用‡厚度设计方法，材料设计另外考虑)(/),NKSNll≤≤计算设计计算（σ来自力学计算[e-mail]国内外背景‡沿用1986年的标准‡对半刚性基层，弯沉减小1.6倍‡将末期弯沉转化为初期弯沉，减小1.2倍‡半刚性材料的模量严重低估，弯沉修正不能反应实际情况‡路面的实际弯沉在0.10~0.15mm，小于水泥混凝土路面弯沉‡后果是：沥青路面，其设计重点不是沥青层，而是基层[e-mail]2015-5-1312‡1996年以来,交通量和轴载大小迅速增大‡货车比例平均为36％，相当比例的胎压超过0.7MPa‡∑ESALs(100kN)=2000万－1亿轴次，最大达4亿轴次重载引起的问题05101520253035%26101418222630AxleLoad,ton01020304050600.4-0.50.5-0.60.6-0.70.7-0.80.8-0.90.9-1.01.0-1.11.1-1.2TyrePressure（MPa）%RearwheelFrontwheel-80-60-40-200204060800.00.20.40.60.81.0接地压力值（MPa）横向轴（mm）-100-80-60-40-200204060801000.00.20.40.60.81.0接地压力值（MPa）横向轴（mm）-100-80-60-40-200204060801000.00.20.40.60.81.01.21.41.61.8接地压力值（MPa）横向轴（mm）810kpa/1328kg810kpa/2500kg810kpa/5000kg典型测试结果：11.00-20走向花纹轮胎接地压力分布实测各花纹条走向压力分布接地面中心点处横断面压力分布0.100.150.200.25-0.10-0.050.000.050.1080000120000160000200000240000280000320000最大剪应力峰值（MPa）Y轴（m）X轴（m）0.100.150.200.250.30-0.10-0.050.000.050.1080000120000160000200000240000280000320000最大剪应力峰值（MPa）Y轴（m）X轴（m）d)1050kpa/1900kg半刚性基层e)1050kpa/2500kg半刚性基层f)1050kpa/6250kg半刚性基层0.100.150.200.250.30-0.20-0.15-0.10-0.050.000.050.100.150.2080000120000160000200000240000280000320000360000400000440000最大剪应力峰值（MPa）Y轴（m）X轴（m）重载引起的问题[e-mail]最大剪应力分布01020304050607080901000.00.10.20.30.40.50.6最大剪应力(mpa)深度(cm)shear-标准shear-cx1-2-16shear-cx1-1-6shear-cx1-2-19重载引起的问题[e-mail]剪应力比沿深度变化0102030405060708000.511.522.5倍率深度cx1-2-16cx1-1-6cx1-2-19重载引起的问题[e-mail]自上而下的开裂过程重载引起的问题[e-mail]剪应力比沿深度变化0102030405060708000.511.522.5倍率深度cx1-2-16cx1-1-6cx1-2-19重载引起的问题[e-mail]重载引起的问题[e-mail]弯拉疲劳剪切疲劳重载引起的问题[e-mail]实测值0369121520.030.040.050.060.0路面温度℃深度cm5:0011:0013:0019:0023:00车辙产生于10cm深度重载引起的问题温度的作用[e-mail]温度累积作用01224364860722835424956底面温度顶面温度温度(℃)时间(小时)重载引起的问题[e-mail]重载引起的问题z温度累积作用[e-mail]2015-5-1323‡重交通作用下出现了许多新的损坏现象[e-mail]重载引起的问题2015-5-13同济大学道路与交通工程教育部重点实验室斑状泛油重交路面损坏特征2015-5-13同济大学道路与交通工程教育部重点实验室内部松散重交路面损坏特征2015-5-13同济大学道路与交通工程教育部重点实验室新型翻浆重交路面损坏特征2015-5-13同济大学道路与交通工程教育部重点实验室新型沉陷重交路面损坏特征2015-5-13同济大学道路与交通工程教育部重点实验室坑洞重交路面损坏特征2015-5-13同济大学道路与交通工程教育部重点实验室车辙重交路面损坏特征2015-5-13同济大学道路与交通工程教育部重点实验室纵向平行裂缝重交路面损坏特征2015-5-13同济大学道路与交通工程教育部重点实验室鸡爪形不规则裂缝重交路面损坏特征2015-5-13同济大学道路与交通工程教育部重点实验室Top-Down损坏重交路面损坏特征2015-5-13同济大学道路与交通工程教育部重点实验室重交路面损坏特征2015-5-13同济大学道路与交通工程教育部重点实验室沥青在表面层内重新分布前后沥青表面层沥青含量沥青含量前后重交路面损坏特征2015-5-13同济大学道路与交通工程教育部重点实验室目前的损坏„产生于路面使用初期„与结构的整体抗力无正相关性„重载的影响明显„损坏起于面层，开裂向下传播„雨水具有明显的影响„发展速度很快传统的损坏„产生于长期使用后„与整体抗力关系明显„雨水的影响明显„开裂产生于结构层底部，向上发展„损坏随累计ESAL增加缓慢增加„伴随非荷载型损坏重交路面损坏特征2015-5-13同济大学道路与交通工程教育部重点实验室33002vP=实测的水压动水压力2015-5-13同济大学道路与交通工程教育部重点实验室首次发现的沥青迁移现象沥青含量沿深度分布水上层中层下层前后动水压力2015-5-13同济大学道路与交通工程教育部重点实验室沥青的迁移动水压力2015-5-13同济大学道路与交通工程教育部重点实验室动水头翻浆的过程动水压力2015-5-13同济大学道路与交通工程教育部重点实验室翻浆与沉陷动水压力2015-5-13同济大学道路与交通工程教育部重点实验室空隙率与损坏2468101214空隙率（%）损坏路段正常路段沥青混合料的质量2015-5-13同济大学道路与交通工程教育部重点实验室05101520253035LH25SMA16LK1LK0LH15SUP13变异性与集料最大粒径的关系沥青混合料的质量‡荷载的变化，导致传统的路面认识偏差很大，许多结论不再适用‡荷载影响的范围增大‡路面损坏的机理发生了变化‡人们严重低估了重交通路面的复杂性，采用将轻交通路面的设计方法简单外延至重交通路面的设计，结构设计与材料设计是分离的，与使用性能无关重载引起的问题[e-mail]2015-5-1344‡传统的理论无法给予明确的指导，结构组合设计存在盲目性，对重交通路面设计需要新的思路‡重新认识力学在路面分析和设计中的作用‡关注结构与材料的相互作用，根据使用性能将结构设计与材料设计一体化‡将路面设计变为科学[e-mail]重载引起的问题2015-5-1345设计框架低温或反射裂缝剪切有关的损坏弯曲疲劳开裂水或均匀性损坏[e-mail]弯曲疲劳，自下而上的破坏z剪切疲劳，自上而下的破坏剪应力拉应变拉应力压应变设计框架[e-mail]上述两种模式尚不能反映全部问题，还需综合考虑路面使用性能典型衰减模式3412PCIYears设计框架[e-mail]设计框架按性能设计+按力学验算[e-mail]:基层模量范围基层材料类型选择III：结构层厚度设计全寿命费用优化IV：体积法材料设计剪切抗力检验疲劳抗力检验基层模量检验交通设计参数环境设计参数材料路基参数工程经济参数IV:结果输出I:数据采集和输入II:基层模量范围基层材料类型选择III：结构层厚度设计全寿命费用优化IV：体积法材料设计剪切抗力检验疲劳抗力检验基层模量检验交通设计参数环境设计参数材料路基参数工程经济参数IV:结果输出I:数据采集和输入设计框架zPI：输入阶段z输入影响路面设计的所以因素，包括交通、环境、材料、路基土质和施工能力等zPII：概念设计阶段z通过剪切分析进行路面结构材料（模量）组合设计，