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国外沥青路面结构设计简介长安大学戴经梁国外沥青路面结构设计简介◎丰富我国现有路面结构类型的必要性◎永久性沥青路面简介◎国外沥青路面结构设计方法介绍CBR设计法(加州承载比法)美国各州公路工作者协会(AASHTO)设计法shell(壳牌)设计法丰富我国现有路面结构类型的必要性我国高速公路路面的早期损坏严重：◎沥青路面建成不久，当年或者2～3年后，沥青路面就发生不同程度的开裂、车辙、坑槽等早期损坏。◎另外的早期损坏是指所修建的路面普遍达不到路面的设计年限。路面的大修经常是“开膛破肚”式的。张春贤部长在全国交通工作会议上指出“要有针对性地引进国外成熟的技术、标准和规范。科研成果是实践经验的总结，是人类文明的结晶，我们要善于借鉴一切先进的科研成果。在公路建设和管理领域、国与国之间的技术问题及解决方法具有很多共性。发达国家研究早、实践早、积累了丰富的经验，许多技术、标准和规范属于政府所有，没有知识产权的障碍，我们要把技术引进作为公路交通实现新的跨越式发展的重要手段”20～4030～4020～4020～4030～404030～4030～50设计年限澳大利亚加拿大日本南非法国英国德国美国（AASHTO93）国家国外沥青路面结构的设计年限部分国家使用的主要沥青路面结构√中国√√√加拿大√√√德国√√日本√√（中、轻交通）√美国√(贫水泥混凝土)√（中、轻交通）√英国√(水稳碎石)√√法国薄沥青层厚粒料基层厚沥青层下卧底基层半刚性基层混合式全厚式粒料基层主要路面结构国家※※俄罗斯※※※法国※※※比利时※※诺丁汉大学※※※※南非※※日本※※※澳大利亚※※※SHELL补强※※※AI路表弯沉永久变形粒料层剪切应力路基顶面压应变稳定粒料层拉应力沥青层疲劳机构部分国家或单位采用的设计指标国外常见沥青路面结构组成国外常见沥青路面结构组成永久性沥青路面永久性沥青路面产生的背景永久性沥青路面的特点永久性沥青路面经济性永久性沥青路面对结构层材料的要求永久性沥青路面设计方法永久性沥青路面产生的背景重载交通对欧洲沥青路面的挑战◎轴载增加和重载交通量的快速增长；◎慢速交通产生了更大的路面应力；◎高压轮胎引起作用应力的增加；◎道路磨光加速。永久性路面的特点◎在总费用上：初期建设费很高，日常养护费和使用费较少，总费用效益比最大◎在设计年限上：至少40年◎在损坏模式上：路面的损坏只发生在表面层，如表面开裂，不存在结构性破坏◎在养护维修上：只需要日常养护，不需要进行结构性大修0123456789203040设计寿命（年）费用指数使用者延误费用维修费用初期建设费用沥青路面周期费用经济分析永久性沥青路面经济性永久性路面能够承受更大的交通量和更重的交通荷载，虽然其初期建设费用较高，但是如果评价整个使用周期的总费用，永久性路面较传统的沥青路面更经济，降低了使用周期内的维修费用，同时极大降低了道路使用者的使用费用（交通延误及事故费用）。最大拉应变路面基础（PavementFoundation）高模量抗车辙材料（联结层）柔性抗疲劳材料3-4”（HMA基层）1.5-3”SMA,OGFC或Superpave（表面层）}4”to6”高压应力区永久性沥青路面对结构层材料的要求◎要求面层应具有足够的抗车辙能力、抗渗性及抗磨耗性能；◎要求中间层（联结层）具有较强的抗车辙性能；◎要求基层具有足够的抗疲劳及耐久性能。◎要求路面结构的基础可以为路面结构的铺筑提供稳定的施工平台，其在服务期内的性能指标不会随季节的改变而发生较大的变化。◎沥青路面较厚=应变较小◎应变低于疲劳阈值=疲劳寿命无限长压应变拉应变应变疲劳寿命疲劳寿命无限长沥青基层的抗疲劳性能◎有效沥青含量较高的混合料=混合料具有较高的应变能力◎改性沥青=混合料具有较高的应变能力疲劳寿命应变高沥青含量低沥青含量疲劳寿命无限长沥青基层的抗疲劳性能影响永久性路面抗车辙性能的因素◎集料级配；◎沥青等级及改性剂的添加；◎施工过程中混合料的密度（空隙率）；◎选择适宜的表面层材料。沥青层厚度(mm)车辙率(mm/msa)01002003004000.11101001000车辙率与沥青层厚度的关系永久性沥青路面设计方法路面力学模型材料性能指标(模量值)路面反应(应力、应变等）转换函数路面寿命是否满足要求？最终设计面层底部大于70me的拉应变出现的可能性最小；路基顶部大于200me的压应变出现的可能性最小；永久性路面设计标准标准当量轴载限制弯拉应变70me限制竖向压应变200me厚沥青层(8”)基层(按要求确定)路基永久性路面设计目标反复弯曲产生疲劳开裂反复变形产生车辙HMA基层路基国外沥青路面设计方法介绍CBR设计法AASHTO设计法SHELL设计法CBR设计法该方法是上世纪二十年代美国加州使用的一种方法。该法根据多年实测结果得到一条土基承载值与路面总厚度的关系曲线。而土基的承载值用标准碎石承载能力的百分比（称为加州承载比，记为CBR值）表示。所以这种方法也称为CBR法。提出的CBR指标已被作为路面材料的一种参数指标得到了广泛应用。AASHTO方法◎AASHTO法提出了路面现时服务能力指数PSI的概念，以反映路面状况与质量的指标。通过对相同路段的主观评价与客观评价，建立了PSI与路面状况的关系。◎AASHTO设计方法提出以使用年限末的路面现时服务能力指数Pt作为设计控制标准，使路面结构设计和路面使用期末的性能联系起来。路面现时服务能力指数PSI（路面耐用性指数）PSI=5.03-1.91lg式中：—两边轮迹带上的平均坡度变化C—已发展成网裂者m2/92.9m2P—修补面积m2/92.9m2—车辙深度cmAASHTO1972版结构数——表示路面结构强弱的指标，反映了路面各结构层层位、材料及厚度与路面结构强度之间对应关系D1——沥青面层厚度；1——热拌沥青混凝土0.44D2——基层厚度；2——级配碎石0.14D3——底基层厚度；3——天然沙砾0.11车辆的当量换算——按耐用性指数P=2.5等效原则，提出了各种单轴和双轴换算为18千磅（80KN）单轴荷载的换算系数（标准轴载）1．基本设计条件最终耐用性指数，主要干线公路p=2.5轻交通公路p=2.0设计交通量设计期（20年）换算为18千磅轴载累计作用次数AASHTO1972版设计法2．路面结构数确定路面设计方程C0——道路试验中平均起始耐用性指数，4.2C1——道路试验中最终耐用性指数，1.5P——设计的最终耐用性指数，主干道2.5次要公路2.03．路面结构厚度确定由根据得到几种路面结构组合，最后根据地区条件、施工条件及经济分析确定路面结构路面设计方程+2.32lgMR-8.7式中：ZR——保证率系数S0——估计交通量的标准差，一般为0.4~0.5最初耐用性指数4.2最终耐用性指数2.0（低交通）、2.5（主干道）AASHTO1986版MR——有效路基土回弹模量按下列方法加权处理1．划分季节段（一般按月划分）2．计算每月模量的损坏值3．4．根据平均损坏值反算Mr。考虑路面排水的结构数SN=AASHT086版给出了未处治的材料的m值（m值为0.4-1.4，排水质量越好，浸水时间越短，m值越大）AASHT086版的路面设计过程中，还增加了路面膨胀与冻胀和分期修建的考虑。路基膨胀或冻胀考虑——路基膨胀或冻胀造成PSI的损失。每一个特定地区给出了膨胀或冻胀造成的PSI损失随时间的变化曲线（△PSISV~t△PSIFH~t）设计方法：估计路面使用年限（年）查图得出相应△PSISV、FH从设计总服务能力损失(△PSI）中扣除△PSISV、FH，得到完全由交通荷载引起的△PSITR△PSIIR查AASHTO路面设计图得到累计交通量（ESAL）根据交通量随时间变化图得到允许的使用年限,与初始估计的使用年限相比，两者相差1年则可，否则重新计算，直至收敛。分期修建：关键是根据总可靠度的要求，分别计算分期修建的可靠度。例如：总可靠度为95%，则每一期的可靠度为AASHTO设计指南存在问题◎AASHTO试验路没有包括路面的维修改造内容。◎AASHTO试验路是在特定的一个地点铺筑的，预测气候条件对路面使用性能的影响是困难的。◎AASHTO试验路是在一种相同的路基条件下铺筑的，很难预测路基情况对路面使用性能的影响。◎AASHTO试验路的基层材料基本上都是粒料基层，所以指南没有包括其他基层。AASHTO设计指南存在问题◎AASHTO试验路试验用的车辆是20世纪50年代后期的车辆，与现在情况相比，在轴重、轴的形式、轮胎尺寸和花纹等方面都显得太陈旧了。◎路面结构设计方法、路面材料、施工方法都代表当时的水平，已经显得落后了。例如试验路没有完善的排水设施。◎AASHTO试验路只进行了两年，设计指南关于设计寿命的计算也是推算得到的，没有考虑路面受气候影响发生老化的情况。AASHTO设计指南存在问题◎当时试验路使用的车辆轴载与现在的车辆有很大不同，道路试验时使用这种汽车行驶了一百万次，仅相当于现在一年左右交通量的作用。现在使用的设计方法的基础是由当时试验数据回归分析得到的计算式，利用这些公式预测现在的交通量的作用，只能是对回归分析的结果外延，其结果很可能是设计不足或者设计过分。AASHTO设计指南存在问题◎当时的设计方法是把路面的使用性能建立在与路面厚度的关系上。可是有许多路面损坏并不能简单地归结为厚度问题，例如车辙、低温开裂等，经常是需要维修的原因。AASHTO试验路设计方法的核心是以路面使用性能作为基础，而路面使用性能将舒适性列为首要因素。实际上路面维修并不都是行车舒适性不足引起的，还有其他诸多路面损坏情况。AASHTO（200x修订版）的修订要点◎对沥青路面、水泥混凝土路面、复合路面提供一个通用的设计方法；反映了交通、气候环境、路基、可靠性的共同的设计要求。◎适用于新建和重建路面的结构设计，设计项目包括计算路面结构各层的厚度、重建的方法、地下排水设施、路基改善等等。◎将使用周期效益成本分析的方法作为该设计方法的一个子程序。AASHTO（2002修订版）的内容◎以力学-经验设计为基础，提供能够模拟各地不同设计条件的路面结构设计方法；◎提供给设计人员一系列方便实用的计算机软件及相关的资料；◎提供为掌握设计指南及计算机软件的培训计划和教材；◎提供新设计指南推广应用的战略措施。交通量分析路基气候材料性能更改设计初步设计否满足性能标准？累计损伤损伤预估模型输入分析施工可行性研究方案比选寿命周期内经济分析确定方案方案选择是路面力学响应模型AASHTO力学—经验设计方法流程图1．输入参数※交通量：考虑了各类货车的轴载类型和出现频率及其交通量的增长率。※材料：实测或按经验公式得到沥青混合料的动弹模及无结合料基层与路基的弹性模量。※气候：路面处于不同气候条件（温度、湿度），荷载对路面造成的损伤是不相同的，其破坏程度按Miner累计损伤原理计算。AASHT0200X版设计方法例如疲劳损伤式中：k——不同水平的荷载i——时间（季节）ni——第k级荷载在i季节段作用的累计次数——在i季节段，按疲劳公式计算所得结构层所能承受的最大疲劳作用次数※路基：Mr——有效路基土回弹模量kmktitiNnDI11)(e2．损坏预估模型损坏类型：永久变形（车辙）、疲劳开裂、温度开裂、平整度(1)永久变形（车辙）预测模型路面总车辙量PD=PDAC+PDGB+PDSG沥青层车辙计算模型式中：——回弹应变T——温度（ºF）——累计塑性应变N——荷载作用次数K1——考虑沥青层总厚度ha与计算点深度z的系数粒料层或路基车辙模型式中：——粒料层或路基在标准轴载作用下，N次后的塑性变形(in)N——荷载重复作用次数z——实验室的回弹应变h——层厚（in）——由力学模型得到的平均竖向回弹应变——材料属性参数UB——修正系数，粒料层2.0，路基8（2）疲劳开裂预测模型沥青混合料疲劳方程式中：C——沥青体积率Vb和空隙率Va的系数，C=10MM=4.84E——沥青混合料的动弹模（MPA）——沥青层底的弯拉应变K1——开裂形式的修正系数自下而上开裂（Buttou-UpC