沥青路面设计指标和参数总报告

交通部西部交通建设科技项目交通编号：合同号：200431800004单位编号：密级：分类号：沥青路面设计指标和参数研究总报告中交公路规划设计院有限公司二〇〇七年十二月项目研究报告辑要中文题目沥青路面设计指标和参数研究英文题目StudyonDesignIndexesandParametersforAsphaltPavement交通编号项目来源西部交通建设科技项目单位编号合同号200431800004分类号U416、U414项目起止年限2005.01－2007.12第一完成单位中交公路规划设计院有限公司密级刘伯莹（教授级高工）姚祖康（教授）姚祖康（教授）刘伯莹（教授级高工）项目负责人报告撰写人杨学良（工程师）项目主要参加人刘伯莹、姚祖康、张肖宁、李立寒、凌建明、郭忠印、沙爱民、孟书涛、冯德成、牛开民、杨学良、高英、苻冠华、王林、赵队家沥青路面设计指标和参数的协调与平衡（中交公路规划设计院有限公司）：刘伯莹、杨学良、周育峰、余景顺沥青混合料动态模量研究、沥青层疲劳开裂预估模型研究（华南理工大学）：张肖宁、王绍怀、虞将苗、姚岢、陈少幸、李智、黄文通、徐伟、邹桂莲、郑国梁沥青混合料和沥青面层抗永久变形预估（同济大学）：李立寒、姚祖康、曹林涛、孙大权、陈宏坡、苏洲、陈建军、孟庆楠路基与粒料层动态模量参数研究、路基湿度状况及模量调整系数研究（同济大学）：凌建明、姚祖康、罗志刚、曹长伟、张世洲、陈声凯、官盛飞路基和粒料层抗永久变形性能预估（同济大学）：郭忠印、姚祖康、丛林、杨群、高启聚、魏密、张洪亮、石桂梅无机结合料稳定类基层模量及衰变规律、疲劳损坏预估模型研究（长安大学）：沙爱民、贾侃、胡立群、李小刚、张刚、陆剑卿、蔺瑞玉加速加载试验验证（交通部公路科学研究院等）孟书涛、徐全亮、柳浩、谭忆秋、陈飞、李江、王宝新、陈凤晨、杨丽英、董泽蛟沥青面层低温缩裂研究（哈尔滨工业大学）：冯德成、王东升、谭忆秋、解晓光、吴思刚、詹小丽、高畅、郑天鸣、易军艳沥青路面的温度场和沥青面层的当量温度系数（交通部公路科学研究院）：牛开民、田波、杨屹东、彭鹏沥青混合料和沥青面层抗永久变形预估－沥青混合料蠕变试验研究（东南大学）：高英、黄晓明、赵永利、李昶、齐朝晖、张久鹏、张裕卿沥青路面设计指标和参数的协调与平衡－江苏省验证（江苏交通科学研究院有限公司）：符冠华、赵延庆、潘友强、凌晨、贾渝、刘伟沥青路面设计指标和参数的协调与平衡－山东省验证（山东省交通科学研究所）：王林、韦金城、马士杰各专题主要参加人沥青路面设计指标和参数的协调与平衡－山西省验证（山西省交通科学研究院）：赵队家、韩萍、刘少文、段丹军、李志强、张哓燕、樊英华、申俊敏、孔繁盛主题词沥青路面、设计指标、参数、结构组合、疲劳、永久变形、模量、湿度、温度关键词温度修正系数、湿度修正系数沥青路面设计指标和参数研究总报告提要现行规范的结构设计方法，以路表回弹弯沉值、沥青面层和半刚性层的层底拉应力作为控制路面结构总体刚度（承载能力）以及沥青层和半刚性层疲劳开裂损坏的设计指标。采用静态测试方法确定路基土和路面材料的模量值，以劈裂试验方法确定路面材料的强度值，并且未考虑温度和湿度变化对参数值的影响。这样的设计指标和参数值，不能如实反映路面结构的损坏现象和机理，也不能正确反映土和材料的力学性状。为了改善现行沥青路面结构设计的指标和参数，2005年初交通部立项开展研究，计划提出新的设计指标和相应的设计参数。拟订沥青路面新指标和参数体系时，依据下述原则考虑：（1）仍遵循力学-经验法的基本思路；（2）针对层状复合结构和损坏类型多样化的特点，采用多设计指标体系，各指标分别控制对应的损坏类型；（3）设计基准期内路面的累计损伤仍采用当量损坏法分析；（4）对设计参数的采集要求分为三个层次，分别规定不同精细或准确程度的方法；（5）材料性质参数应能反映行车荷载和环境因素对其性状的影响，并采用科学的试验方法测定；（6）各种损坏模型的建立以室内试验为基础，室外验证和修正以路面加速加载试验（ALF）为主；（7）在现有国内外前沿水平的基础上建立设计指标和参数的基本框架体系。1.结构层组合方案和损坏类型沥青路面可以按基层材料类型的不同分为三大类结构层组合方案：（1）选用粒料做基层的粒料类基层沥青路面；（2）选用沥青结合料类材料做基层的沥青类基层沥青路面；（3）选用无机结合料类材料做基层的无机结合料类基层沥青路面。而各大类中，又可以按底基层材料的不同分为粒料类底基层、无机结合料类底基层和沥青结合料类底基层三亚类。各种路面结构层组合方案具有不同的结构特性及损坏机理和形态特征。沥青路面的设计指标主要针对以下6类损坏：（1）沥青层的疲劳开裂；（2）无机结合料稳定层的疲劳开裂；（3）沥青面层的永久变形；（4）粒料层和路基的永久变形；（5）沥青面层的低温缩裂；（6）沥青面层的反射裂缝。各种沥青路面结构层组合方案在结构设计时所需考虑的损坏类型，汇总于表1。本项目研究前5项损坏，提出相应的设计指标和相关的设计参数。1表1各种结构层组合方案需考虑的沥青路面损坏类型路面类型沥青类基层和粒料类基层无机结合料类基层面层厚度厚中厚薄厚中厚、薄主要损坏类型永久变形（面层为主）疲劳开裂永久变形（粒料层和路基）永久变形(面层)反射裂缝(面层)次要损坏类型疲劳开裂永久变形-疲劳开裂冰冻地区低温缩裂(面层)2.沥青层疲劳损坏选用矩形小梁4点弯曲疲劳试验进行沥青混合料室内疲劳性能的研究，并制订了标准试验方法。采用常应变加载控制模式，在15°C和10Hz条件下对各种沥青混合料进行了108次疲劳试验。在吸纳国外部分疲劳试验结果的基础上，对618有效组数据进行了回归分析，建立了常应变控制模式下的室内疲劳寿命预估模型。通过各4m长的3个试验段（沥青层厚度为5、10和15cm）的路面加速试验（ALF），对室内疲劳模型进行修正，引入了模式系数、轮载横向分布系数和轴载载换算系数，并标定了室内模型的系数后，得到经过验证和修正后的沥青层疲劳寿命预估模型：()110314.5720.2579.1973.31790.517VFAEeNMFf−−−−+×=ε（1）选取了54个级配碎石基层沥青路面结构，对上述预估模型和美国力学-经验法的预估模型进行了疲劳寿命的对比分析。除了应变水平小于50µε的低应变路面结构外，其他路面的预估寿命基本接近，都在同一个数量级内。3.无机结合料稳定层疲劳损坏选用水泥稳定砂砾、水泥稳定碎石、水泥稳定土和水泥-石灰稳定碎石4类常用无机结合料稳定材料，进行了147次三分点加载梁试件弯曲疲劳试验。按照Weibull分布回归得到各种混合料的7个疲劳关系式。其中，水泥稳定碎石的疲劳寿命预估模型为：rtffNσ570.12409.12lg−=（2）在试件底面有支承和试件浸水的条件下分别进行了疲劳试验，与常规疲劳试验结果相比较，受支承时试件的疲劳寿命可以增加，浸水对水泥稳定土的疲劳寿命影响很大，但对水泥稳定碎石的影响则很小。24.沥青面层低温缩裂损坏影响沥青层低温开裂的最重要的因素是沥青在低温时的蠕变劲度（或稠度）及其感温性。选用在该地区最低路面温度下不会变脆的沥青结合料是预防沥青面层低温开裂的关键。对3种基质沥青进行了各种性质指标的测定，将它们与临界开裂温度的关系进行关联分析的结果表明，我国规范采用的低温延度、低温针入度和当量脆点与临界开裂温度的关联度都很小，因而，这些评价指标无法很好地表征沥青的低温性能。对吉林和黑龙江省4条公路的12个路段进行了裂缝调查，并对回收沥青进行了BBR试验和DT试验，计算了临界开裂温度。沥青性质与开裂程度相对应的验证结果表明，蠕变劲度S、劲度曲线斜率m和断裂应变，这3项沥青低温性能指标可以有效地判别沥青层抗低温性能的优劣，其标准值（当地路面最低温度加10°C时，S300MPa、m0.30、破坏应变1%）与路面的实际开裂程度相吻合。因而，可以采纳作为评定沥青低温性能的指标和标准。参照Hass和Hajek建立的模型提出了开裂量预估模型。对吉林和黑龙江省4条公路的13个路段进行了沥青层开裂状况调查，并对沥青的性质和路面结构进行了测试。依据所取得的数据，按预估模型计算了各个路段的开裂量。与实际开裂量的对比表明，各路段的预估值与观测值都比较接近，偏差在可接受的范围内。因此，预估模型可以暂时用作沥青面层低温抗裂设计的参考。5.沥青层永久变形控制沥青层永久变形的主要途径是，按照交通荷载、温度状况和路面结构层组合的要求，正确、合理地设计沥青混合料的组成。选用轮辙仪试验和重复加载三轴蠕变试验作为研究对象，检验了它们判别沥青混合料抗永久变形性能优劣的可靠性，并分析了影响测试结果的各方面因素。在此基础上，制定出了标准试验方法。以相对辙深和蠕变率作为应用轮辙仪试验评定沥青混合料抗永久变形性能的指标。选用3种密级配沥青混合料和4种4%SBS改性沥青混合料，在不同轮压和温度条件下进行轮辙试验。依据551个有效样本数据，进行多元回归分析后建立了相对辙深预估模型。在各4m长的3个试验段（沥青层厚8cm）上通过ALF试验仪进行了车辙试验。利用车辙试验结果，对轮辙仪试验的相对辙深预估模型进行了轮压和作用次数的修正，并分析了车速对辙深的影响。以此修正后的相对辙深预估模型为基础，按各气候区的代表地区的月平均气温资料、累计标准轴次和沥青层位深度的不同，分别计算累计车辙深度。取沥青层的容许车辙深度为15mm，据此确定不同条件下轮辙试验的相对辙深容许值，并进而按相对辙深与蠕变率之间的关系转换为蠕变率容许值，如表2所列。3表2沥青混合料轮辙试验蠕变率（次/mm）的要求（不小于）温度分区交通分级(×106轴次数)距路表深度(cm)I-1、I-2、I-3、I-4II-1II-2、II-3、II-4III-20~101500（2400）6008006001106006006006000~103200（4500）100015006003101000（1500）6006006000~1055003200450015001210250010001500600以流动数作为应用重复加载三轴蠕变试验评定沥青混合料抗永久变形性能的指标。选用4种普通沥青混合料和1种改性沥青混合料，在3种轴向应力和3种温度条件下进行流动数测定。依据试验结果，建立了流动数与应力和温度之间的经验关系式，以及永久变形与应力和温度之间的经验关系式。利用ALF试验的3段车辙试验结果和沥青层中部（4cm处）的竖向应力分析，对上述经验关系式进行了验证，得到了修正后的车辙预估模型。6.路基和粒料层永久变形利用室内动三轴试验系统对3种土和4种碎石粒料在不同含水量、压实度和偏应力级位条件下进行了永久变形试验，并以Tseng和Lytton模型为基础，分别建立了土和碎石的永久变形预估模型。应用此模型，按分层应变总和法计算分析了我国典型路面结构的路基和粒料层的永久变形量。依据安定理论的概念，控制住传到路基顶面的应力水平，使它产生的永久变形累积可以最终达到平衡状态，使上面的路面结构不会产生由于路基的过量永久变形而引起的损坏。利用处于临界损坏状况的路面结构资料和达到该临界损坏状况时的标准轴载作用次数（即寿命），便可以反算出处于临界损坏状况时的路基顶面竖向压应变，并建立起路基顶面容许竖向压应变同标准轴载作用次数间的关系式。利用以往设计规范的容许弯沉公式，为不同标准轴次数反演出符合容许弯沉要求的路面结构，再针对这些路面结构反算出相应的路基顶面竖向压应变。由此得到容许压应变与标准轴次之间的关系式：2055.02z1012.1−−×=eNε（3）选用了AASHO试验路的195种路面结构，计算处于临界损坏状况（PSI＝2.5）时的路基顶面压应变和标准轴载（100kN）累计作用次数，以此对式（3）进行验证。二者相比较，共有117种AASHO路面结构在允许荷载作用次数下达到了临界损坏，采用式（3）进行设计的保证率为60％。此外，还同Shell方法的路基顶面容许压应变关系式进行了对比。式（3）的计算结果介于Shell50%保证率与85%保证率之间，表明所建立的路基顶面容许