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简介
这是沥青路面设计ppt，包括了技术方案，路面结构层组合方案和损坏类型，使用性能标准、设计寿命和设计可靠度，交通荷载作用，环境因素影响，材料性质参数，路面结构使用性能，各类路面结构使用性能分析，结论、创新点、今后研究等内容，欢迎点击下载。
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多指标沥青路面结构设计方法 研究成果介绍 2012.5 1.技术方案 2.路面结构层组合方案和损坏类型 3.使用性能标准、设计寿命和设计可靠度 4.交通荷载作用 5.环境因素影响 6.材料性质参数 7.路面结构使用性能 8.各类路面结构使用性能分析 9.结论、创新点、今后研究 1. 技术方案 （1）遵循力学-经验法 （2）多个单项设计指标控制对应的路面损坏 （3）损坏模型建立以室内试验为主，现场试验和性 能观测数据标定 （4）当量损伤法计量交通荷载的累积损伤 （5）材料力学性质指标和试验方法 （6）参数确定分三个层次 （7）以弹性层状体系解分析力学响应 2. 路面结构层组合方案和损坏类型 2.1 路面结构层 面层——表面功能为主 基层——承载为主 底基层——基层与路基间的过渡 特定功能层——排水层、应力吸收层、夹层、 封层、隔离层等 2.2 结构层材料 沥青结合料类 无机结合料类 无结合料类 2.3结构层组合方案 ■ 无机结合料类基层沥青路面 ■ 沥青结合料类基层沥青路面 ■ 无结合料（粒料）类基层沥青路面 ■ 复合式沥青路面 沥青结合料类基层沥青路面组合方案 粒料类基层沥青路面组合方案 复合式沥青路面结构层组合方案 2.4 损坏类型 ♦ 沥青结合料类结构层的疲劳开裂 ♦ 无机结合料类结构层的疲劳开裂 ♦ 沥青面层的永久变形 ♦ 粒料层和路基的永久变形 ♦ 沥青面层的低温缩裂 ♦ 沥青层的反射裂缝 损坏类型 3. 使用性能标准、设计寿命和设计可靠度 3.1 使用性能标准 沥青层疲劳 轮迹带开裂率10%（试验路） 裂缝密度1.0m/m2（加速加载试验） 无机结合料层疲劳 试件断裂、裂缝向层顶扩展 路表永久变形（车辙）量：10~25mm 高速和一级公路： 10~15mm 二级公路： 15~20mm 三级和四级公路： 20~25mm 永久变形量各层比例（非无机结合料类基层） 低温缩裂 3.2 设计寿命和设计分析期 设计年限 现行规范规定 不反映交通荷载繁重程度，实际使用年限偏离设计年限 不明确损坏类型及结构层次 未结合设计思想 设计寿命 设计轴载累计轴次 年平均日货车交通量 设计分析期是对各路面结构设计方案分析评价采用的时间段。 设计分析期应至少包含一次或一次以上的路面改建活动。 设计寿命为10年及以上的路面，分析期一般取为30～40年， 长寿命路面的分析期可取为50年。 3.3 设计可靠度 概念 设计使用性能满足预定使用性能标准的概率 各类损坏的设计可靠度 = 损坏预估的均值+βs 3.4 路面结构使用性能评定 4. 交通荷载作用 0.5~0.6 横向分布系数 公路货车交通分类（TTC） 轴数系数 轴重当量换算 路基湿度指标 饱和度 土—水特性曲线 非饱和土的基质吸力与含水率关系试验曲线 (1)塑性指数PI大于0的塑性土 采用指标：0.075筛通过率P0.075和塑性指数PI乘积 wPI (2)塑性指数PI等零的非塑性土 采用指标：通过率60﹪对应的土颗粒直径D60 5.2 路基湿度类型 路基湿度类型 潮湿类：地下水位控制 干燥类：气候因素控制 中湿类：兼有二者影响 5.3 潮湿类路基 行车道下路基含水率沿深度变化（例：沪宁路） 基质吸力与地下水位 路基土基质吸力hm与地下水位y之间关系 土-水特性曲线 Fredlund & Xing模型 粤、苏、豫、冀、渝12个路段土样标定 平衡湿度 由地下水位高度→土的基质吸力→ 土-水特性曲线→饱和度和含水率 各类土距地下水位不同距离处的平衡湿度（%） 5.4 干燥类路基 湿度指数（TMI） —气候因素指标 式中：Ry—y年的水径流量（cm）； DFy—y年的水不足量(cm)； PEy—y年的潜在蒸散量(cm)。 TMI计算以年为周期，逐月计算累加得到。各月降水量减去蒸散量为正时，多余水被土层存储。当蒸散量大于降水量时，缺少的水从土层储存水中提取出，其余量即为土层的含水率；当土层内储水量不能满足提取数量要求时，不满足部分即为不足量DF。 400个气象站降水量与蒸发量资料计算分析 各公路自然区划的TMI值 土基质吸力与湿度指数TMI关系 粤、苏、豫、冀、渝12个路段土样和TMI值与Perera44个数据， 标定曲线；川、渝疆12个路段验证 土基质吸力与湿度指数TMI关系式 式中：α、β、γ—模型回归系数，与土的性质有关。 TMI与土基质吸力 干燥类路基的平衡湿度 由TMI值和土参数→土的基质吸力 →土-水特性曲线→饱和度和含水率 各类土在不同TMI值时的平衡湿度(%) 5.5 中湿类路基 6. 环境因素影响 6.1 沥青路面温度 路面温度观测站结构与数据信息 路面结构的日温度极值的理论-经验模型 路表日最高温度 与路表温度日变化规律类似，不同深度处的路面温度日变化T(t，z)也可用二阶段模型拟合。但路面结构的日最低温度出现时刻tl、日最高温度出现时刻th，二阶段分界时刻tc均比路表温度的ts.l、ts.h、ts.c 延后，可近似表示为： 沥青层平均温度和温度梯度分布频谱 详细分析98个地区的沥青路表年均温与当地众多气象年均参数之间关系发现，沥青路表年均温μTs与月平均气温的年极差及一些气象参数之间具有良好地相关关系，在已知太阳辐射量情况下，路表年均温μTs与温度年标准差σTs可表示为： 式中：μTa—年均气温，°C； σTa—月平均气温的年极差，℃； —年平均日太阳辐射量，kJ/m2/d . 依据一维热传导偏微分方程和路表热流函数，采用有限差分法求解沥青路面的温度场，建立沥青层表面日最高温度和日最低温度估算模型，用于估计沥青层不同深度的温度特征值。模型估算值与大同、宁波和广州三地温度观测站的实测值相对比，二者具有较好的一致性，其偏差的平均值和标准差相应为0.4℃和3.3℃。 对沥青层表面和不同深度的温度日变化规律进行了拟合。在此基础上，利用全国各地98个有日辐射观测资料的气象站的气象资料，计算各地不同厚度沥青层（6、12、18、24cm）的平均温度和温度梯度，并给出了全国95个地区相应的分布频谱表。 沥青路面温度分布频谱的计算步骤： （1）根据气温、太阳辐射、湿度、风速，求路表日最高温度Ts.h，路表日最低温度Ts.l （2）对多云天气的路表日最高温度进行修正； （3）求不同深度z处的路面日最高温度和日最低温度。 （4）求任一时刻的路表温度，及任一时刻不同深度z处的路面温度； （5）求出给定沥青面层厚度(分四档0~0.06，0~0.12，0~0.18，0~0.24m)条件下，任一时刻的沥青层平均温度和温度梯度； （6）计算给定沥青面层厚度温度和温度梯度分布频谱表。 温度当量系数的具体分析步骤（以沥青结合料类结构层疲劳开裂指标为例）： （1）分析时，假设轴载随时间为均匀分布。 （2）按所在地区和沥青层厚度，选取相应的沥青层平均温度和温度梯度分布频谱表。将沥青层分为若干个亚层。由频谱表确定各个频段每个亚层的温度。 （3）利用沥青混合料动态模量与温度的经验关系式，由不同时段各亚层的温度值得到相应的动态模量值。然后应用弹性层状体系程序，依据动态模量值计算得到沥青层底面的拉应变值。再利用沥青层疲劳寿命预估模型，由层底拉应变和动态模量值计算得到各个频段的疲劳寿命Nti，并算出对应的疲劳损伤率Dti = 1/Nti。 （4）累计各个频段的疲劳损伤率得到平均损伤率Dt，并进而得到平均疲劳作用次数Nt = 1 / Dt。 （5）计算沥青层平均温度（参照温度）20˚C时，相应的沥青混合料动态模量、层底拉应变和疲劳寿命，得到参照温度下的总疲劳作用次数Nts。 （6）二者相比，即得到温度当量系数kt = Nts / Nt。 （7）按参照温度20˚C计算得到的疲劳寿命，乘以与设计路面所在地相应的温度当量系数，即可得到该地设计路面结构的疲劳寿命Nf。 对于其它几项设计指标，也采用相似的分析步骤，只是将沥青层层底拉应变改为其他设计指标。 依据损伤等效原则，推演出三种情况下的沥青层等效温度计算式，并按全国95个地区的沥青层温度分布频谱提出相应的沥青层等效温度。后图为标准工作状态下沥青层疲劳、永久变形及无机结合料稳定层疲劳等效温度全国等值线图。 等效温度等值线图 标准状态下沥青路面各种损坏标准等效温度全国等值线图 标准状态路面结构及材料参数： 面层厚度h取0.18m 20℃的面层与地基的模量比λ20取40 沥青混合料的热敏系数α取0.02 TCF = ∑（TEFi ×pi） 6.2 材料性质参数 6.2.1 沥青混合料动态模量 周期加载单轴压缩动态模量标准试验方法 ——试件为直径100mm、高150mm的圆柱体，由旋转压实仪成型直径150mm、高170mm试件中钻取芯样得到 ——频率25、10、5、1、0.5、0.1Hz ——温度–10、5、20、35、50˚C ——简化方法:频率10、5、1、0.1Hz，温度5、20、35˚C ——通过沿圆周等间距安放在试件中部的3个位移传感器，量测荷载作用下的轴向变形。 ——计算轴向应力幅值和可恢复轴向应变幅值，由二者之比计算得到压缩动态模量，并按最后5次加载循环中变形峰值与荷载峰值的平均滞后时间和平均加载时间之比计算相位角。 ——试验结果首先整理成等温度动态模量曲线，随后以参照温度为20°C将各条等温度曲线平移后得到主曲线。 动态模量建模试验 ——3种沥青、3种沥青混合料、3种沥青含量、3种 集料公称最大粒径、3种空隙率、3种温度、3种 频率、3种应变水平，共168次试验 ——验证试验188次 ——8个影响变量，6个模量模型和2个相位角模型 动态模量预估模型（共6个） 常用沥青混合料动态模量参考值 ——标准条件（20˚C，10Hz） ——AC、AK、SMA 沥青混合料（-10、-16、-25） ——AH-70、-90、-110 ——沥青含量4%、5%、6% ——空隙率3%、4%、5%、6%、7% AC-16 动态模量参考值(MPa) 沥青碎石动态模量参考值 6.2.2 无机结合料类材料弹性模量和强度 特点 ——数值变化范围很大，由接近于水泥混凝土到接近于粒料 ——集料粒径较大的混合料，试件成型较困难，试件的均质 性较差，使其试验测定值的变异性很大； ——现场材料来源和质量以及施工工艺和控制水平的差异很 大，使结构层混合料性质的变异性很大，并且与室内测 定结果的差别也很大； ——环境因素（温度和湿度）的影响（收缩裂隙或裂缝）， 使结构层与试件的力学性质和参数值有较大的差异。 测试方法 ——压缩、弯拉、直接拉伸、间接拉伸 ——单调、反复、周期加载 ——顶底面法和中间段法应变量测 由测试结果得到： （1）周期加载压缩弹性模量与单调加载压缩弹性模量测定值相近。 （2）弯拉弹性模量值与压缩弹性模量值相近。 可以采用操作较简便且精度较有保证的单调加载压缩试验测定无机结合料类材料的弹性模量。 顶底面法与侧面法比较 试件模量与结构层模量比较 结构层模量为试件模量的0.58（稳定碎石）和0.71倍（稳定土） 抗压强度与弯拉强度关系 弯拉强度约为抗压强度的20% 弯拉强度与弯拉模量关系 无机结合料类材料弹性模量参考值 弹性模量参考值 （MPa） 6.3 路基和粒料层回弹模量 试验测试 反复加载三轴压缩标准试验方法 ——试件尺寸、试件制备和预加载条件 ——应力水平（各种路面结构应力状况分析） ——加载序列 回弹模量本构模型（三参数） 回弹模量标定测试 ——12种土、3种含水量、2种压实度 ——补充国外各类土的测试数据 物性参数经验模型 土 粒料 当量回弹模量 ——弯沉等效原则 ——模量当量的应力水平 当量应力水平 粒料类基层和底基层——按层位和交通荷载等级取用 沥青和无机类基层下底基层——体应力72kPa， 八面体剪应力12kPa 路基——体应力70kPa，八面体剪应力13kPa 回弹模量参考值 ——标准条件（最佳含水率、95%压实度） 粒料层回弹模量（MPa） 路基回弹模量（MPa） 路基回弹模量湿度调整系数 a = log（MR/MRopt）最小值，b = log（MR/MRopt）最大值 12个路段土样，不同含水量和压实度的模量测试，标定参数 a =–0.6563，b = 0.2548，km= 6.4604 干燥类路基回弹模量湿度调整系数 潮湿类路基回弹模量湿度调整系数 7 路面结构使用性能 7.1 沥青层疲劳开裂 室内疲劳试验 综合疲劳方程 标定与验证 ——北京，ALF加速加载试验3个路段 ——加州大学路面研究中心UCPRC，HVS重车模拟6个路段 ——内华达州西部环道Westrack， 8个路段 ——密尼苏达州环道MnRoad， 10个路段 ——阿拉巴马州沥青技术全国研究中心NCAT，3个路段 验证后疲劳方程 平均偏差0.191，优于AI（0.275）、MEPDG（0.273） 北京ALF验证试验 压缩动态模量疲劳方程 模量转换 室内疲劳试验与开裂模型 水泥稳定类疲劳方程 二灰稳定类疲劳方程 无机结合料类综合疲劳方程 无机结合料层疲劳曲线 二灰碎石 无机结合料综合 结构层修正 室内试验以试件断裂作为疲劳寿命的标准，结构层在层底出现疲劳开裂后还能经受住一定数量的荷载反复作用。结构层的疲劳寿命要比试件的大。修正系数如下式： 式中： h为结构层厚度（mm） 沥青低温性能评价指标 ——低温延度、低温针入度、当量脆点 ——低温蠕变劲度（弯曲梁流变BBR） （路面最低温度+10˚C ） S<300MPa ——蠕变曲线斜率（弯曲梁流变BBR） （路面最低温度+10˚C ） m>0.35 ——断裂应变（直接拉伸DT） （路面最低温度+10˚C ） ε>1% ——临界开裂温度低于路面最低温度 基质沥青低温性能指标验证路段调查和测试 验证路段沥青面层低温开裂量观测与预估 沥青层低温开裂量预估 式中：I—裂缝指数，ha—层厚，a—路龄，S—劲度，J—路基类型，T—温度 7.4 沥青层永久变形 机理 ——固结变形、剪切变形 抗剪切变形性能（沥青混合料） ——马歇尔试验（稳定度，流值） ——三轴压缩试验（ｃ，φ） ——三轴静蠕变试验（流动时间） ——三轴反复加载蠕变试验（流动数） ——定高度反复加载单剪试验（G*，γ） ——轮辙仪试验（动稳定度） 车辙控制（路面） ——永久变形量预估 ——混合料控制指标 轮辙试验方法 指标 ——相对辙深（轮辙深/试件厚），% ——蠕变率（蠕变速率的倒数），次/mm 试验时间 ——1小时，45~60min时段的曲线斜率 试验温度 ——60˚C 轮载接触压力 ——0.7MPa 空隙率 ——7%±1%（密级配），5.5%±0.5%（SMA） ——设计空隙率±1% 轮辙变形预估模型 轮辙深度模型 式中： rd-辙深，T-温度，p-压力，N-次数，v-空隙率，k1-修正系数 参数标定试验 ——3种普通混合料，4种改性混合料， 3种轮压， 24˚C~70˚C，空隙率3.8%~7.5%，596个样本 ALF验证试验 ALF验证试验 轮辙量模型向车辙量模型转换 ——MEPDG永久变形模型（3476个试件， 经28个州88LTPP路段387组数据验证） ——AC-16、AC-20普通，AC-13、AC-20改性， 5、10、18cm厚沥青层，22种路面结构， 15℃、20 ℃ 、25 ℃ 、30 ℃、 35 ℃， 100kN：200万、500万、1000万、1200万轴次， 共200个工况的沥青层永久变形量 ——4种相同混合料的轮辙仪试验，得到相应的轮辙量 车辙量模型 ——标定模型的系数 车辙量模型 车辙量模型验证 ——北京ALF试验段（预估值略低于实测，误差10%左右） ——江苏省02~04年通车的10条高速公路92个路段5年以上的车辙量数据（598个），N项的指数（0.479）取值较为合理 ——05年东南大学环道试验6种不同材料路面结构的车辙量数据 沥青层容许永久变形量（mm） 沥青混合料蠕变率控制标准 ——沥青层容许永久变形量 ——不同地区（沥青层有效温度）、不同交通荷载等级 （设计轴载作用次数）和不同沥青层厚度条件下， 沥青混合料在标准轮辙试验条件下的轮辙量要求 ——由轮辙量与蠕变率关系得到蠕变率要求 轮辙深度与蠕变率 沥青混合料蠕变率技术要求（次/mm） ——低限600次/mm，高限9000次/mm 沥青混合料的蠕变率分布范围 ——普通（<3300）、改性（3300~6200）、SMA（>6200） 不同反复偏应力作用下的永久应变累积 不同主应力比永久应变累积 2种级配碎石，围压应力（30、50和70kPa） 永久应变速率-次数曲线 塑性安定区 ——以1×10-8/次为标准，判断粒料处于A区时的应力水平上限值 粒料层应力水平与设计轴次关系式 ——粒料层容许永久变形 6mm（应变0.03） 路基顶面压应变控制 ——依据安定理论 —— AASHO试验路 195个路面结构 PSI=2.5 路基顶面容许压应变模型 路基顶面压应变与累计轴次 8 各类路面结构使用性能分析 性能分析模型 ♦ 沥青层疲劳分析 ♦ 无机结合料层疲劳分析 ♦ 路基永久变形 各类损坏可靠度系数 9 结论、创新点、今后研究 1 构建了力学-经验法沥青路面结构设计体系 2 建立了5种路面损坏的使用性能分析模型及使用性能标准 ——沥青层疲劳开 ——无机结合料层疲劳开裂 ——沥青层低温缩裂开裂量 ——沥青层车辙量和沥青混合料容许蠕变率 ——路基永久变形 3 提供了主要交通和轴重参数调查统计数值，提出了各类损坏的轴重换算系数 4 按湿度来源划分路基湿度状况，提出了全国各自然区划的湿度指数 TMI值，提供了3 类路基的平衡湿度数值 5 提出了98个城市沥青层平均温度和温度梯度分布频谱，制定了标准工作状态下沥青路面各类损坏的等效温度全国等值线图 6 制定了路基土和路面材料力学性质指标的试验规程、经验关系模型及标准条件下的参考数值 ——沥青（弯曲梁流变、直接拉伸、动态剪切流变） ——沥青混合料（4点弯曲疲劳、轮辙量和蠕变率、 周期加载动态压缩模量） ——无机结合料（单调加载无侧限压缩） ——土和粒料（反复加载三轴压缩） 1 以多个单项路面损坏指标体系取代以路表弯沉为主要 控制指标的现行设计方法 2 采用能反映路基土和路面材料力学特性（应力依赖性 和温度依赖性）的性质指标和测试方法，替代现有的 性质指标和测试方法 3 按湿度来源划分路基湿度类型，依据地下水位或（和） 湿度指数，由基质吸力和土-水特性曲线确定路基的平 衡湿度 4 由试验建立的常应力和常应变疲劳方程，建立可适用于 不同沥青层厚度的沥青混合料疲劳预估模型，并经足尺 试验路面的标定和验证，得到其预估精度高于国外各个 预估模型的沥青层疲劳预估模型 5 建立了沥青混合料轮辙量预估模型及沥青层车辙量预估 模型，并制定了按公路等级、沥青层厚度和有效温度及 轴载作用次数确定的沥青混合料要求蠕变率技术标准， 使混合料组成设计与路面结构的使用要求相结合 1 无机结合料稳定结构层 ——材料试件与结构层力学性质 ——室内试件与结构层疲劳寿命，结构层疲劳损坏标准 2 沥青面层低温缩裂开裂量预估模型补充验证和修正 3 粒料永久变形长期性能试验研究
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