（材料学专业论文）沥青路面设计指标研究.pdf

摘要 长期以来，我国柔性路面或沥青路面结构设计方法一直以路表弯沉为主要设计指 标。这种设计体系脱离了沥青路面自身的结构特点和损坏模式，设计出的路面结构或者 过早损坏或者过于浪费，失去了设计指标应该起到的控制作用，亟需提出一套新的设计 指标和设计方法来改变这种状况。 本文对弯沉指标的合理性进行了较为详细的分析。通过工程调查实例分析认为，弯 沉与沥青路面结构损坏之间不存在直接和必然的联系，现行规范中采用弯沉作为设计指 标是假定使用末期的各种损坏都是由于路面结构整体强度不足而造成的，实际上犯了 “因果倒置 的错误。同时弯沉也不能用来作为控制土基弹性或塑性变形的设计指标， 继续采用弯沉作为设计指标是不太合理的。 本文通过分析认为，路面结构不论是半刚性基层还是柔性基层，沥青面层在完全连 续条件下始终处于受压状态，即使是在完全滑动条件下，半刚性基层沥青面层寿命高于 基层的疲劳寿命，一般条件下，对半刚性基层和柔性基层沥青面层层底拉应力设计指标 不起作用。同时，以半刚性基层层底拉应力作为半刚性基层设计指标，没有考虑基层疲 劳损坏的阶段性，因此，这一指标也比较笼统，也无法起到控制作用。 通过对沥青路面的主要损害形式的分析，并结合国内外相应的研究成果，提出了沥 青路面新的设计指标体系，包括沥青层疲劳，永久变形，低温开裂，以及半刚性基层疲 劳和路基永久变形等设计指标及其建模方案。最后论述了弯沉指标对新设计指标体系的 辅助作用，以及对弯沉指标的改进或修正思路。 本文围绕沥青路面设计指标所进行研究，希望能对以后的相关研究有所帮助，对沥 青路面设计能有一定的指导作用。 关键词：沥青路面、设计指标、半刚性基层、弯沉、拉应力、建模方案、弯沉改进 a b s t r a c t t h ed e f l e c t i o nm e t h o dh a sb e e nu s i n gf o rt h ea s p h a l tp a v e m e n td e s i g ni nc h i n af o r s e v e r a ld e c a d ey e a r s t h o u g ht h ed e f l e c t i o nc r i t e r i o nh a st h ea p p a r e n ta d v a n t a g et h a tc a nb e e a s i l ym e a s u r e di nt h ef i e l d ，p a v e m e n tf a i l u r ea l ec a u s e db ye x c e s s i v es t r e s s e sa n ds t r a i n i n s t e a do fd e f l e c t i o n s ，s o 也e r ea r eal o to fc r i t i c i s mf o ri t o nt h eo t h e rh a n d ，d e f l e c t i o n c r i t e r i aa len o tc o m p a t i b l ew i t hs t r e s so rs t r a i nc r i t e r i a ，i tm e a n st h a td e f l e c t i o nc a n n o t p o s s i b l yb eac r i t e r i aw i t ht h es t r e s so rs t r a i nc r i t e r i o na tt h es a m et i m e i nt h i sp a p e r ，t h er a t i o n a l i t yo fd e f l e c t i o ni sa n a l y z e di nd e t a i lf i r s t b a s e do nt h e a n a l y s i s ，t h ep a p e rt h e nd i s c u s s e st h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nd e f l e c t i o na sd e s i g nc r i t e r i o no f a s p h a l tp a v e m e n ts t r u c t u r ea n dd a m a g eo fa s p h a l tp a v e m e n ti sn o td i r e c to ri n e v i t a b l e u n d e r t h ec o n d i t i o no fs u p p o s i n gt h a tv a r i o u sd a m a g eo fa s p h a l tp a v e m e n ti sl e a db yi n s u f f i c i e n t w h o l ei n t e n s i t yo ft h es t r u c t u r eo ft h ea s p h a l tp a v e m e n t ，t h ed e f l e c t i o nc r i t e r i ai sa d o p t e di n c u r r e n ta s p h a l tp a v e m e n ts p e c i f i c a t i o na sd e s i g nc r i t e r i o n ，i nf a c tt h ei d e ai sm i s t a k e ，b e c a u s e i ti n v e r t sc a u s ea n de f f e c t a tt h es a m et i m e ，t h ed e f l e c t i o ni sn o tu s e dt oc o n t r 0 1e l a s t i cs t r a i n a n dp l a s t i cs t r a i no ft h es u b g r a d e s ot h a ti ti su n r e a s o n a b l et ou s ed e f l e c t i o na sd e s i g n c r i t e r i o no fa s p h a l tp a v e m e n tc o n t i n u o u s l y t h ep a p e ra n a l y z e st h a tn om a t t e rs e m i - r i g i db a s eo rf l e x i b l eb a s et h a ts u r f a c el a y e ro f a s p h a l tp a v e m e n ti sp r e s s e d ， u n d e rt h ec o n d i t i o nt h a tt h ec o n t a c tb e t w e e nt h el a y e r so ft h e a s p h a l tp a v e m e n ti sf u l lf r i c t i o n a tt h es a i n et i m e ，f o rt h es e m i - r i g i da s p h a l tp a v e m e n t ，t h e f a t i g u el i f eo fa s p h a l tl a y e ri sl o n g e rt h a ns e m i - r i g i db a s ei nd e s p i t eo ft h ec o n t a c ti sf u l lo r n o t s oi ti sn o tn e c e s s a r yt oc a l c u l a t et h es t r e s su n d e rt h es u r f a c el a y e ro ft h ea s p h a l t p a v e m e n t i no r d e rt om a k eu pv a l i dd e s i g nc r i t e r i o n ，t h ep a p e ra n a l y z e sm a i nd a m a g ef o r m so ft h ea s p h a l t p a v e m e n t ，t h e np u tf o r w a r dn e wd e s i g nc r i t e r i o ns y s t e m ，i n c l u d i n gd e s i g nc r i t e r i at oc o n t r o lp e r m a n e r t t d e f o r m a t i o no fs u r f a c el a y e ra n ds u b g r a d e ，d e s i g nc r i t e r i at oc o n t r o lt i r e dd a m a g ea n dd e s i g nc r i t e r i at o c o n t r o ls u r f a c el a y e rt ob et i r e da tl o wt e m p e r a t u r e 。a tt h e 韶l l l et i m e ，t h ep a p e ra n a l y z e sd e f l e c t i o ni s u s e f u li nn e wd e s i g ns y s t e m ， a n d 锄e x a m p l ei sg i v e n k e yw o r d s ：a s p h a l tp a v e m e n t ；d e s i g nc r i t e r i a ：d e f l e c t i o n ；s t r e s sc r i t e r i o n ；p r o s p e c t i v e m o d e l 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何 未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 矽年占月帅 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名： 导师签名： 、 、 佩气翅枣 | q u 巧年s 刚e l 。7 年二月p e l 长安大学硕士学位论文 沥青路面设计指标研究 1 1问题的提出和研究意义 第一章绪论 任何路面结构设计指标和设计方法的提出和应用，都应以此种路面结构的特点和损 坏模式为基本前提。而一种新材料的应用必然会使路面结构呈现出新的特点，在损坏模 式方面也会与与传统的路面结构存在不同之处。继续沿用原有设计指标，或简单的套用 国外的一些设计指标，将不能得到合理的和经济的设计结果。 现行沥青路面设计规范以路表弯沉和沥青面层层底和半刚性基层层底拉应力作为 主要设计指标，并制定了相应的设计标准。这一设计指标体系是在建国以来历版设计规 范以路表弯沉为控制指标的指导思想和传统习惯的指引下扩充后提出的，并使现有沥青 路面结构设计实际上均由路表弯沉这一指标所控制。 路表弯沉值反映了路面结构的整体强度指标。对于中、低级沥青路面来说，弯沉指 标值实质上用于控制路基和粒料层的抗变形能力和承载力。当前，我国的沥青路面绝大 多数采用半刚性基层。半刚性基层的结构刚度很大，占据了沥青路面整体刚度的绝大部 分，不需要也难以用反映整体刚度要求的路表弯沉指标来控制路基的变形和承载力。半 刚性基层或沥青面层的应力状况和大小，主要随上下层的刚度比和层间接触条件而变了 他们受路表弯沉大小的影响很小。因而，路表弯沉指标无法控制半刚性基层或沥青面层 层底的应力状况和大小。 柔性基层沥青路面的主要损坏类型之一是永久变形。路表弯沉指标用于控制路面结 构的永久变形量。但路表弯沉是一项整体性、综合性和表观性的指标，而沥青路面可以 选用各种不同的结构层和材料类型组合方案组成，采用路表弯沉作为主要设计指标，无 法反映和包容路面结构的这种多样性，控制住路面结构整体或个别结构层的永久变形 量。同时，沥青路面的另一种主要损坏类型开裂，也很难与路表弯沉指标建立相应 和协调的关系。 此外，将结构层层底拉应力作为沥青路面设计指标也过于笼统，对于新建半刚性基 层沥青路面，所采用的设计状态是基层完好，基层模量较高的时候，通过力学计算，此 时，沥青路面面层层底始终处于受压状态，因此，面层层底拉应力设计指标不起作用： 对于半刚性基层随着其疲劳损坏严重程度的增加，基层的模量逐渐变小，基层有效厚度 第一章绪论 逐渐变薄，最大拉应力产生的位置逐渐上移，所以，一直采用其层底拉应力作为设计控 制指标比较片面，以基层层底拉应力作为设计指标同样可行性不强，而柔性基层由于其 容许拉应力定义不合理，在使用过程中也有一定的局限性。 因此，针对当前路面设计指标存在的问题，需要认真考虑的问题是： ( 1 ) 我国的沥青路面结构设计方法是否继续沿着以路表弯沉作为主要设计指标的路 线前进； ( 2 ) 我国的沥青路面结构设计方法和指标是继续维持特例独行的孤立状态，还是逐 步融入国际潮流中，建立起可以相互交流和相互补益的技术平台。 通过大量的工程实践证实，目前的设计指标不太合理，在我国相关研究相对薄弱的 情况下，我们有必要借鉴国外相关领域较成熟的研究成果，建立适应我国沥青路面具体 情况的设计指标，以指导沥青路面的正确设计。 1 2 国内外研究综述 早期的路面材料发展经历了从条石、块石到水结碎石( m a c a d a m ) 几个阶段，而沥青 路面的出现则应归功于岩沥青的发展和应用。从1 8 4 8 年在n o t t h i n g h a m 铺筑第一条岩 沥青碎石路面( l i n c o l nr o a d ) 开始至今，沥青路面已经具有1 5 0 多年的历史。在漫长的 发展历程中，沥青面层材料也从焦油碎石( t a rm a c a d a m ) 和砂质地沥青混凝土( s h e e t a s p h a l t ) 等冷铺材料逐步发展成热拌沥青混凝土( b i t u l i t h i cp a v e m e n t ) 】。 路面设计方法的起源则要追溯到上个世纪初，1 9 0 1 年在美国麻省道路委员会第八 次年会上发表了世界上第一个路面设计公式，这可以说是路面设计方法研究的起点。而 后4 0 年间提出了各种各样的设计公式，如1 9 3 3 年的唐氏( d o w n s ) 公式，1 9 3 4 年的葛 莱氏( g r a y ) 公式和1 9 4 0 年的苟德培( g o l d b e c k ) 公式等【2 1 。这些公式的共同特点是 以轮载分布到土基项面的应力大小作为设计指标，目的是为了防止土基出现剪切破坏， 采用的分析工具是简单的静力平衡原理，研究者将这类方法统称为古典设计法。这可以 说是路面设计方法第一代。 1 9 2 0 年以后出现了一些以解决土基强度为核心的设计方法，采用路基土分类、承 载板试验、室内承载比( c b r ) 试验或三轴试验方法确定或划分土基强度，然后根据经 验确定不同强度土基所对应的路面结构的厚度。如1 9 2 9 年美国管理局提出的土的道路 工程分类法( p r a 分类法) 以及群指数法( g r o u pi n d e x ) ，1 9 4 7 年提出的基于承载板试 验的马克略特法( m e c o l d ) ，1 9 4 2 年由波特( o j p o t e r ) 根据土的c b r 值与道路路面调 2 长安大学硕士学位论文 查结果提出c b r 设计法，1 9 4 9 年美国堪萨斯州( k a n s a s ) 的三轴仪法等，上述设计方 法可以称为路面设计方法第二代。 为了在实际使用条件下观察道路的使用性能，美国公路研究委员会( h r b ) 从上个 世纪4 0 年代中期开始到6 0 年代初，在特定条件下开展了三次重要的道路试验，即 m a r y l a n d 试验路( 1 9 4 1 1 9 5 2 ) 、w a s h o 试验路( 1 9 5 2 - - 一1 9 5 4 ) 和a a s h o 试验路( 1 9 5 6 - 1 9 6 0 ) 。根据a a s h o 试验路研究成果，从s h o 设计委员会于1 9 6 1 年提出了暂行设计 指南，这种方法根据试验路的实际行车效果，提出平整度、车辙和裂缝等对路面破坏有 影响的主要因素，将它们组合成一个指标，并根据试验路结果进行统计分析，得出指导 路面设计的经验关系。从s h o 设计法是以使用性能为基础的经验设计法，尔后其它国 家也根据本国的实际情况提出了各自的经验设计法，这类方法可以说是路面设计方法中 的第三代【3 1 。 1 9 4 3 年波米斯特( b u r m i s t e r ) 发表了层状弹性理论，此理论突破了古典理论法和 经验设计法无法反映路面层状性质的局限性，为柔性路面设计理论分析法的出现奠定了 基础。随着理论分析的逐步完善和计算机技术的迅猛发展，加之试验路实际经验的总结 和参数测定方法的进步，理论法在此后的几十年间有了长足的发展，也更强调同经验参 数和经验关系的结合，所以称力学经验法更为合适，这类方法可以说是路面设计方法 的第四代。在对a a s h t o 试验路结果的分析总结过程中，1 9 5 3 年克霍芬( k e r k h o v e n ) 和笃蒙( d o r m o n ) 首次提出考虑土基顶面压应变以控制土基塑性变形的设计标准，1 9 6 0 年塞尔( s a a l ) 和皮尔( p e l l ) 则建议采用限制沥青层底部的水平拉应变为设计标准。 1 9 6 3 年壳牌石油公司( s h e l lp e t r o l e u mi n t e r n a t i o n a l ) 采用了上述标准，将理论计算结果 同w a s h t o 和从s h t o 试验路的成果相结合提出了s h e l l 设计法，这一方法至今仍 有较大的影响。此后，美国地沥青协会( a d 也采用了上述分析方法和设计标准，这更加 增强了这种方法的影响力，目前世界各国柔性路面设计方法大多采用这种方法【2 1 。 1 9 8 7 - - 1 9 9 2 年期间美国开展了公路战略研究计划( s h r p ) 项目，意图对沥青和沥青 混合料进行深入研究，以制定与使用性能相关联( 或以使用性能为基础) 的沥青和沥青混 合料技术规范并建立沥青路面使用性能( 损坏) 预估模型。这个计划在1 9 9 3 年完成后， 由联邦公路局组织专家小组对使用性能模型进行评估。在1 9 9 6 年完成的评估报告中得 出的结论认为，除了低温断裂损坏预估模型基木可用外，疲劳开裂和永久变形两个损坏 模型存在严重缺陷，须继续研究以作改进。 s h r p 项目所提出的沥青混合料体积设计方法，缺少一项可判别所设计混合料的使 3 第一章绪论 用性能的简单试验。为此，美国联邦公路局在1 9 9 6 年设立“供混合料设计的简单使用 性能试验”课题，组织研究人员通过对现有各种试验进行鉴别和评价分析，筛选出一项 在混合料体积设计过程中可提供可靠的使用性能信息的简单试验，这一试验可量测到能 同建立使用性能预估模型相关联的混合料基本工程性质。2 0 0 2 年，课题负责单位在采 用3 3 种不同试验和法和指标组合对沥青混合料进行了大量室内试验，并同它们在密尼 苏达试验路、西部环道和联邦公路局公路研究中心的加速加载( 剐一f ) 设备试验路上的 使用性能进行统计相关分析后，分别为永久变形、疲劳开裂和低温开裂提出了试验方法 和指标的建议，随后，这些建议分别交由三个研究单位在美国中部、中南部和东南部地 区作进一步的现场验证。 1 9 9 7 年起，美国从s h t o 组织专家对其路面结构设计指南进行修订，目标是将设 计方法由经验法转为力学一经验法，这一计划在2 0 0 2 年已完成。新版a a s h t o 路面结 构设计指南中的沥青路面设计，将考虑疲劳开裂、永久变形、低温断裂和不平整度等4 种损坏模式，并结合相应的损坏模式提出了路面设计控制指标。 在柔性设计方法发展过程中，还存在着一个以弯沉为设计指标的设计方法的分支。 如美国海军1 9 5 3 年根据b u r m i s t e r 双层理论计算路表弯沉，并限定路表弯沉为6 3 5 咖； 前苏联柔性路面设计方法中一直沿用路表弯沉设计指标，其他国外国家较少采用；我国 设计方法自1 9 5 8 年版规范中提出弯沉设计指标后至今，期间经历了1 9 6 6 年、1 9 7 8 年、 1 9 8 6 年、1 9 9 7 年和2 0 0 6 年几次修正，一直将路表弯沉作为主要的设计控制指标。 a c b e n k e l a m a n 在从s h t o 试验路路上开发出后来以他名字命名的路表弯沉仪器梁， 其主要用途是评价路面结构强度【4 】，英国后来根据弯沉来预估路面结构的剩余寿命【5 1 ， 将弯沉作为设计指标并非这一仪器发明者的初衷。 近年来，一些研究者注意到水硬性基层材料在柔性路面结构中越来越多地被采用这 一实际情况，将柔性路面结果进行进一步的划分，提出了针对水泥或石灰处置的半刚性 基层沥青路面结构的设计方法。奥蒂( o n e ) 和塞维奇( s a v a g e ) f 6 】提出将基层的荷载型裂缝 作为设计中考虑的主要损坏模式，以基层层底拉应变作为设计指标，分基层开裂前 ( p r e c r a c k ) 和开裂后( p o s t c r a c k ) 两个阶段进行设计，给出了基层开裂前的设计过程，但 对基层开裂后路面结构寿命计算方法以及如何在结构设计中考虑这部分寿命等方面没 有作进一步的分析。乔登( g j j o r d a a n ) 1 7 】根据其对南非加速荷载试验( h v s ) 结果的分析， 提出在半刚性基层沥青路面结构设计中，半刚性基层材料应该取较小的模量，此时，基 层最大拉应变的位置并非总是出现在基层层底，有时还出现在偏上的位置，但他的这一 4 长安大学硕士学位论文 论断没能得到更多研究者的认同。法国和澳大利亚【8 l 推荐用于结构分析的半刚性材料模 量都很大，因此还是以基层层底的拉应力( 或拉应变) 作为设计控制指标。在英国新版的 路面结构设计指南中i 姗，也增加了以水硬性材料为基层的柔性复合路面的设计内容， 此方法以基层荷载应力和温度翘曲应力组合而成的复合应力作为设计指标。 在我国1 9 8 6 年版沥青路面设计规范中增加了沥青面层和半刚性基层层底拉应力的 验算指标，并在2 0 0 6 年版将层底拉应力改为设计指标，但设计控制指标仍有路表弯沉。 缺少关于路面车辙和表面特性的设计指标。对于多雨地区或受冻融翻浆影响的路段，土 基永久变形和回弹模量的变异性很大。对土基变形或应变无控制指标。 国内许多专家学者也认识到了沥青路面的主要破坏形式是疲劳开裂和永久变形，要 想控制这些破坏形式必须找出控制这些破坏形式设计指标，在永久变形方面研究很少， 就沥青路面疲劳开裂方面国内的研究工作起步也相对较晚，但也作了大量的研究工作。 在“七五 国家重点科技攻关项目7 5 2 4 - 0 1 0 1 专题中，交通部重庆公路科学研究所采 用国产单家寺7 0 # 、9 0 # 和用作对比的阿尔巴尼亚7 0 # 沥青，采用先进的m t s 材料试验系 统，进行了l h 一2 0 i 型沥青混凝土的室内试验研究。1 9 9 3 年哈尔滨建筑大学在交通部科 研项目“沥青路面设计指标与设计参数的研究 中，又利用茂名7 0 # 沥青、胜利1 0 0 # 沥青、辽河1 4 0 # 沥青等3 种沥青分别进行了中粒式和粗粒式沥青混凝土( 共6 种) 系 统的室内疲劳试验研究。研究成果已经纳入了公路沥青路面设计规范中。2 0 0 0 年同济 大学在交通部科技项目“沥青混合料动态性能参数标准 的研究过程中，对高等级公路 常用的3 种进口沥青制作粗、中、细粒式7 种沥青混合料进行了应力控制模式的劈裂及 部分弯拉疲劳试验研究，取得了一定的成果。所有的这些研究成果，对我国的公路建设 发挥了重要作用。 综上所述，国内外路面结构设计指标方面，除a a s h t o 设计方法采用p s i ( 现时 服务能力指数) 指标以外，可分为两大类： ( 1 ) 以路表车辙、各结构层底拉应变( 应力) 和土基顶面压应变为设计指标： ( 2 ) 以路表弯沉、结构层底拉应力为设计控制指标。 第一类设计控制指标为国外大多数国家所采用，第二类控制指标的使用以中国为代 表，国外其他国家较少采用。 1 3 研究的内容及研究方法 ( 1 ) 通过历版沥青路面设计规范的对比，分析我国沥青路面设计指标的演变和形成： 第一章绪论 ( 2 ) 通过理论计算和工程调查，分析弯沉设计指标和层底拉应力设计指标的合理性； ( 3 ) 通过工程实践调查，分析总结影响沥青路面使用寿命的沥青路面破坏形式及其 特点： ( 4 ) 结合沥青路面的每一破坏类型，分析引起每种损坏形式的主要原因，提出能够 控制沥青路面每种损坏形式的指标； ( 5 ) 设计标准的确定的前提是建立控制每种损坏类型设计标准的预估模型，在我国 相关研究相对较薄弱情况下，结合国外已有较成熟的研究成果，提出控制各种沥青路面 损坏类型设计指标的建模方案； ( 6 ) 经大量的工程实践证实，弯沉指标比较适合用于同一路面不同时期路面使用性 能的比较，同时其具有检测方便，经济，快速等优点，考虑将弯沉指标作为沥青路面设 计指标的辅助指标而存在的可能性。 ( 7 ) 通过理论推导和客观分析，考虑对弯沉指标的改进方法和思路。 6 长安大学硕士学位论文 第二章沥青路面设计指标的演变和确定 建国以来，交通部分别于1 9 5 8 、1 9 6 6 、1 9 7 8 、1 9 8 6 和1 9 9 7 年制定和发布了不同版 本的公路柔性路面设计规范，这些设计规范中所采用的设计指标也发生了相应的改变。 2 1沥青路面设计指标的引进 我国于1 9 5 8 年拟定了第一版公路柔性路面设计规范，基本上沿用了前苏联1 9 5 4 年柔性路面设计须知的设计方法，以极限相对弯沉( 垂直位移) h ( = 2 郴) 作为设计指 标。其中，6 为荷载作用面积当量圆的半径如图2 1 ，k 为路面处于极限状况时在荷载作 用于圆中心处的路表极限弯沉值。按伊万诺夫等的论述，路面出现破坏的极限状况在下 列3 种情况下发生1 1 】： ( 1 ) 路面弯沉使其层底出现张拉断裂( 出现在路面厚度相对值2 h 8 很小时) ； ( 2 ) 路面在荷载作用下出现锥形贯穿( 出现在2 h 8 较大时) ； ( 3 ) 路面表面出现行车所不允许的不平整度( 出现在2 t l 8 很小时) 。 路基e o 图2 1路面受力状态示意图 依据试验路的荷载试验结果，伊万诺夫等提出了确定极限相对弯沉的经验关系式， 其使用范围为：路面形变模量与路基形变模量的比值e l e o = 3 - 1 5 ；2 h 8 = 0 5 - 2 0 。同时， 为高级、次高级、过渡式和改善土等4 种路面规定了相应的极限相对弯沉指标值( 适用于 e l e o = 1 0 ，2 h & = 0 7 5 ) t 1 1 。我国1 9 5 8 年版规范基本上采用了这一指标值。 伊万诺夫等认为，不论是静载一次作用，还是重复荷载多次作用，达到破坏状况时 的极限相对弯沉值是相同的。因而，可以按相对变形的累积规律，由极限相对弯沉值推 算一次作用的容许相对弯沉值。 前苏联的设计方法采用均质体弹性理论，单圆荷载，近似弯沉计算公式，以包含塑 7 第二章沥青路面设计指标的演变 性变形在内的形变模量( 采用承载板法测定) 表征路基土和路面材料的力学性质。 2 2 沥青路面设计指标的演变 2 2 119 6 6 年版规范设计指标 1 9 6 6 年版的公路柔性路面设计规范主要修正了1 9 5 8 年版规范的弯沉计算公式， 并提出了中国气候分区及路基和路面材料计算参数值表，但对设计标准和设计指标值未 做变动，仍沿用1 9 5 8 年版规范的规定。 2 2 219 7 8 年版规范设计指标 由于贝克曼梁式弯沉仪的出现和广泛应用，1 9 7 8 年版规范改为以容许弯沉作为设 计指标【2 】。容许弯沉是路面达到破坏状况时双轮轮隙中点的路表回弹弯沉值。2 0 世纪 7 0 年代，在1 8 个省市开展了大规模的沥青路面调查和弯沉测定工作。调查测定时，按 路表外观特征将沥青路面划分为5 个等级( 划分标准见表2 1 ) ，并把第四级视为路面已 达到损坏状况，以第四级路面的弯沉值的低限( 第三级和第四级路面弯沉的交界面) 作为 路面处于破坏临界状态的划界标准【4 1 ，这时的弯沉值即为容许弯沉值。整理弯沉测定资 料，得到了容许弯沉值的经验关系式： k ：鬻4 ( r 1 1 l n )( 2 1 )k2 丽4【m m )【z 1 ) 。， 式中：n r 路面达到破坏临界状态时的标准轴载累计作用次数； a s _ 与路面类型有关的系数，见表2 2 。 表2 1沥青路面外观状况等级划分标准 等级外观状况路面表面外观特征 好 坚实、平整、无裂纹、无变形 较好平整、无变形、少量发裂 中平整、有轻微变形、有少量纵向或不规则裂纹 四较坏有明显变形和较多纵横向裂纹或局部网裂 五 坏 连片的严重网( 龟) 裂或伴有沉陷、车辙 表2 2 路面类型系数 面层类型 沥青混凝土 沥青贯入、沥青碎石沥青表面处治 粒料类 a l1 01 11 21 4 8 长安大学硕士学位论文 弯沉调查和测定主要在沥青贯入、沥青碎石和沥青表面处治类路面上进行。沥青混 凝土路面的调查测定数据不多，主要依据上海、哈尔滨和武汉的城市道路路面调查测定 数据汇总得到。中级粒料路面没有进行调查测定，是依据前两类面层的系数值推延得出 的。 2 2 31 9 8 6 年版规范设计指标 1 9 8 6 年版的公路柔性路面设计规范增加了沥青混凝土面层或整体性材料基层 的拉应力验算指标面层或基层层底的拉应力不应大于面层或基层材料的容许拉应 力( 即重复荷载作用下的疲劳强度) 。沥青混凝土的抗弯拉强度采用1 5 ( 2 时的梁试件测定 结果，初期强度低的半刚性材料( 石灰稳定类和二灰稳定类) 的抗弯拉强度采用6 个月 龄期，其它半刚性材料( 如水泥稳定类) ，采用3 个月龄期的梁试件测定结果【3 1 。 该规范仍以路表容许弯沉值作为主要设计指标，但对容许弯沉公式中的系数作了修 改，并引入了公路等级系数氏： 厶：等4 4 ) ( 2 2 ) 。尺2 殍4 4 呻j 规范认为2 0 世纪7 0 年代的弯沉测定主要是在三级公路和少量城市道路路面上进 行，不适应高等级公路和交通量增大的情况。规范参照了城市道路设计规范中主干 道沥青混凝土路面的容许弯沉值( 以北京市的弯沉调查测定数据为主) ，以此作为一级公 路沥青混凝土路面的容许弯沉值，在此基础上考虑到不同等级公路的使用要求差异，增 加了公路等级系数久【4 1 ，见表2 3 。 表2 3 公路等级系数 公路等级高速一级二级三、四级 a 2 0 8 51 o1 11 2 与1 9 7 8 年规范相比，各级公路路面的容许弯沉值均有所减小：高速公路减小3 2 ， 一级公路减小2 0 ，二级公路减小1 2 ，三、四级公路减小3 - - - , 4 t 4 1 。也即，各级公 路路面的设计标准均不同程度地有所提高。 该规范的弯沉公式适应了7 0 年代我国公路等级较低、沥青路面薄、以柔性基层和 石灰土为主的实际情况。 2 2 41 9 9 7 年版规范设计指标 进入8 0 年代后，我国公路交通步入高等级公路的兴旺发展阶段，为适应交通量日 9 第二章沥青路面设计指标的演变 益增加，车辆荷载逐渐增大的需要，半刚性基层沥青路面在全国各地的高等级公路建设 中被广泛地采用。这种新型路面结构具有强度高，刚度大、水稳性好等优点，与传统的 柔性基层沥青表处比较，无论力学特性、破坏模式都存在着明显的差异。1 9 8 6 版规范 中容许弯沉值存在的主要问题有：原容许弯沉值的定义为路面在设计使用年限末期的 最不利季节，在标准轴载作用下容许出现的最大弯沉，它不能直接作为竣工验收指标， 否则标准偏低，易出现早期破坏；设计指标是路面处于使用末期的极限状态在不利季 节的最大弯沉，而材料设计参数是指龄期为三个月或六个月的无疲劳损伤的完好状态， 可见设计指标与材料参数对应的状态不一致；半刚性基层和柔性基层采用相同的容许 弯沉值不合理，且不适应大交通量公路的需要。 鉴于上述原因通过大量调查得到适应不同公路等级、不同面层和基层结构类型普遍 适用的设计弯沉计算公式： 厶= a , a c 4 ( i l l l l l ) 式中：a b _ 基层类型系数，见表2 4 。 表2 4 基层类型系数 ( 2 3 ) 半刚性基层厚度 半刚性基层上设厚度半刚性基层上设厚度 基层类型柔性基层 2 0 0 m m 1 5 0 m m 柔性层 1 5 0 m m 柔性层 a 3 1 01 o1 61 6 与1 9 8 6 年版规范的路表弯沉指标相比，除了设计弯沉值比容许弯沉值降低2 0 以 外，1 9 9 7 年版规范的路表弯沉指标值，对于半刚性基层沥青路面而言还要降低3 4 ， 即设计标准更加提高了，而对于柔性基层沥青路面来说则相差很小( 提高了4 7 ) 。并且 用上式对当时修建的部分高速公路、一、二级公路进行检查结果表明，绝大部分路段的 合格率均在9 8 以上，比较适应当时的路面现状。 2 2 52 0 0 6 年版规范设计指标 2 0 0 6 年版规范沥青路面设计指标仍以路表弯沉为设计指标，但本次规范修订除完 善半刚性基层沥青路面的设计方法外，还对混合式基层、贫混凝土基层、柔性基层的沥 青路面设计方法做了相应的补充，调整了有关设计参数，对设计弯沉值计算公式中基层 类型系数略有改动，见式2 8 。 同时保留1 9 8 6 年版规范中，已增加的沥青层、半刚性材料基层层底拉应力指标， 并将其由原来验算指标变为设计指标。 l o 长安大学硕士学位论文 以拉应力( 应变) 为设计指标时，应采用抗拉强度与弯拉回弹模量。1 9 9 7 年版规 范采用抗压模量代替弯拉模量、劈裂强度代替弯拉强度其取值偏于保守，半刚性基层的 抗压模量远远低于弯拉模量，弯拉模量一般是抗压模量的2 - - , 3 倍；劈裂强度小于弯拉 强度，弯拉强度与劈裂强度的比值一般在1 1 1 7 之间，显然不是同比例的变化。从 指标与计算参数统一出发，采用弯拉模量与弯拉强度更合理，但是，目前实测弯拉模量 与弯拉强度较少，没有大量试验资料前，仍用抗压回弹模量与劈裂强度作为弯拉设计的 参数。 以弯沉值为设计指标时的轴载换算公式，1 9 9 7 年版规范限定在双轮组单轴重为 1 3 0 k n 之内使用，据重载沥青路面设计规范研究报告，从理论计算和实际检测的 结果，再次确认路面弯沉比与荷载比的b 次方成正比关系，并根据a l f 加速加载试验， 湖北襄樊试验路，津围公路，以及用落锤式弯沉仪f w d 在郑洛高速公路、八达岭高速 公路的试验分析结果，当路面弯沉在2 0 - 4 0 ( 0 0 1 m m ) l 内，b 值平均为0 9 3 ，原规范b 值 平均为0 8 7 ，前者比后者大6 ，考虑柔性结构的弯沉值比半刚性基层大些，b 值应小 些，因此，轴载公式不改变。 沥青面层以拉应力为设计指标时，b 值取0 8 7 ，指数方为3 9 5 ，b 值取0 9 3 ，指数 方为4 2 2 。当以半刚性基层层底拉应力为设计指标时，轴载系数公式未变，仍以8 次方 计算。 2 3 沥青路面设计指标的确定 2 3 1 容许弯沉的确定 在确定容许弯沉之前，首先要路面进行了外观评定和调查，以标准轴载1 0 0 k n 的 汽车作用下，对半刚性基层用5 4 m 长杆弯沉仪测定弯沉值，并考虑对弯沉进行温度修 正，换算成标准温度的弯沉值。调查工作是在1 9 9 2 年和1 9 9 3 年不利季节进行的，分别 调查了吉林、山东、山西、四川、西藏、上海、湖北、江西、湖南共八省一市，计五十 多个路段，两万多个测点。此外，还收集了黑龙江：天津两地的调查资料作为参考。 将不同路面外观状态的实测路面弯沉值，分别按二倍标准差原则舍弃常点后，计算 其代表弯沉值，并考虑点数的影响，进行加权平均求得各路段的容许弯沉值；将各路段 的混合交通量按轴载比4 次方公式进行轴载换算，计算各段落的标准累计轴次；将各公 路的容许弯沉值都统一调整为标准状态下的容许弯沉值，即不利季节时，轴载为1 0 0 k n 、 路面标准温度为2 0 c ，一级公路沥青混凝土路面的容许弯沉值。再将各路段的容许弯 第二章沥青路面设计指标的演变 沉值与相应的累计轴次点绘成图，经统计回归得： 厶= 6 5 0 n ? 删( t - - 0 7 7 n = 5 0 ) ( 2 4 ) 在进行容许弯沉值调查发现：当时我国公路上行驶的各种车辆存在超载现象。这意 味着按交通量观测站提供的交通量资料计算所得的累计标准轴次，如以式( 2 4 ) 作为 半刚性基层沥青路面的容许弯沉，则有可能使得设计标准偏高。为此，在式( 2 4 ) 的 右端乘以1 1 的系数以考虑超载的影响。并且将回归方程中的指数调整为o 2 ，从而得 到半刚性基层沥青路面容许弯沉的计算公式为： = 7 2 0 n 了0 2 4 4 ( 2 5 ) 式中：彳。公路等级系数； 彳s _ 面层结构类型系数。 路表弯沉的变化，是一个多方面因素综合作用的复杂过程。路基路面结构层的材料 性质、压实程度、干湿状况、温度环境、结构类型、气候条件、交通组成、检测时的环 境条件以及所采用的仪具设备等均将对弯沉的变化产生很大影响。 弯沉资料主要来源于西三试验路、淄州试验路、寿光试验路、沪嘉试验路、随州试 验路和一些生产路段共3 1 段长期跟踪观测数据，观测时间短者四至五年，长者达八年 之久。这些试验路均是以半刚性基层沥青路面为主的结构，按每2 0 0 m 长度为一单位， 分别计算弯沉的均值加2 倍标准差，以它作为代表弯沉值。将竣工的路表弯沉1 0 取值为 1 ，而将其后各年标准状态下的弯沉值l t 与1 0 的比值定义为相对弯沉变化系数a t ，将各 路段的相对弯沉变化系数与不同年份点绘成图2 2 ，可看出相对弯沉变化系数随年份的 变化规律。 路面竣工后的1 2 年为第一阶段：在这一阶段，由于交通荷载的压密作用，各结 构层密实情况有所提高，另外，基层材料强度随着龄期增长，从而使得路表弯沉逐渐减 小，在路面竣工后的第2 年达到最小值。 路面竣工后的2 - - 4 年为第2 阶段。在这一阶段，路表弯沉不断增长，这是由于半 刚性基层的强度增长逐渐变缓，并趋于相对稳定状态，另一方面，结构内部的微观缺陷 因局部范围的应力集中而扩展，路面逐渐形成小范围的局部破坏，从而导致路面结构的 整体刚度下降，使得路表弯沉急剧增大。 路面竣工的3 - 4 年直至达到极限破坏状态为第3 阶段：在这阶段，路面由于各 种复杂因素产生的局部强度不足问题已充分暴露，内部缺陷附近局部区域积蓄的高密度 1 2 长安大学硕士学位论文 能量也通过缺陷的扩展而转移，并自动实现整个系统的能量平衡：因此，路表弯沉进入 了一个相对稳定的缓慢变化阶段：即所渭的结构疲劳破坏的稳定发展阶段，并一直延续 到路面结构出现疲劳破坏。 ，、1 8 蜉 静1 6 靛 罂1 4 1 2 1 0 8 o 6 0 4 图2 2 弯沉逐年变化曲线 路龄( o 对图2 2 各年份的均值点采用逐次逼近法进行曲线拟合可得弯沉逐年变化的函数： 坤) = o 2 6 叭o o 尚+ 瓦玉 1 厣2 舢 0 7 4 + 0 16 t 以上弯沉变化规律分析可知，路面竣工后的前l 2 年，路表弯沉值最小，路面整 体结构处于最大刚度状态。在进行材料参数测定时，养生时间最长的基层材料龄期约6 个月。这个时间，正好接近于路面竣工后第一年的不利季节，工程实践也表明，路面竣 工后第一年不利季节测定的弯沉值与最大刚度状态所对应的弯沉值比较接近。因此，将 路面竣工后第一不利季节近似地假定为路面整体结构的最大刚度状态，取作沥青路面的 设计状态。公路研究者认为，这样既澄清了设计状态与使用年限末期的极限状态的概念 以及他们之间的相互关系，又统一了路表弯沉的设计控制指标和竣工验收指标。根据这 一假定，可得沥青路面的设计弯沉l d ： 乞= t o = 厶4 ( 2 7 ) 式中：b 一竣工验收弯沉； ，r _ 容许弯沉； 彳r 相对弯沉变化系数，彳f = 1 2 。 将式2 5 代入式2 7 ，并引入相对弯沉变化系数，得： 1 3 第二章沥青路面设计指标的演变 l = 6 0 0 n ，j a 。a ，a 6 ( 2 8 ) 式中：卜设计弯沉值，0 0 1 m m ： n c 一设计年限内一个车道累计当量轴次； 彳r 公路等级系数，高速公路、一级公路为1 0 ，二级公路为1 1 ，三、四级公 路为1 2 ； 彳广面层类型系数，沥青混凝土面层为1 0 ；热拌和冷拌沥青碎石、上拌下贯 或贯入式路面、沥青表面处治为1 1 ；中、低级路面为1 2 。 彳6 基层类型系数，对半刚性基层以= 1 o ：柔性基层4 = 1 6 ；对于混合式基 层采用线性内插确定基层类型系数： a b = ( 日，+ 2 ) 2 0 ( 2 9 ) h r 半刚性基层或底基层上柔性结构层总厚度，e m 。 2 3 2 容许拉应力的确定 路面结构层的容许拉应力，系指