（道路与铁道工程专业论文）山东永久性路面结构设计与分析.pdf

摘要 沥青路面越来越多的早期病害以及频繁的大、中修改造或重建，使得公路建设的可 持续发展受到了严重的挑战。永久性沥青路面( p e r p e t u a la s p h a l tp a v e m e n t ) 或长寿命沥青 路面( l o n g 1 i f e a s p h a l tp a v e m e n t s ) ，是在不影响路面结构耐久性的内、外因素作用下， 沥青路面在设计使用期内，无需要花费大量资金维修与养护就能满足道路的使用功能。 本文深入分析了国内、外永久性路面结构的设计方法，并借鉴国外先进设计理念及 设计方法，提出山东永久性路面的设计指标、设计参数及设计方法；采用美国s u p e r p a v e 设计方法进行沥青混合料材料设计及进行质量控制；提出四种永久性路面结构型式，并 以此四种结构与国内现行典型路面结构通过埋设传感器的方法对五种路面结构进行跟 踪、采集数据对比分析；进而得到适合山东的永久性路面结构型式。 关键词：永久性路面；永久性沥青路面结构设计方法；拉应变；传感器；质量控制 a b s t r a c t s u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n to fh i g h w a yc o n s t r u c t i o ni ss e r i o u s l yc h a l l e n g e db ym o r ea n d m o r ee a r l yd e s t r u c t sa n dc o n t i n u a lr e p a i r s p e r p e t u a la s p h a l tp a v e m e n t ，a l o n g - l i f ep a v e m e n t ， s a t i s f i e st h eu s ef u n c t i o nu n d e rs o m ed i s a d v a n t a g e o u sf a c t o r sa n dd o e s n tc o s tal o ti nr e p a i r s d u r i n gt h ed e s i g nu s a g ep h a s e t h i st e x tw a st h o r o u g ht oa n a l y z et h ed e s i g nm e t h o do ft h ef o r e i g np e r p e t u a la s p h a l t p a v e m e n t ss t r u c t u r ed e s i g nm e t h o d ，d r a w i n gl e s s o n sf r o maf o r e i g nf o r e r u n n e rt od e s i g ni n g ap r i n c i p l ea n dd e s i g ni n d e xs i g n ，p u t t i n gf o r w a r dt h ed e s i g nm e t h o da n dd e s i g np a r a m e t e ro f p e r p e t u a lp a v e m e n t si ns h a n d o n g ；t h ea s p h a l tm i x t u r ei sd e s i g n e da c c o r d i n ga sa m e r i c a n s u p e r p a v ed e s i g n ；p u tf o r w a r df o u rk i n d so ft h ep e r p e t u a lp a v e m e n t ss t r u c t u r e sc o m p a r e d w i t ht h el o c a la n dc u r r e n tt y p i c a lm o d e lp a v e m e n ts t r u c t u r eb yl a y i n gs e n s o rt oc o l l e c tt h e d a t ac o n t r a s ta n a l y s i st of i v ek i n dr o a dn o o d l e ss t r u c t u r e ；t h e ng e tt h ep e r m a n e n tp e r p e t u a l p a v e m e n t ss t r u c t u r ei ns h a n d o n g s k e yw o r d s ：p e r p e t u a lp a v e m e n t s ：p e r p e t u a la s p h a l tp a v e m e n t ss t r u c t u r ed e s i g nm e t h o d ： s t r u c t u r e ；t e n s i o ns t r a i n ；s e n s o r ：q u a l i t yc o n t r o l ； l 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。本论文中不包含任伺 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：汐渺) i j 烫即7 年夕月口日 、 、，一7 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：枇知) 1 1 员 导师签名： 乡寸 我入 聊年乡月厂9 日 炒7 年，月t 矿日 安大学硕上学位论文 第一章绪论 1 1永久性路面研究的背景和意义 1 1 1 我国公路发展现状 十八世纪中叶至二十世纪中的2 0 0 年间，我国处于半封建、半殖民地社会，历经鸦 片战争、军阀混战、抗日战争、解放战争，连年战乱，民不聊生。1 9 4 9 年建国初期，经 济十分落后。就公路而言，全部为土路，雨雪天泥泞不堪，不能行走，且数量甚少。当 时山东只有3 1 5 2 公里的土路。为适应经济发展和人民生产、生活的需要，在“先求其通， 后求其好”的原则下，“强基薄面”成为我国经济发展初期沥青路面建设的指导思想。5 0 年代首先修建了砂石路面，六、七年代修建以石灰土为基层的薄层沥青、渣油路面，八 十年代后期逐步发展为石灰、石灰粉煤灰、水泥稳定粒料类为主的半刚性基层路面结构。 因此，我国公路建设使用半刚性基层沥青路面是历史形成的。由于半刚性基层具有承载 能力高、板体性好的优点，同时半刚性材料可以充分利用当地资源，施工方便、造价经 济、节约投资，使得半刚性基层在全国得到了广泛的应用，为我国公路建设的发展立下 了汗马功劳。八十年代末九十年代初高速公路建设初期也仍然沿用一般公路的结构型式， 只是在此基础上将面层和基层予以加厚。 改革开放以来，我国经济发展很快，公路特别是高速公路迅猛发展。1 9 8 4 年6 月、 1 2 月沈大、沪嘉高速公路相继开工，标志着我国高速公建设起步。1 9 8 8 年9 月3 0 日， 全长1 8 5 公里的沪嘉高速公路通车，结束了我国大陆没有高速公路的历史；1 9 9 0 年9 月 沈阳至大连3 7 5 公里，1 9 9 3 年京津塘1 4 2 公里、济南至青岛3 1 8 公里高速公路相继通 车；1 9 9 9 年全国的高速公路通车里程达1 0 0 0 0 公里。从第一条高速公路通车，至2 0 0 5 年底，全国的高速公路通车里程达到4 5 万公里。短短二十年，我国高速公路建设走过 了西方发达国家几十年的历程，发展之快，举世瞩目。 1 1 2 我国公路发展现状存在的问题 随着近几年我国经济的快速发展，交通量迅猛增长，特别是大量超载车行驶，国内 部分高速公路沥青路面相继出现了较大面积的早期损坏，致使路面服务性能降低较快。 路面的实际使用寿命大大缩短，由设计使用寿命1 5 2 0 年逐渐演变为3 5 年，有的甚至 出现了通车一两年内即进行大修的现象。路面使用寿命的降低，造成了极大的经济压力 第章绪论 和社会影响。 综合分析各种路面病害，原因是多方面的。应该说是多种因素的综合反映，既有设 计深度不足，参数取值不舍理，管理不善，质量不高，也有外部因素的影响，如：汽车 超载、恶劣气候等，以及公路运营管理粗放，养护不到位的因素等。但大多痛害都与设 计有密切的关联度。长期以来我国投入公路的研究不足，路面结构设计型式单一，结构 设计流于形式，材料设汁基本不做，造成了全国高速公路千篇一律的半剐性基层沥青路 面的格局。而大量的沥青路面的损坏如：早期开裂、水损坏、坑槽、车辙等结构性病害 都与半刚性基层有关。虽然我国广大技术人员在不断的探索、研究和改进，但目前仍存 在众多问题。 1 当前高速公路常规路面结构单一 我国目前通车的4 0 0 0 0 公里高速公路路面结构形式8 0 - 9 0 为半刚性基层沥青路面 ( 图1 - i ) 。面层采用三层式结构，即上面层( 抗滑磨耗层) 、中面层、下面层，总厚度 在1 2 1 8 c m 之间。基层一般采用无机结合料稳定粒料，厚度在1 5 - 2 0 c m n 之间，底基层 般采用无机结合料稳定土或稳定粒料，厚度在3 0 - 4 ( k m 之间。 抗滑磨耗层 沥青巾面层 沥青底面层 誊：曩1i ? 一连基蘑+ 一? 1 委叠曩蔓 j 辫菇囊黪_ 黪誊誉辫 图i - i 我国当前主要的路面结构形式 山东省已通车的3 3 0 0 公里高速公路的结构形式，除早期修建的几条如烟台至威海、 枣庄至木石等不足1 0 0 公里采用水泥混凝土路面外，其余均为半刚性基层沥青混凝土面 层。底基层以石灰土、石灰粉煤灰稳定土、水泥稳定砂砾等，基层主要为水泥稳定砂砾、 水泥泥稳定碎石、二灰稳定碎石三种。沥青面层多为1 5 1 8 厘米，分三层结构，下面层 多为粗粒式a g 0 5 ( 3 0 ) 1 型或h 型汹厘米。中面层为中粒式a c - - 2 0 ( 2 5 ) i 型5 6 厘米，表面层差别较大，有a c 2 0 、a k _ 1 6 、a 1 0 1 3 、s m a 、s a c 、多级嵌挤密级 长安大学硕士学位论文 配沥青混合料( a k 一1 3 a ) 等结构。1 9 9 9 年以前建成的多为a c 一2 0 、a k 一1 6 、a k 一1 3 ； 2 0 0 0 年一2 0 0 2 年多为多级嵌挤密级配沥青混合料( a l ( _ 1 3 a ) ，个别路段采用s m a ； 2 0 0 3 年至今几乎全部采用s m a 和多级嵌挤密级配沥青混合料( a l 江1 3 a ) 。 2 我国现行的设计规范、设计理论存在不足 我国现行的设计规范、设计理论存在不足具体表现在以下几点【1 】： 1 ) 设计当量标准轴载低于实际值 随着经济的迅速发展，汽车超载严重( 根据我省京沪、京福等高速公路交通车辆载重 情况抽查，超载车达到8 0 ) 。轴重的增加，直接导致轮胎胎压的相应提高，胎压的变化 直接影响到轮载作用于路面的压力分布。最新的统计资料显示，在二十世纪七十年代到九 十年代中期的二十年间，平均胎压值从约6 2 0 k p a 增加到9 3 3 k p a ，约增加了5 0 。 交通轴载对路面厚度设计是一个很重要的参数。目前设计标准载为1 0 0 k n ，设计标 准胎压0 7 m p a ，而实际路面上的交通车辆往往超限行驶，使得实测轴载远远超过标准轴 载和胎压几倍，据山东已经通车的几条高速公路的实际调查可知，汽车超载后的轴重一 般为设计标准轴载的3 4 倍。研究证明1 1 9 】：弯沉值、剪应力、拉应力与该车额定轴载 时的弯沉值、剪应力、拉应力之比，等于超载后的轴载与额定轴载之比。 超载行驶对路面的疲劳寿命影响甚大，按原设年限1 5 年的沥青路面计： 若平均超载率1 0 时，使用年限旺1 0 年； 若平均超载率2 0 时，使用年限5 q 年； 若平均超载率3 0 时，使用年限3 - _ 6 年； 若平均超载率超过3 0 时，使用年限小于3 年； 当超过标准轴载时，轴载的增加对路面造成的破坏性是相当严重和明显的。由于轴 载对路面的破坏具有很大潜力，即使是低频率的超载也可能对路面造成很大的破坏。轴 载的过度增大，必然导致路面结构的受力状态发生变化，如果仍然按照原来的设计理论 简单地进行等效换算，势必不能与实际的路面结构受力状态相符合。同时由于沥青材料 是感温性材料，路面结构受力状态受到气温变化的影响，在不同轴载作用下的受力状态 更加复杂。这也是当前沥青路面早期破坏问题难于解决的原因之一。 2 ) 设计指标单一、不可控制 尽管沥青路面结构设计中包含了弯沉和弯拉应力验算指标，但实际在沥青路面结构 设计中，弯沉成为沥青路面设计的唯一控制指标。也就是说按现行规范的设计方法，在 满足路面设计弯沉的条件下，弯拉应力肯定是通过的，弯拉应力验算成为虚设，设计指 3 第一章绪论 标成为唯一。 设计指标应是路面结构可能产生损坏的控制指标，即设计模型与路面的破坏模型相 一致，但是实际并非如此，弯沉指标无法与多种破坏类型和破坏标准相统一，现有沥青 路面的损坏与设计模型大不相同，设计指标形同虚设。 路面设计的宗旨是防止在设计年限内总交通量反复荷载作用引起路面疲劳破坏，实 际上绝大部分路面是在交通量远未达到设计交通量的早期已经破坏了，疲劳破坏的指标 没有起作用。破坏模式没有反映实际使用情况。 结构设计的基本思想是路面承载能力主要依靠半刚性基层，即基层是承重层，基层 破坏就意味着路面破坏。实测的弯沉值只有在超过设计值时，路面才发生破坏，而实际 上现在许多高速公路的弯沉值都非常小，似乎路面不应该破坏，可是实际却坏了。就是 说，路面破坏程度与路面验收时的弯沉经常不相关。由于半刚性基层的整体强度高、板 体性好等杰出的优点，使沥青路面具有很高的承载能力。尤其是在许多干旱或半干旱地 区，不少半刚性基层沥青路面为减薄沥青面层，节省工程造价起到了重要作用，但是半 刚性基层易引起收缩裂缝和反射裂缝，近几年在多雨潮湿地区，半刚性基层以及薄沥青 面层往往成为这些地区沥青路面早期损坏的重要原因之。 3 ) 理论验算假定条件不准确 在进行路面结构弯拉应力验算时，假定路面各层的界面条件连续接触，半刚性基层 顶面的沥青面层处于受压状态，所以沥青面层不会出现弯拉疲劳破坏。实际施工中沥青 面层与基层之间、沥青面层各层之间、基层各层之间，由于施工污染和施工的不连续性， 都有可能是部分连续或者滑动的。在水及荷载的作用下，其层间的连续状态是不可能的。 这就造成了理论计算与实际的脱节。 4 ) 规范给定的级配范围较宽，无法控制 我国高速公路建设起步晚、经验少，在公路沥青路面设计规范中可供设计者选 择的结构单一、且沥青混合料级配范围较宽，实际施工中难以控制。原规范推荐的 a c , a k 结构都具有很明显的优缺点，a c 结构具有很好的密水性，但表面较细，且矿 料组成中往往是大料悬浮于细料之中，在行车荷载作用下，易出现材料重新分布，抗滑 指标下降过快，因此易出现车辙、泛油和拥包现象；a k 结构具有很好的骨架，抗车辙 能力强，有粗糙的表面满足了抗滑要求，但空隙率偏大，透水严重。调查发现，水损坏 仍然是路面早期破坏的重要原因之一。 4 跃安大学硕上学位论文 水对沥青混凝土的侵害作用可以从沥青混凝土的残留稳定度试验得到验证。国外的 研究表明，水的长期作用除使沥青混凝土的稳定度下降外，还将使包裹在石料表面的沥 青产生一定的乳化作用，导致沥青老化加剧。乳化沥青是“水包油”，而这一乳化作用是“油 包水”，将使沥青与石料的粘结力下降，沥青混凝土失去强度。半刚性基层压实后本身非 常致密，几乎成为完全不透水的层次，更加速了沥青面层的水损害。 5 ) 路面材料设计参数与实际路用性能缺乏关联性 我国现行的沥青路面设计采用弹性层状体系的理论计算方法，其设计参数一般只是 通过室内实验确定。国外研究辨明，路面材料在实际使用过程，其室内性能与路用性能 之间并没有很好的相关性，而我国设计人员在进行路面设计使，一般只是通过查取规范 推荐的材料参数中值的简单方法进行设计与计算，所以其设计过程只是形式而已。 1 2永久性路面的概念 美国沥青路面协会( a p a ) 定义，永久性( p e r p e t u a lp a v e m e n t s ) 或者长寿命沥青路面 ( l o n g 1 i f ea s p h a l tp a v e m e n t s ) 是指设计年限达5 0 年的沥青路面。在设计年限内无结构性 修复和重建，仅需根据表面层损坏状况进行周期性的修复【2 】。 美国学者率先提出了永久性路面的设计理念，是路面设计新理论的探索之一。永久性 路面是一种新的设计理念，它是通过改变传统的路面结构组合、应力应变响应指标以及提 高材料的物理力学性能达到延长路面结构寿命的目的。 传统设计认为，在车辆荷载作用下，不管路面多厚，将不可避免地出现疲劳开裂和结 构性车辙。近年发现，在沥青层层底存在一个极限拉应变水平，当路面在荷载作用下应变 值低于此水平时，不会发生疲劳破坏，这一应变水平即为疲劳极限。因此研究认为，沥青 路面存在一个面层厚度极限，当沥青层厚度超过此极限值后，路面结构将不会出现由下到 上的疲劳开裂和结构性车辙。基于此，永久性路面设计层厚应以控制在层底拉应变水平内， 从而使路面使用寿命延长。在设计年限内无结构性修复和重建。这样以较大的初始投资来 换取路面长期优良的路用性能，减少运营维修费用，使整个投资节省。即我们倡导的“全寿 命周期成本”的理念。 永久性路面并不是一直不损坏，而是指路面的损坏仅发生在路面的表层，维修时不需要 进行结构性的处理，只需将表面层混合料铣刨并换成等厚度的新混合料便可，维修十分方便。 2 0 世纪6 0 年代以来，以美国、欧洲各国为代表的西方发达国家修建了大量全厚式沥 青混凝土路面和深层高强沥青混凝土路面，其中设计、施工良好的路面表现了很好的路用性 5 第一章绪论 能，为驾乘人员提供了良好的长期服务。全厚式沥青混凝土路面是指沥青混凝土路面层直接 修建在经处治或未处治的七基上；深层高强沥青混凝土路面则直接铺筑在粒料基层上。这 类路面的特点是基本上消除了传统上普遍存在的疲劳损坏，路面的损坏只发生在路面的表 层。国际道路工程界一直在研究长寿命的路面结构。在此背景下，欧美国家在总结了3 0 年以上的沥青路面结构设计的成功经验后，提出了永久性路面结构设计理念。 永久性路面的理念是所设计的沥青路面能够使用4 0 年至5 0 年以上，采用较厚的沥青 层柔性路面，降低传统的沥青层底开裂和避免结构性车辙。永久性沥青路面结构的共同点 是密水、抗车辙、耐磨耗的面层与抗车辙、耐久的中间层和抗疲劳的沥青混合料疲劳层组 合成的路面结构。目前，永久性路面已经成为各国沥青路面最为热门的研究内容。美国、 欧洲、加拿大甚至南非都在进行广泛研究。在e a p a ( 欧洲沥青路面协会) 1 9 9 6 年国际会 议，1 9 9 7 年、2 0 0 2 年i s a p ( 世界沥青团体) 第8 、9 届国际会议中，永久性路面一直是会 议的重要议题。2 0 0 4 年i s a p ( 世界沥青团体) 组织了由5 0 多个国家参加的永久性路面国 际研讨会，会议主要介绍了美国、欧洲、加拿大永久性路面使用经验、永久性路面的技术 回顾等，就永久性路面的设计、施工进行了广泛讨论。2 0 0 6 年9 月又在美国俄亥俄州召开 永久路面国际会议，本课题组应邀参加，并在会上介绍了山东永久性路面试验路情况，引 起国内外同行的关注。从路面结构的发展趋势看，永久性路面将成为未来最主要的路面结 构，特别是用在高速公路、重载道路中。虽然世界上不少国家都在对永久性路面进行研究， 但目前永久性路面仍处在探索和发展阶段，对永久性路面进行研究必然能推动沥青路面设 计技术更上一个新台阶。 1 3 进行永久性路面试验研究的意义及必要性与可行性 经综合分析近几年我国高速公路出现的沥青路面遭损害，其原因是复杂的，但作为最 直接的沥青路面结构而言，尚需在以下方面进行研究f 1 】。 1 、在沥青路面设计规范中增加沥青路面功能性指标要求，提高沥青路面的长期路用性能。 2 、建立沥青路面结构设计模型与破坏模型的联系，确定控制路面发生损坏的关键指标 为实际指标。 3 、加强半刚性基层与沥青路面面层的联接状况，在进行应力验算时，应根据使用条件 选择层间界面的接触条件。 4 、开展包括柔性基层沥青路面结构在内的各种路面结构形式的研究，把沥青路面结构 组合设计作为路面结构设计的重点。 6 长安大学硕上学位论文 5 、开展室内材料性能与野外路用性能的研究，使设计结果更准确，提高沥青路面结构 的使用性能。 综上所述，我国高速公路的沥青路面早损坏，致使大量的高速公路在通车几年就开膛 破肚的大修，不但在经济上造成重大损失，造成资源浪费，环境污染，为车辆行驶者带来 了很多不便，同时在政治上也带来了很坏的影响，引起了社会各界的普遍关注。正如原交 通部部长李盛霖在2 0 0 6 年5 月份在全国公路养护管理工作会议上的讲话中所说的“我 们现在有了4 万多公里的高速公路，再过1 0 多年的时间，我们的高速公路就要接近世界第 一了。按照l o 年一大修计算，每年就有6 0 0 0 到7 0 0 0 公里的高速公路需要大修，大修的规 模达到甚至超过目前高速公路在建的规模，我们不仅要面临巨大的资金压力，更要面临巨 大的社会压力”。照此计算，再加上本不应该发生的沥青路面早损害造成的维修，每年至 少要有近万公里的大修和改造。因此，高速公路的沥青路面早损坏问题，已经不是单纯的 技术问题，成为国内公路科技的热点。在当前的交通轴载和交通量迅猛增长的情况下，现 有的路面结构形式和设计理论已难以解决目前高速公路路面破坏的一些问题。因此，借鉴 国外高速公路成熟的经验和理论，探索适合我国新的路面结构形式和新的设计理论已经成 为当务之急。 欧美发达国家对高速公路研究起步早，经历了几十年的实践，积累了丰富的经验，形 成了许多成熟的技术、标准和规范。我国高速公路建设与研究尽管已有二十多年的历史， 但据西方发达国家仍有差距，现行的设计理论、方法、参数都是建立在传统的低等级公路 的基础上，应用于当前的高速公路，特别是重载作用下的高速公路沥青路面的设计与施工 指导有较大的局限性【3 1 。为此，为提高我国高速公路建设质量，减少路面的维修，提高公 路服务水平，降低原材料消耗，节约能源资源，提高公路的经济社会效益，很有必要改革 我国现行的沥青路面设计理念，提高沥青路面的使用寿命。借鉴国外永久性路面的实践， 提出适合我国经济、交通、水文、地质情况的永久性路面设计方法、施工工艺，指导我国 公路建设设计与施工，是非常必要的。同时近几年我国国民经济高速发展，g d p 以两位数 快速持续增长，已具备了较强的经济实力。我国科技水平、公路设计、施工技术与设备也 居世界前列。因此也是完全可行的。 为了尽快缩短我们与美国等西方发达国家在路面技术方面的差距，提高我们的路面技 术水平和科学研究水平，本课题由山东省交通厅组织，山东省交通厅公路局、山东省交通 科学研究所等和美国国家沥青中心( n g 订) 、美国联邦公路局以及美国印第安那州交通 部合作，共同进行永久性路面设计方法的研究工作。在山东津汕高速公路滨州至大高段铺 7 第一章绪论 筑永久性路面试验段。结合滨大路永久性路面试验路的研究，探索适合我国气候和交通荷 载情况的路面结构组合，验证和提出部分沥青路面设计指标和设计参数，对提高我国沥青路 面设计水平，无疑具有重要意义。 1 4 研究的内容和技术路线 山东永久性路面试验路研究的目的主要为下列几方面： 1 对重荷载作用下各典型路面结构的受力响应进行分析，提出适合山东乃至华北地区 的典型路面结构形式。 2 研究沥青混合料及其他材料的动态设计参数，探索适合我国气候和交通状况的沥青 路面设计参数和指标： 3 建立本地交通轴载频谱； 4 研究路面温度场的变化规律和气候变化对路面性能的影响； 5 验证路面力学模型； 6 如有可能，对土基在最佳状态下的回弹模量，季节性的湿度变化导致回弹模量产生 明显的差异进行研究 为了完成上述目标，选择津汕高速公路山东滨州段5 公里作为试验路。设计了五种不 同的路面结构组合( 包括永久性路面设计的三种结构，借鉴国内其他公路的组合式结构和 目前国内常规结构，即本试验路的正常路段结构) ，在每一种结构组合段安装了用于观测 和数据采集的沥青混凝土应变计、土压力盒、轴位置传感器、温度探测器等。这些传感器 均与安装在路边的数据采集箱连接，可以方便的采集到相关的数据。在试验段的两侧安装 车辆轴载动态称重系统，用于测量过往车辆的轴载。在该路建成通车后，即开始按计划进 行数据采集和分析。同时对本试验路所用的各种原材料、沥青混合料均分成两份，分别由 中、美双方按现行的规范和试验方法进行各项性能试验，以检验本设计所采用的材料指标 的可靠性。此外，常规的f w d 弯沉检测和路表状况观测也同时进行。 本文仅对以下部分研究内容予以介绍： 1 国内外沥青路面设计方法的比较； 2 山东永久性路面试验路的设计参数选定、结构选型、结构设计、材料设计与施工 质量控制； 3 检测设备的选型与埋设； 4 部分基础数据的采集与分析： 8 长安大学硕上学位论文 第二章国内外沥青路面结构设计方法研究与实践 当今世界各国路面结构设计方法不尽相同，不同的设计方法反映了不同的设计理 念，同日寸也在一定程度上反映了各国路面设计的技术发展水平。如有的国家凭借先进的 试验检测设备，路面设计以材料的动态参数为基础，这种设计方法更能反映路面结构受 到汽车瞬时荷载作用的实际情况：而有的国家由于技术水平较低或技术更新较慢，路面 材料设计参数还停留在静态参数阶段。总体而言，路面结构设计方法可分为经验法、力 学法、力学一经验法( m e c h a n i c e m p i r i c a ld e s i g nm e t h o d ) 三类。 经验法以美国的a a s h t o 路面设计方法早期版本最具代表性，它是通过试验路的 行车荷载试验和观测，采集大量路面结构、轴载和作用次数以及路面使用性能指标的数 据，经过分析建立使用性能指标同路面结构和荷载参数之间的经验关系式。同时进行试 验路结构的力学分析，建立力学指标与荷载参数和使用性能指标之间的关系式。组合这 两方面的关系式而建立的设计模型，可用以预估不同路面结构的使用性能指标随标准轴 载作用次数的变化，从而可按预定的使用性能要求估计路面的使用寿命，或者确定所需 的路面结构尺寸。 力学法首先将路面结构模型化，并将行车荷载和环境因素的作用典型化，采用结构 分析理论( 如弹性层状体系理论) 和计算方法( 解析法或有限元等) ，建立起荷载和环 境作用与路面结构的应力和位移响应之间的计算模型和计算公式，作为分析各结构设计 变量对使用性能指标影响程度的手段，检验是否达到或超过预定使用性能的工具。我国 的沥青路面设计方法属于力学设计法。 力学一经验法( m e c h a n i c e m p i r i c a ld e s i g nm e t h o d ) 是在吸收力学法和经验法的基 础上充分考虑材料质量波动( 材料自身的波动和施工原因引起的波动) 的影响，并在设 计过程中把这种影响引进路面使用性能的设计过程，并且使路面使用性能与设计寿命建 立联系，以便控制材料方面的质量波动，从而使路面使用性能满足期望的设计要求，并 能准确预测路面整个使用过程中的总成本效益分析。力学一经验法的主要优点是能够在 经验的基础上建立模型，以模拟各种具体条件，例如能够将实际材料与将来的使用性能 建立联系、在预测路面使用性能时能够考虑材料老化的影响、能够预估季节因素对使用 性能的影响等。a a s h t o 设计指南几经演变，最终2 0 0 2 版以力学一经验法为设计基础。 典型的力学一经验法设计流程如图2 1 所示。 9 第_ 二章国内外沥青路面结构设计方法研究与实践 2 1a a s h t o 沥青路面设计方法 a a s h t o 设计方法p j 采用现时服务能力指数( p s i ) 作为设计指标，其值可通过对 路面的使用性能进行客观测量或主观评价的方法确定。a a s h t o 试验路为计算p s i 建立 了经验关系式，但在路面设计中通常认为沥青路面的初始服务能力指数p s l 0 - 4 2 ( 设 想为中等施工水平的典型状态) ，终端服务能力p s i t - - 2 5 ( 主要公路) 或p s i t = 2 5 ( 次 要公路) 。 a a s h t o 设计方法以a a s h o 试验路的观测资料为基础，建立了试验性能期内路面 服务能力指数的变化量a p s i 同路面结构数s n 和标准轴载作用次数n 1 8 之间的经验关 系式( 式2 1 、式2 2 ) ，同时为便于设计，根据该公式绘制了诺谟图( 图2 3 ) 。在设 计方法中，a a s h t o 还考虑了环境对a p s i 的影响以及路面结构的排水条件。 目前已经拥有基于a a s h t o 设计方法的设计软件一a a s h t 0d a r w i n 3 0 。设计者 甚至不必理会a a s h t o 设计指南复杂的推理、计算或查诺谟图的过程，仅需将设计参 数输入计算机中，d a r w i n 3 0 即可自动计算出路面结构各层及路肩厚度，同时可以绘 1 0 长安人学硕： 学位论文 lgm。；93619(sn+。一020+：晕+23219m，一807lug* 一厨： 1 8 ；+ 1 ) 一上等 + ，一一厨： o 舢研( 2 - 1 ) 第= 章国内外沥青路面结构世计方咕研究与实螋 在土基上直接铺筑沥青混合料层( 热拌沥青混合料面层和沥青稳定碎石基层) 适合 当土基回弹模量m r 6 2 m p a 时的任何交通量。 3 高强度沥青路面 在粒料基层之上铺筑较厚的热拌沥青混混合料面层。 4 沥青稳定碎石基层( a t b ) 路面或高强度沥青路面 是否进行土基处理与传统无结合料基层路面相同。根据粒科层材料的使用情况可细 分为以下4 种类型： 沥青层+ 厂拌沥青碎石+ 未筛分砾石材料底基层 沥青层+ 厂拌沥青碎石+ 级配碎石底基层+ 未筛分砾石材料底基层 沥青层+ 路拌沥青碎石+ 未筛分砾石材料底基层 沥青层+ 路拌沥青碎石+ 级配碎石底基层+ 未筛分砾石材料底基层 5 半刚性基层沥青路面 沥青面层下设化学稳定层，如水泥稳定碎石等，与我国应用最广泛的半刚性基层沥 青路面结构类型相似。但是水稳基层沥青路面仅适合于小于t 4 ( 标准轴载累计轴次扣8 万次) 交通量的路面。 除了上述传统的结构层类型( 材料质量随着路面结构深度逐渐降低) 还有“夹心” 倒装结构层( 粒料层置于两层稳定层之间) 。详细的路面结构组合如图2 - 2 所示 匿霾圈巨圈鹰翮 隧圆圈圈匿罄 重箧重 图2 - 2a a s h i o 蹄而典型结构组合 一凰一圈蕊 长安人学硕士学位论文 2 1 2a a s h t o 路面结构设计 a a s h t o 路面结构设计可以通过两个途径实现即图表设计法和计算机软件法。无 论是图表法还是软件法都是基于经验关系式( 2 - 1 ) 实现的。图表法根据设计参数从诺 谟图求得结构数s n ，然后设计各结构层厚度得到满足结构数要求的结构厚度。图2 3 是用图表法求结构数的典型案例。用软件设计则速度快，准确度高，设计过程比较灵活。 只要将设计参数输入计算机就可以得到相应设计结果，同时还可以进行经济分析。 熏 ； 三 ：罨 s 茎 主； 兰乏 三亏 ：之 r 【) e堵1o r v s c e a h i h !yl s 3 p s l 幺 矿 沥 ，r 锄 彪矿 yy 雠 ， ，? 琶u 羔z ? z 口 荔 图2 - 3 图表方法示意图 2 2 永久性( 长寿命) 路面设计方法 每s 毒5 j j：l 晰卯s t y u l q “l 、u 抽f fs k 永久性( 长寿命) 沥青路面【6 1 【7 】在英国和美国的成功实践越来越受到世人的关注。 永久性( 长寿命) 路面的理念是所设计的沥青路面能够使用4 0 年 - - 5 0 年以上、采用较 厚的沥青层柔性路面，降低传统的沥青层底开裂和避免结构性车辙。长寿命沥青路面结 构组合的共同点是密水、抗车辙、耐磨耗的面层加抗车辙、耐久的中间层和抗疲劳、耐 久的沥青混合料疲劳层。 2 2 1 永久性( 长寿命) 沥青混凝土路面结构特点 传统沥青混凝土路面结构损坏模式传统的沥青混凝土路面损坏类型最主要的是疲 劳开裂和永久变形这2 类，如图2 4 所示。 1 3 第田内外青结构啦计疗让宄s 实践 ，磊。，：五、 ? “。k 4 圈2 4 传统的路面结构破坏模式 这两类损坏类型都是对路面危害极大的结构性损坏。疲劳开裂是指在荷载重复作用 下沥青混凝土面层底面弯拉应变引起的开裂，并且由下而上发展直至贯穿整个沥青混凝 土面层，造成路面损坏。永久变形是指在荷载重复作用下路基顶面压应变产生的不可恢复 的变形量的积累。 传统的路面设计方法假设路面结构损坏源于车辆的重复荷载作用，不管面层多厚藏 劳开裂或者永久变形将不可避免。然而，n u n n 等人在1 9 9 7 年发现，在沥青混凝土路面面 层存在一个厚度极限，在施t 良好的道路中，超过这个厚度限值，由下到上的疲劳开裂和永 久变形都能避免。这意味着交通量的增大并不需要沥青混凝土面层厚度的无限增加。因 为在沥青混凝土面层层底存在一个极限弯拉应变水平，当处于这个水平以下时疲劳损坏 就不会发生，再增加厚度是多余的，而这一应变水平即为疲劳极限应变。 2 2 2 沥青混凝土层厚度与疲劳寿命的关系 增加路面结构疲劳寿命的一种方法就是为路面结构设计一个适当的厚度，让底部的 拉应变低于累积破坏可能发生的程度( 图2 - 5 ) 。 应 变 疲劳寿命 图2 - 5 薄沥青层层底拉应变与疲劳寿命对应关系 哆季 卞 嗣 誉鬻 簿罐s ：錾雾鋈 疲劳寿命 图2 - 6 厚沥青层层底拉应变与疲劳寿命对应关系 薄沥青混凝土层路面产生高拉应变，高拉应变导致较低的疲劳寿命。厚沥青混凝土层 路面产生低拉应变，当该拉应变小于疲劳极限应变时，疲劳破坏不再发生，使用足够厚的沥 青混凝土层将防止疲劳开裂的发生。 2 23 用油量与抗疲劳性能的关系 对于抗疲劳开裂的沥青混凝土底面层材料，增加沥青含量有助于增加沥青混合料柔 性以减小疲劳开裂发生的可能性。高沥青含量混合料有助于抵抗更高的弯拉应变，从而获 得更长的疲劳寿命。此外，还可以使用改性沥青来增加混合料的抗疲劳性能。 22 4 永久性( 长寿命) 沥青混凝土路面结构损坏模式 通过增加底面层混合料的沥青含量，提高底面层材料抗疲劳性能，再加之以合适的 沥青混凝土层厚度，就能确保源于底部自下而上的疲劳开裂不发生。此外，设计和修筑 高强、稳定和均匀的路基对于长寿命沥青混凝土路面十分重要。在筑路期间，路基为筑 路机械设备提供了操作平台。同时，它也提供抗力以抵抗压路机造成的变形，从而使上层 铺面能得到紧密的压实。通过设计和修筑商质量的路基和合理的路面结构组合来控制基 顶压应变，从而保证结构性的永久变形不再发生。 对于保证路面不出现结构性损坏的控制标准，m o n i s m i t h 和l o n g 建议控制沥青混凝 土层底的弯拉应变e r = 6 0 z e 、基顶压应变e z = 2 0 0 2 e ，他们认为这两个控制指标即可以保 证沥青混凝土路面结构不再出现结构性损坏。英国t r l n u n n 等人对主干道路车辙平均 发生率与沥青混凝土层厚度之间关系进行了调查。调查发现，薄沥青混凝土层路面更易发 生车辙，当沥青混凝土层厚= 1 8 0 r a m 时，车辙率较高；当沥青混凝土层厚 1 8 0 m m 时，车 辙发生率出现了突变，比前者小2 个数量级：沥青混凝土层厚超过2 0 0 r a m 时，车辙发生 率较小。此外，n u n n 等人对沥青混凝土层厚度超过2 0 0 m m 的路面车辙进行分析，发现 第二章国内外沥青踌面结构设计方法研究与宴蹬 厚沥青混凝土层路面车辙仅限于表面层几厘米内，印设有出现结构性的永久变形。 2 25 路表面局部损坏 合理的路面结构组合可以延缓或者防止路面结构性损坏的发生，确保路面结构的长 寿命但是无法消除重载、高胎压、高速等重交通条件所引起的轮载下强大的剪应力。 路面在轮载作用下2 - 4 c m 深度范围内出现很大的剪应力，在此范围以下，剪应力值迅速 下降。这种轮载下的应力集中会导致t o p d o w n 开裂、表面车辙等局部损坏。图2 - 7 为 实际道路中的t o p d o w n 开裂及对t o p d o w n 开裂路面钻芯取样的照片。要想避免路表 面局部损坏过早出现主要应从材料设计、预防性养护等方面考虑。磨耗层需具有良好的 性能，应及时进行预防性养护，在一定周期后对磨耗层铣刨，并置换成等厚度的新混合料。 ! - 7l o p i h n 裂 2 26 永久 生( 长寿命) 路面结构设计 美国的疲劳方程采用沥青混凝土层底弯拉应变e r 和基顶压应变e z 这两个指标，来 预估沥青混凝土路面结构寿命。沥青混凝土层底面的弯拉应变指标e r 的目的是保证沥 青混凝土层本身不会产生疲劳破坏，以确保沥青混凝土层的寿命不小于路面的使用寿 命。目前我国规范中对沥青混凝土面层的疲劳丌裂损坏，选用底面拉应力作为验算指 标，其最大拉应力不得超过该材料的容许拉应力( 即疲劳强度) 。但是很多研究表明沥青 混凝土层的疲劳寿命主要受拉应变而非拉应力控制，以拉应变替代拉应力可以更好地反 映沥青混凝土层的疲劳特性。路基顶面的压应变e z 的主要目的是控制路面的总变形量。 在我国目前的规范中，控制总变形量的指标是路面弯沉。由于弯沉指标的非唯性，无法 与具有多种破坏类型和破坏标准的不同路面结构建立起统一的、协调的和稳定的关联。 1 永久性( 长寿命) 路面材料选择 k 安大学硕上学位论文 永久性( 长寿命) 路面设计针对路面结构每一层的损坏模式不同，选择不同的材料 进行相应的混合料设计和性能试验。路面结构层的模量按照使得车辙和疲劳性能最优进 行确定，因此对基层、联结层、磨耗层进行单独的混合料设计，同时改变较低结构层的 混合料类型，但保证各层的耐久性。 2 永久性( 长寿命) 路面基层材料选择 沥青基层必须能够抵抗路面荷载作用下的弯拉应变。国外研究表明，可以通过四个 途径提高基层的抗弯拉开裂能力。 采用较高的沥青用量； 采用改性沥青； 增加沥青基层的厚度； 采用高模量沥青混合料。 沥青基层的高温要求是必须达到面层沥青混合料相同的高温性能要求，即相同的 p g 分级，但低温性能指标可以在面层的基础上降低一个等级。另外沥青基层混合料设 计时，必须进行a a s h t ot 2 8 3 水稳定性试验。 3 永久性( 长寿命) 路面联结层材料选择 永久性( 长寿命) 路面联结层必须保证稳定和耐久。设计的途径是通过粗集料形成 嵌挤骨架结构或者采用适合的高温等级沥青混合料，可选择较大公称粒径的集料，混合 料用s u p e r p a v e 方法设计。联结层高温性能必须达到沥青面层材料相同的高温性能要 求，低温性能指标可降一级。混合料设计时必须进行水稳定性试验。 4 永久性( 长寿命) 路面磨耗层材料选择 磨耗层根据交通条件、环境、当地经验、经济性确定，磨耗层应该具有抗车辙、表 面开裂以及良好的抗滑性能。面层混合料可考虑用s m a ，s u p e r p a v e 密集配混合料或 o g f c 。混合料选择可用参考“沥青混合料类型选择指南，( n a p a2 0 0 0 ) ”。磨耗层必须 选择高性能p g 胶结料。根据b r o w na n dg o o l e y 的建议，沥青p g 等级应较该地区一般沥 青等级至少高一级。至于低温等级，为了抵抗低温开裂，必须保证有9 5 - - - - 9 9 的保证率。 5 路面基础 路面基础可以是碾压的原路基土，也可以是化学稳定路基土、粒料材料或无结合料 的粒料材料。无论采用什么材料，路面基础都必须在施工期间和使用期间满足一定的强 度要求。根据现场情况及设计实际情况，确定路基土进行处治或采用粒料。国外设计要 求路基土c b r 至少为6 ，否则必须采取各种补救措施。 1 7 第= 章国内外沥青路面结构设计方法研究与宴践 2 2 7 永久性( 长寿命) 路面的力学设计指标 根据以往的疲劳方程，交通量越大，需要的沥青层厚度越厚。长寿命路面理论则认 为沥青混合料存在一个弯拉应变l 临界点，当路面结构弯拉应变低于此值时，h m a 层底 就不会产生疲劳损伤，即应力值或应变值与可承受的荷载作用次数关系是一条水平渐进 线。这个弯拉应变点对应的疲劳寿命就是疲劳极限( f a t i g u el i m i t ) 或耐久性极限 ( e n d u r a n c el i m i t ) 。由此引入永久性( 长寿命) 路面力学设计指标 8 1 。通过对沥青混合 料疲劳极限的分析就可以确定沥青层厚度。为了证明沥青混合料存在疲劳极限并确定其 大小，美国俄亥俄州运输部、美国a l 协会等作了大量的试验工作。俄亥俄州运输部试 验结论认为： 应变低于1 0 0 , u e 时可以获得很长的疲劳寿命，证明存在疲劳极限f 应变低于1 0 0 # e 投必要设置疲劳层，采用改性沥青或提高沥青质量可以显著提 高抗裂性能； 长寿命路面的结构性能与交通水平没有关系。 美国a i 协会的结论认为； 降低应变明显提高疲劳寿命在低应变水平下存在疲劳极限： 按照r o w ga n db o u l d i n 的判断标准，在1 0 0 # e 、7