沥青路面结构设计指标和参数成果-王秉纲幻灯片.ppt

沥青路面设计指标和参数研究成果介绍 2008 4 沥青路面设计指标和参数研究成果介绍 概述路面结构组合路面损坏模型路面设计参数路面设计指南研究成果和建议 一 概述 研究概况现行设计指标和参数研究方案 研究目的建立适合我国特点 且与国际融合的沥青路面设计指标 参数和方法 为沥青设计规范修订工作提供依据 研究概况 前言 成果一览 构建设计指标体系 沥青层疲劳无机结合料稳定层疲劳路基永久变形沥青层永久变形沥青层低温开裂共5个指标 成果一览 提出设计参数 路基和粒料层回弹模量路基回弹模量调整系数沥青混合料动态压缩模量无机结合料弹性模量共4个参数 成果一览 研究总报告分题研究报告12个设计指南 1沥青路面的温度场和沥青面层的当量温度系数研究2沥青混合料动态模量研究3沥青层疲劳开裂预估模型研究4沥青混合料和沥青面层抗永久变形预估5无机结合料稳定类基层模量及衰变规律6无机结合料稳定类基层疲劳损坏预估模型 分题报告 7路基与粒料层动态模量参数研究8路基湿度状况及模量调整系数研究9路基和粒料层抗永久变形性能预估10沥青面层低温缩裂研究11沥青路面结构设计指标的协调与平衡12加速加载试验验证 2 现行设计指标和参数 路表回弹弯沉ls和ld 计算弯沉值和容许弯沉值 0 01mm Ne 设计车道的标准轴载 100kN 累计当量轴次Ac As Ab 公路等级 面层类型和基层类型系数 层底拉应力 计算点的层底拉应力 MPa 材料容许拉应力和劈裂强度 MPa ks 材料疲劳应力系数 a 系数 沥青层0 09 无机结合料稳定粒料0 35 无机结合料稳定土0 45 b 系数 沥青层0 22 半刚性层0 11 材料参数 路基模量 承载板法 无机结合料稳定材料 压缩模量和劈裂强度 沥青混合料 15 C或20 C压缩模量15 C劈裂强度 环境参数 温度对沥青混合料性质的影响未考虑 湿度对模量的影响未考虑 结构设计控制指标路表弯沉路表弯沉为综合性 表观性指标 具有非唯一性 无法包容各种损坏 难以协调各单项损坏指标柔性基层沥青路面的指标和参数有待补充材料性质指标和测试方法未反映其力学特性应力依赖性 温度依赖性和湿度依赖性 存在问题 3 研究方案 遵循力学 经验法针对不同损坏的多指标体系建模以室内试验为主 ALF试验验证和修正当量损坏法分析材料参数选用力学指标和科学试验方法测定参数采集按三层次要求以国内外的前沿水平为基础 二 路面结构组合 结构组合方案结构损坏类型 1 结构组合方案 材料类型沥青结合料类热拌沥青混合料 SMA OGFC 沥青贯入碎石 沥青表面处治无机结合料类水泥或石灰 粉煤灰或石灰稳定碎石 砾石或土粒料类级配碎石 级配砾石 填隙碎石 未筛分碎石 天然砂砾 粒料类基层 沥青类基层 无机结合料类基层 2 结构损坏类型 开裂类沥青层疲劳开裂无机结合料稳定层疲劳开裂沥青面层低温缩裂沥青面层反射裂缝 变形类沥青层永久变形粒料层和路基永久变形 结构损坏类型 三 路面损坏模型 沥青层疲劳开裂无机结合料层疲劳开裂沥青层低温缩裂沥青层永久变形路基永久变形 路面损坏模型 分析国内外已有模型 比选出合适的模型模式和自变量 制定标准试验方法 室内试验和试验路 ALF 试验 标定模型参数 长期使用性能观测资料和设计实践经验积累 逐步验证和修正模型参数 路面损坏模型沥青层疲劳开裂 室内疲劳试验 弯曲 常应变 618组 应变 SO 弯曲劲度模量 VFA 沥青饱和度弯曲模量转换压缩模量 Christensen 31组试件 应变控制加载模式适于厚度 5cm应力控制加载模式适于厚度 20cm介于上述两种情况之间用Sigmoidal曲线过渡 模式系数MF 模式系数 应力控制MF 1 应变控制MF 1 A 劲度模量下降 应力变化 B 劲度模量下降 应变变化 分析464个路面结构建立模式系数回归公式 损坏模型沥青层疲劳开裂 路面损坏模型沥青层疲劳开裂 模式系数 MF 疲劳关系式 路面损坏模型沥青层疲劳开裂ALF验证试验 损坏模型沥青层疲劳开裂 ALF验证k1 1 368 k2 5 790轴载修正 160kN 100kN 轴载系数6 554横向分布修正横向分布系数2 03疲劳开裂模型 损坏模型无机结合料稳定层疲劳开裂 室内疲劳试验 弯曲 147根试件 室内疲劳开裂模型 损坏模型无机结合料稳定层疲劳开裂 损坏模型沥青层低温缩裂 沥青低温性能指标低温延度 低温针入度 当量脆点 低温蠕变劲度 弯曲梁流变仪BBR 路面最低温度加10 C S0 35 断裂应变 直接拉伸DT 路面最低温度加10 C 1 临界开裂温度低于路面最低温度 为借鉴AASHTO沥青规范 损坏模型沥青层低温缩裂基质沥青低温性能指标验证路段调查和测试 损坏模型沥青层低温缩裂 沥青层低温开裂量预估 Hass Hajek I 裂缝指数 h 层厚 a 路龄 S 劲度 J 路基类型 T 温度验证路段沥青面层低温开裂量观测与预估 损坏模型沥青层永久变形 抗永久变形性能马歇尔试验 稳定度 流值 三轴压缩试验 三轴静蠕变试验 流动时间 三轴重复加载蠕变试验 流动数 定高度重复单剪试验 G 轮辙仪试验 动稳定度 车辙控制车辙量预估混合料控制指标 损坏模型沥青层永久变形 轮辙试验方法指标相对辙深PRD 轮辙深 试件厚 蠕变率CS 蠕变速率的倒数 次 mm试验时间1小时 以最后15min时段的曲线斜率计算蠕变率试验温度60 C轮载接触压力0 7MPa空隙率7 1 密级配 5 5 0 5 SMA 损坏模型沥青层永久变形 永久变形预估模型轮辙深度模型 Shami 基于APA轮辙仪试验rd 辙深 T 温度 p 压力 N 次数 h 层厚 k1 修正系数 0为标准条件标定参数试验3种普通混合料 4种改性混合料 3种轮压 24 C 70 C 551个样本 标定出系数 损坏模型沥青层永久变形ALF验证试验 损坏模型沥青层永久变形ALF验证试验 损坏模型沥青层永久变形 模型指数修正a 2 636 b 2 550 c 0 500 d 1加载次数换算1 089辙深换算1 04速度换算 损坏模型沥青层永久变形 容许车辙深15mm沥青混合料轮辙试验相对辙深 要求 不大于 长大纵坡要求值为平坡的0 6倍 损坏模型沥青层永久变形 相对辙深与蠕变率经验关系 117个样本 沥青混合料轮辙试验蠕变率 次 mm 要求 不小于 长大纵坡要求值为平坡的0 6倍 损坏模型沥青层永久变形 重复加载三轴蠕变试验围压应力138kPa 轴向应力700kPa 45 C 普通 50 C 改性 流动数预估模型4种混合料 3种温度 3种轴向应力永久变形预估模型ALF验证 损坏模型路基土和粒料层永久变形 土和粒料永久变形模型动三轴试验路基和粒料层永久变形模型分层应变总和法路基顶面压应变控制模型安定 shake down 理论概念应力水平低时 永久变形累积速率随作用次数增加而逐渐减缓 并趋向稳定 最终达到平衡状态 损坏模型路基和粒料层永久变形 土和粒料永久变形模型 3种土 3种含水量 2种压实度 3种偏应力 1种围压应力 重复加载10000次 162次试验 4种粒料 3种含水量 1种压实度 3种偏应力 3种围压应力 重复加载10000次 72次试验 永久变形关系式 Tseng Lytton 损坏模型路基和粒料层永久变形 土和粒料永久变形模型试验参数与性质指标关系 土 p r 塑性应变和弹性应变 w 含水量 Er 回弹模量试验参数与性质指标关系 粒料 损坏模型路基和粒料层永久变形控制 路基和粒料层永久变形分层应变总和法 p N 作用N次总变形 n 分层数 hi i层厚 pi N i层作用N次的永久变形永久变形经验模型 常用路面结构 得到各回归系数k a f 回归系数 损坏模型路基和粒料层永久变形 路基顶面压应变控制模型 处于临界损坏状况的薄沥青路面结构70年代弯沉调查 无明显变形 较多纵横向裂缝或局部网裂AASHO PSI 2 5AI 车辙深12 7mm 反算路基顶面压应变 统计累计轴次 损坏模型路基和粒料层永久变形 路基顶面容许压应变模型 四 路面设计参数 材料性质参数 路基土和粒料层回弹模量 沥青混合料动态模量 无机结合料稳定类材料弹性模量和弯拉强度 沥青低温弯曲蠕变劲度 直接拉伸断裂性质 沥青混合料低温间接拉伸蠕变柔量和抗拉强度环境参数 路基湿度 沥青层温度 设计参数 材料性质参数层次按项目重要性 工程规模和投资量划分不同层次第一层次 按标准试验方法实测确定 提供标准试验方法第二层次 利用与其他材料性质参数关联的回归关系式确定 提供经验关系模型第三层次 参照代表值或由经验确定 提供参考值表 设计参数 路基土和粒料层回弹模量动态三轴仪标准试验方法 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 加载序列土和粒料回弹模量本构模型 NCHRP模量预估模型 主应力之和 oct 八面体剪应力 pa 参照应力 为100kPa k1 k2 k3 参数回弹模量测试 2种土 3种含水量 2种压实度 3种级配碎石 3种含水量 1种压实度 设计参数路基土和粒料层回弹模量 SHH4 CL A 7 6 GSH190 CL A 7 6 压实度 91 设计参数 路基土和粒料层回弹模量基于物性参数的三参数经验模型土粒料 设计参数 路基土和粒料层回弹模量当量回弹模量按弯沉等效原则转换 确定当量模量和应力水平路基土和粒料层当量回弹模量参考值交通等级 路面结构 粒料和土类型粒料层当量回弹模量参考值范围 MPa 设计参数 路基土和粒料层回弹模量路基土和粒料层当量回弹模量参考值路基当量回弹模量参考值范围 MPa 设计参数路基湿度 路基湿度指标饱和度质量含水量路基湿度类型干燥类 地下水位低 气候因素控制 湿度指数TMI Ry y年水的径流量 DFy y年的水不足量 PEy y年的潜在蒸发量潮湿类 地下水位控制中湿类 兼有二者影响 设计参数路基湿度 土 水特性曲线路基常为非饱和土 其湿度与土的基质吸力密切相关 土 水特性曲线即反映两者的关系 选用Fredlund Xing模型 设计参数路基湿度 干燥类路基土的基质吸力hm与湿度指数TMI关系12个路段土样和TMI值与他人数据一起回归标定参数 设计参数路基湿度 干燥类路基湿度预估由TMI值和土性参数 土的基质吸力 土 水特性曲线 含水量和饱和度各土组在不同TMI值 30 30 时的湿度预估 设计参数路基湿度 潮湿类路基土的基质吸力与地下水位关系 设计参数路基湿度 潮湿类路基湿度预估 由地下水位高度 土的基质吸力 土 水特性曲线 含水量和饱和度各土组的湿度预估 设计参数路基湿度 中湿类路基湿度预估归并干燥类和潮湿类路基的湿度预估值得到各土组在不同TMI值 30 30 时的湿度预估 设计参数路基湿度 非冰冻区路基回弹模量湿度调整系数 NCHRP2002 a log MR MRopt 最小值 b log MR MRopt 最大值MR 湿度处于平衡状态的回弹模量MRopt 最佳含水量和最大干密度状态的回弹模量12个路段的模量测试 标定参数a 0 6563 b 0 2548 km 6 4604 设计参数路基湿度 非冰冻区路基回弹模量湿度调整系数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 设计参数路基湿度 季冻区路基回弹模量综合调整系数设定 冰冻 溶解 回复 正常分别为3 1 4 4个月 冰冻期模量 10000MPa 溶解期模量 完全饱和 回复期 线性插值分时段定模量值 按疲劳损伤加权总和 与最佳含水量时模量相比 确定调整系数 设计参数路基湿度 季冻区路基回弹模量综合调整系数干燥类路基回弹模量综合调整系数潮湿类路基回弹模量综合调整系数 设计参数无机结合料稳定材料弹性模量 使用中的模量 试件模量 压缩模量 弯拉模量 收缩开裂后模量 衰变模量 疲劳破坏后模量 设计参数无机结合料稳定材料弹性模量 模量衰变 水泥稳定碎石 设计参数无机结合料稳定材料弹性模量在不同疲劳损耗阶段的模量折减系数 设计参数无机结合料稳定材料弹性模量 弹性 回弹 参考值 设计参数 沥青混合料动态模量单轴压缩动态模量标准试验方法试件尺寸和试件制备频率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 编制试验规程比对试验 设计参数 沥青混合料动态模量动态模量建模试验 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 设计参数 模量预估模型 动态模量预估模型 共6个 设计参数 沥青混合料动态模量常用沥青混合料动态压缩模量参考值 MPa 标准条件 20 C 10Hz 沥青混合料AC AK SMA 10 16 25 沥青AH 70 90 110 沥青含量4 5 6 空隙率3 4 5 6 7 AC 16在标准条件下的动态压缩模量参考值 MPa 设计参数路面温度 沥青路面温度场温度随时间和深度的变化特征点温度年分布频率温度换算系数温度当量系数TEF 参照温度20 C 等效沥青层疲劳寿命 等效无机结合料稳定层疲劳寿命 等效路基永久变形寿命温度换算系数TCF TEF 温度分布频率 设计参数路面温度 沥青路面温度场温度随时间和深度的变化理论法 一维热传导方程 差分法求解 边界条件 下限 一定深度处 温度常量 边界条件 上限 热流理论 q t sQs Ql Qc Qc Cc Ta Ts 设计参数路面温度 温度当量系数 等效疲劳损伤和等效永久变形损伤参照温度20 CTEFi Ns Ni温度换算系数 温度当量系数与该地区温度度分布频率的乘积TCF TEFi pi 沥青层疲劳损坏的温度换算系数kT1 五 路面设计指南 设计要求 在设计基