国内外沥青路面设计方法

1 1 国外沥青路面设计方法国外沥青路面设计方法 1 1 经验法 经验法主要通过对试验路或使用道路的实验观测 建立路面结构 结构层组合 厚度 和材料性质 荷载 轴载大小和作用次数 和路面性能三者间的经验关系 最为著名的经 验设计方法有 CBR 法和 AASHTO 法 CBR 法 1 2 以 CBR 值作为路基土和路面材料 主要是粒料 的性质指标 通过对已损 坏或使用良好的路面的调查和 CBR 测定 建立起路基土 CBR 轮载 路面结构层厚度 以粒 料层总厚度表征 三者间的经验关系 利用此关系曲线 可以按设计轮载和路基土 CBR 值 确定所需的路面层总厚度 路面各结构层次的厚度 按各层材料的 CBR 值进行当量厚度换 算 不同轮载的作用按等弯沉的原则换算为设计轮载的当量作用 此方法设计过程简单 概念明确 适用于重载 低等级的路面设计 但 CBR 值仅是一种经验性的指标 并不是材 料承载力的直接度量指标 它与弹性变形量的关系很小 而路基土应工作在弹性范围内的 应力状态下 因而 路面结构设计对路基土的抗剪强度并无直接兴趣 更关心的是路基土 的回弹性质 回弹模量 及其在重复荷载作用下的塑性应变 AASHTO 法 3 4 是在 AASHO 试验路的基础上建立的 整理试验路的试验观测数据 得 到的路面结构 轴载 使用性能三者间的经验关系式 AASHTO 方法提出了现时服务能力指数 PSI 的概念 以反映路面的服务质量 不同轴载的作用 按等效损坏 PSI 的原则进 行转换 路面使用性能指标 PSI 主要受平整度的影响 与裂缝 车辙 修补等损坏的关 系很小 因此 这是一项反映路面功能性能的指标 而不是表征路面结构性损坏的指标 此外 这个方法源于一条试验路的数据 仅反映一种路基土和一种环境条件 推广应用于 其它地区或国家时便存在着很大的局限性 但 AASHO 试验路的测定数据得到了良好的整理 和保存 为许多力学 经验法的设计指标和参数验证提供了丰富的依据 5 AASHO 法提出 了轴载换算的概念和公式 考虑了结构的可靠度和排水条件的影响 这些思想对后来世界 各国的设计思想产生了很大的影响 1 2 力学 经验法 力学 经验法利用在力学反应量与路面性能 各种损坏模式 之间建立的性能模型 按 设计要求设计路面结构 从 20 世纪 60 年代初开始 各国科技人员致力于研制和实施沥青 路面的力学 经验设计法 著名的有 AI 法和 Shel1 法 Shell 法 6 是由英 荷壳牌石油公司研究所研究 发展和完善起来的 在该设计方法 中 混合料的粘弹性性质以其劲度模量体现 其值取决于沥青含量 沥青劲度和沥青混合 料的空隙率 路基模量受应力影响 路基动态模量可以通过现场的动态弯沉试验在道路实 际湿度条件和荷载条件下测定 也可在室内通过三轴仪测定 此方法中交通荷载以标准双 轮轴载次数为代表 设计年限内的累计轴次即为设计寿命 临界荷位的应力应变由计算机 程序 BISAR 计算 Shell 设计法考虑了控制疲劳开裂的沥青层底面的容许水平拉应变 fat 和控制永久变形的路基顶面的容许竖向压应变 z 两项主要设计标准和水泥稳定类材料底 面的弯拉应力和路表面的永久变形两项次要设计标准 AI 设计法也把路面看成多层弹性体系 材料特性主要包括土基 粒料基层和沥青层的 回弹模量和泊松比 路基土的回弹模量的确定可由室内重复三轴抗压试验确定 或根据其 与 CBR 的关系式估计而得 粒料材料的回弹模量与应力水平相关 其值可根据多变量回归 的预测方程计算 热拌沥青混合料的动态模量由室内 60 种不同的沥青混合料试验得到的计 算公式确定 环境的影响通过面层温度对沥青混合料劲度值的影响来体现 以面层厚 1 3 深处的温度作为沥青层的设计温度 由月平均气温和路面温度的关系式计算得到 AI 法采 用的设计标准与 Shell 法相同 即控制疲劳开裂的沥青层底部的水平拉应变 和控制永 久变形的土基表面的竖向压应变 z SHELL 和 AI 设计法是公认的力学 经验法的典型代表 很多国家都借鉴了 SHELL 法和 AI 法的研究成果 如澳大利亚的沥青混合料疲劳方程采用的就是 Shell1978 年提出的室内 疲劳试验关系式 预估野外疲劳寿命时 乘以修正系数 5 日本的疲劳破坏标准采用的是 AI 的破坏标准 但这两种方法都没有考虑湿度对路面设计的影响 也没有考虑低温断裂问题 1 3 基于性能的设计方法 基于性能的设计方法 SUPERPAVE 的指导思想是按照路面的使用性能进行路面和材料的 设计 以达到路面抗车辙 抗疲劳 抗低温的目的 并同时考虑老化 水损坏以及粘附性 损失 SUPERPAVE 的路面设计模型包括材料性能模型 环境影响模型 EEM 路面反应模 型 路面损坏模型 4 个基本部分 为使实验室测得的材料特性指标能够反映在路面中的实 际使用性能 SHRP 计划提出了一些新的试验方法 或规范了已有的试验方法 最终形成了 适用于 SUPERPAVE 的沥青混合料规范 集料规范和试验系统 SUPERPAVE 的环境影响模型 实际上只是指路面的温度模型 该模型有两方面的作用 一是估计路面的最高 最低温度 以选择合适的结合料 另一个作用是计算路面不同深度的温度 作为混合料的试验温度 路面反应模型用于计算路面各层在交通荷载作用下和环境影响下的应力与应变 对于新建 路面有低温开裂 疲劳开裂和永久变形 车辙 三个损坏预测模型 SUPERPAVE 的路面非 荷载开裂模型即低温开裂模型中假设混合料为低温粘弹性 利用了流变力学中的一维 Maxwell 本构方程 低温开裂扩展模型应用 Paris 规则得出 对于路面的疲劳开裂和永久 变形 所用的反应模型以二维非线性有限元程序为基础 并且采用四接点平面单元和轴对 称分析 以减少迭代次数 但 SUPERPAVE 设计法也存在着不足 主要表现在 SUPERPAVE 的主要指标和标准都 仅是建立在流变学基础上的 沥青和沥青混合料的流变学指标是否恰当反应了路面的使用 性能 迄今为止这个问题并没有明确的答案 SU PERPAVE 的结合料规范中 温差级差是 6 太大 在考虑环境因素时 仅考虑了温度的影响 较少考虑湿度对材料和结构特性 的影响 而后者的影响可能更大 修正系数 转换系数 SF 中考虑因素过于简单 所考 虑的因素甚至不是最主要的因素 沥青混合料的体积设计法对中交通或特重交通路面的 适用性或优越性值得进一步研究 2 2 国内沥青路面设计方法国内沥青路面设计方法 2 1 我国沥青路面设计方法概述 我国沥青路面设计采用的是力学 经验法 其路面模型借鉴了 SHELL 的理论设计法 把 路面作为一种多层弹性体系 材料特性以弹性模量和泊松比表征 土基回弹模量可根据现 场实测法 查表法 室内试验法或换算法求得 各层材料统一采用圆柱体试件测定抗压回 弹模量和劈裂模量 弯沉指标计算时 沥青混合料用 20 抗压回弹模量 层底弯拉应力计 算采用 15 抗拉强度与弯拉回弹模量 也可以采用劈裂强度与抗压回弹模量 9 交通荷 载以双轮组单轴载 100kN 为标准轴载 轮胎接地压强 0 70MPa 单轮当量圆直径 d 为 21 3cm 两轮中心距为 1 5 路表弯沉计算时须计算双圆均布荷载的轮隙中心点的弯沉 验算沥青混凝土层和半刚性材料层的底部拉应力时 须计算单圆荷载中心 轮隙中心处拉 应力并取其较大值 10 设计标准是以 2004 规范规定的设计弯沉和层底拉应力为设计标准 设计弯沉是表征路面整体刚度大小的指标 是路面厚度计算的主要依据 其路面结构层容 许拉应力 R 是指路面结构在行车荷载重复作用下达到疲劳临界状态时容许的最大拉应力 2 2 我国沥青路面结构设计方法存在的问题 1 设计指标单一 尽管沥青路面结构设计中包含弯沉和弯拉应力验算指标 但实际 在沥青路面结构设计中 弯沉成为路面结构设计的唯一指标 也就是说按照现有规范方法 在路面设计弯沉满足的条件下 弯拉应力验算肯定是通过的 使得设计指标成为唯一 2 设计指标不可控制 设计指标应该是路面结构可能产生损坏的控制指标 即设计 模型与路面结构损坏模型应该一致 但实际情况是弯沉指标无法与多种破坏类型和破坏标 准相统一 协调 现有沥青路面的损坏与设计模式大不相同 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发生了破坏 疲劳破坏的指标没有起到控 制作用 3 理论验算假定条件不准确 按照现有公路沥青路面设计规范 在进行沥青路面结 构弯拉应力验算时 假定层间接触条件是连续接触 在这种条件下进行应力验算 半刚性 基层顶面的沥青面层处于受压状态 所以沥青面层不会发生弯拉疲劳破坏 实际上 很难 做到沥青层与半刚性基层的连续 即使是沥青的上 中 下面层之间 由于施工污染 施 工的非连续性等原因 沥青层之间都有可能是部分连续或者滑动的 在荷载 水等外界因 素的作用下 层间界面连接状态的改变是必然的 因此路面结构设计时的假定条件是不准 确的 在这种情况下 理论验算结果的准确性可想而知 4 路面材料设计参数与实际路用性能缺乏关联性 路面设计采用理论计算方法 看 似很先进 实际上材料设计参数一般只是通过室内试验确定 国外很多研究表明 路面材 料在实际使用过程中 其室内性能与路用性能之间的关系并没有很好的相关性 而设计人 员在路面结构设计过程中 一般使用规范推荐的材料参数中值的简单办法进行设计 更谈 不上去建立路面材料室内力学性能与野外路用性能的关系 所以其设计过程实际上只是个 形式 5 实际交通荷载与设计荷载出入较大 根据交通荷载情况的调查 目前我国汽车后 轴轴重一般在 60 150kN 胎压一般在 0 6 1 1MPa 而设计标准轴载为单轴双轮胎 100kN 胎压一般不超过 0 7MPa 近几年重载车 超载车大量增长 有的标定 30t 的车辆 实际达 到 150t 以上 尽管有关部门进行了超限超载治理 车辆超载的现象还是时有发生 造成了 路面早期损坏 使路面使用寿命大大缩短 2 3 建议 1 材料的回弹模量 我国采用的都是静态的模量值 如路基土的回弹模量 沥青混 合料的回弹模量 由于路面受到车辆动荷载作用 所以动态模量能更切合实际 2 我国的专用设计程序计算的是多层弹性层状连续体系的精确解 但实际上 层间 接触并不一定是完全连续的 可以考虑从完全连续到完全光滑的层间接触条件 3 我国设计理念是假定沥青层厚度 以基层作为承重层设计其厚度 认为路面破坏 就意味着基层破坏 但实际上也未尽然 也存在基层完整 面层破坏现象 因此应该以沥 青层作为承受拉应力的主要承重层考虑 计算沥青层厚度 4 我国采用的弯沉作为设计指标 它反映了材料和结构的弹性部分 在力学概念上 较为明确 但力学计算表明 土基顶面的弯沉和路表弯沉的关系比较复杂 对于不同的路 面结构路表弯沉不能明确反映土基顶面的工作状态 另外 对于高等级公路 随着交通量 的有益加大也会引起路面车辙 而车辙是材料的塑性变形累积 显然仅用设计回弹弯沉不 能有效地控制路表车辙 故可以将路基顶面垂直压应变作为一项设计控制指标 5 不少研究表明我国沥青面层底面拉应力验算指标在设计中不