国外沥青路面设计简介

国外沥青路面结构设计简介 长安大学戴经梁 国外沥青路面结构设计简介 丰富我国现有路面结构类型的必要性 永久性沥青路面简介 国外沥青路面结构设计方法介绍CBR设计法 加州承载比法 美国各州公路工作者协会 AASHTO 设计法shell 壳牌 设计法 丰富我国现有路面结构类型的必要性 我国高速公路路面的早期损坏严重 沥青路面建成不久 当年或者2 3年后 沥青路面就发生不同程度的开裂 车辙 坑槽等早期损坏 另外的早期损坏是指所修建的路面普遍达不到路面的设计年限 路面的大修经常是 开膛破肚 式的 张春贤部长在全国交通工作会议上指出 要有针对性地引进国外成熟的技术 标准和规范 科研成果是实践经验的总结 是人类文明的结晶 我们要善于借鉴一切先进的科研成果 在公路建设和管理领域 国与国之间的技术问题及解决方法具有很多共性 发达国家研究早 实践早 积累了丰富的经验 许多技术 标准和规范属于政府所有 没有知识产权的障碍 我们要把技术引进作为公路交通实现新的跨越式发展的重要手段 国外沥青路面结构的设计年限 部分国家使用的主要沥青路面结构 俄罗斯 法国 比利时 诺丁汉大学 南非 日本 澳大利亚 SHELL 补强 AI 路表弯沉 永久变形 粒料层剪切应力 路基顶面压应变 稳定粒料层拉应力 沥青层疲劳 机构 部分国家或单位采用的设计指标 国外常见沥青路面结构组成 国外常见沥青路面结构组成 永久性沥青路面 永久性沥青路面产生的背景永久性沥青路面的特点永久性沥青路面经济性永久性沥青路面对结构层材料的要求永久性沥青路面设计方法 永久性沥青路面产生的背景 重载交通对欧洲沥青路面的挑战 轴载增加和重载交通量的快速增长 慢速交通产生了更大的路面应力 高压轮胎引起作用应力的增加 道路磨光加速 永久性路面的特点 在总费用上 初期建设费很高 日常养护费和使用费较少 总费用效益比最大 在设计年限上 至少40年 在损坏模式上 路面的损坏只发生在表面层 如表面开裂 不存在结构性破坏 在养护维修上 只需要日常养护 不需要进行结构性大修 沥青路面周期费用经济分析 永久性沥青路面经济性 永久性路面能够承受更大的交通量和更重的交通荷载 虽然其初期建设费用较高 但是如果评价整个使用周期的总费用 永久性路面较传统的沥青路面更经济 降低了使用周期内的维修费用 同时极大降低了道路使用者的使用费用 交通延误及事故费用 最大拉应变 路面基础 PavementFoundation 高模量抗车辙材料 联结层 柔性抗疲劳材料3 4 HMA基层 1 5 3 SMA OGFC或Superpave 表面层 4 to6 高压应力区 永久性沥青路面对结构层材料的要求 要求面层应具有足够的抗车辙能力 抗渗性及抗磨耗性能 要求中间层 联结层 具有较强的抗车辙性能 要求基层具有足够的抗疲劳及耐久性能 要求路面结构的基础可以为路面结构的铺筑提供稳定的施工平台 其在服务期内的性能指标不会随季节的改变而发生较大的变化 沥青路面较厚 应变较小 应变低于疲劳阈值 疲劳寿命无限长 压应变 拉应变 应变 疲劳寿命 疲劳寿命无限长 沥青基层的抗疲劳性能 有效沥青含量较高的混合料 混合料具有较高的应变能力 改性沥青 混合料具有较高的应变能力 疲劳寿命 应变 高沥青含量 低沥青含量 疲劳寿命无限长 沥青基层的抗疲劳性能 影响永久性路面抗车辙性能的因素 集料级配 沥青等级及改性剂的添加 施工过程中混合料的密度 空隙率 选择适宜的表面层材料 沥青层厚度 mm 车辙率 mm msa 0 100 200 300 400 0 1 1 10 100 1000 车辙率与沥青层厚度的关系 永久性沥青路面设计方法 路面力学模型 材料性能指标 模量值 路面反应 应力 应变等 转换函数 最终设计 面层底部大于70me的拉应变出现的可能性最小 路基顶部大于200me的压应变出现的可能性最小 永久性路面设计标准 厚沥青层 8 基层 按要求确定 路基 永久性路面设计目标 HMA 基层 路基 国外沥青路面设计方法介绍 CBR设计法AASHTO设计法SHELL设计法 CBR设计法 该方法是上世纪二十年代美国加州使用的一种方法 该法根据多年实测结果得到一条土基承载值与路面总厚度的关系曲线 而土基的承载值用标准碎石承载能力的百分比 称为加州承载比 记为CBR值 表示 所以这种方法也称为CBR法 提出的CBR指标已被作为路面材料的一种参数指标得到了广泛应用 AASHTO方法 AASHTO法提出了路面现时服务能力指数PSI的概念 以反映路面状况与质量的指标 通过对相同路段的主观评价与客观评价 建立了PSI与路面状况的关系 AASHTO设计方法提出以使用年限末的路面现时服务能力指数Pt作为设计控制标准 使路面结构设计和路面使用期末的性能联系起来 路面现时服务能力指数PSI 路面耐用性指数 PSI 5 03 1 91lg 式中 两边轮迹带上的平均坡度变化C 已发展成网裂者m2 92 9m2P 修补面积m2 92 9m2 车辙深度cm AASHTO1972版 结构数 表示路面结构强弱的指标 反映了路面各结构层层位 材料及厚度与路面结构强度之间对应关系 D1 沥青面层厚度 1 热拌沥青混凝土0 44D2 基层厚度 2 级配碎石0 14D3 底基层厚度 3 天然沙砾0 11车辆的当量换算 按耐用性指数P 2 5等效原则 提出了各种单轴和双轴换算为18千磅 80KN 单轴荷载的换算系数 标准轴载 1 基本设计条件最终耐用性指数 主要干线公路p 2 5轻交通公路p 2 0设计交通量设计期 20年 换算为18千磅轴载累计作用次数 AASHTO1972版设计法 2 路面结构数确定路面设计方程 C0 道路试验中平均起始耐用性指数 4 2C1 道路试验中最终耐用性指数 1 5P 设计的最终耐用性指数 主干道2 5次要公路2 0 3 路面结构厚度确定由根据得到几种路面结构组合 最后根据地区条件 施工条件及经济分析确定路面结构 路面设计方程 2 32lgMR 8 7 式中 ZR 保证率系数S0 估计交通量的标准差 一般为0 4 0 5最初耐用性指数4 2最终耐用性指数2 0 低交通 2 5 主干道 AASHTO1986版 MR 有效路基土回弹模量按下列方法加权处理1 划分季节段 一般按月划分 2 计算每月模量的损坏值 3 4 根据平均损坏值反算Mr 考虑路面排水的结构数 SN AASHT086版给出了未处治的材料的m值 m值为0 4 1 4 排水质量越好 浸水时间越短 m值越大 AASHT086版的路面设计过程中 还增加了路面膨胀与冻胀和分期修建的考虑 路基膨胀或冻胀考虑 路基膨胀或冻胀造成PSI的损失 每一个特定地区给出了膨胀或冻胀造成的PSI损失随时间的变化曲线 PSISV t PSIFH t 设计方法 估计路面使用年限 年 查图得出相应 PSISV FH从设计总服务能力损失 PSI 中扣除 PSISV FH 得到完全由交通荷载引起的 PSITR PSIIR查AASHTO路面设计图得到累计交通量 ESAL 根据交通量随时间变化图得到允许的使用年限 与初始估计的使用年限相比 两者相差1年则可 否则重新计算 直至收敛 分期修建 关键是根据总可靠度的要求 分别计算分期修建的可靠度 例如 总可靠度为95 则每一期的可靠度为 AASHTO设计指南存在问题 AASHTO试验路没有包括路面的维修改造内容 AASHTO试验路是在特定的一个地点铺筑的 预测气候条件对路面使用性能的影响是困难的 AASHTO试验路是在一种相同的路基条件下铺筑的 很难预测路基情况对路面使用性能的影响 AASHTO试验路的基层材料基本上都是粒料基层 所以指南没有包括其他基层 AASHTO设计指南存在问题 AASHTO试验路试验用的车辆是20世纪50年代后期的车辆 与现在情况相比 在轴重 轴的形式 轮胎尺寸和花纹等方面都显得太陈旧了 路面结构设计方法 路面材料 施工方法都代表当时的水平 已经显得落后了 例如试验路没有完善的排水设施 AASHTO试验路只进行了两年 设计指南关于设计寿命的计算也是推算得到的 没有考虑路面受气候影响发生老化的情况 AASHTO设计指南存在问题 当时试验路使用的车辆轴载与现在的车辆有很大不同 道路试验时使用这种汽车行驶了一百万次 仅相当于现在一年左右交通量的作用 现在使用的设计方法的基础是由当时试验数据回归分析得到的计算式 利用这些公式预测现在的交通量的作用 只能是对回归分析的结果外延 其结果很可能是设计不足或者设计过分 AASHTO设计指南存在问题 当时的设计方法是把路面的使用性能建立在与路面厚度的关系上 可是有许多路面损坏并不能简单地归结为厚度问题 例如车辙 低温开裂等 经常是需要维修的原因 AASHTO试验路设计方法的核心是以路面使用性能作为基础 而路面使用性能将舒适性列为首要因素 实际上路面维修并不都是行车舒适性不足引起的 还有其他诸多路面损坏情况 AASHTO 200 x修订版 的修订要点 对沥青路面 水泥混凝土路面 复合路面提供一个通用的设计方法 反映了交通 气候环境 路基 可靠性的共同的设计要求 适用于新建和重建路面的结构设计 设计项目包括计算路面结构各层的厚度 重建的方法 地下排水设施 路基改善等等 将使用周期效益成本分析的方法作为该设计方法的一个子程序 AASHTO 2002修订版 的内容 以力学 经验设计为基础 提供能够模拟各地不同设计条件的路面结构设计方法 提供给设计人员一系列方便实用的计算机软件及相关的资料 提供为掌握设计指南及计算机软件的培训计划和教材 提供新设计指南推广应用的战略措施 AASHTO力学 经验设计方法流程图 1 输入参数 交通量 考虑了各类货车的轴载类型和出现频率及其交通量的增长率 材料 实测或按经验公式得到沥青混合料的动弹模及无结合料基层与路基的弹性模量 气候 路面处于不同气候条件 温度 湿度 荷载对路面造成的损伤是不相同的 其破坏程度按Miner累计损伤原理计算 AASHT0200X版设计方法 例如疲劳损伤 式中 k 不同水平的荷载i 时间 季节 ni 第k级荷载在i季节段作用的累计次数 在i季节段 按疲劳公式计算所得结构层所能承受的最大疲劳作用次数 路基 Mr 有效路基土回弹模量 2 损坏预估模型损坏类型 永久变形 车辙 疲劳开裂 温度开裂 平整度 1 永久变形 车辙 预测模型路面总车辙量PD PDAC PDGB PDSG沥青层车辙计算模型 式中 回弹应变T 温度 F 累计塑性应变N 荷载作用次数 K1 考虑沥青层总厚度ha与计算点深度z的系数 粒料层或路基车辙模型 式中 粒料层或路基在标准轴载作用下 N次后的塑性变形 in N 荷载重复作用次数 z 实验室的回弹应变h 层厚 in 由力学模型得到的平均竖向回弹应变 材料属性参数UB 修正系数 粒料层2 0 路基8 2 疲劳开裂预测模型沥青混合料疲劳方程 式中 C 沥青体积率Vb和空隙率Va的系数 C 10M M 4 84 E 沥青混合料的动弹模 MPA 沥青层底的弯拉应变K1 开裂形式的修正系数自下而上开裂 Buttou UpCrack 沥青层厚度 自上而下开裂 Top DownCrack 3 温度开裂预测模型温度开裂预估模型建立分五步进行 沥青混合料性能试验 蠕变柔度通用曲线及 10 间接拉伸强度 计算降温过程中沥青层内不同时刻 不同位置的温度应力计算裂缝尖端应力强度因子应用断裂力学Paris定律建立裂缝扩度模型开裂量预估模型通过野外标定得到温度裂缝数量与开裂量之间的关系 4 平整度 IRI 预测模型路面平整度很大程度上受车辙 车辙深度和疲劳开裂的影响 其它一些破坏 例如坑洞 网裂 纵向裂缝等对平整度也都有影响 预测平整度 IRI 的模型按不同类型基层而不一样 例如 沥青稳定基层IRI IRI0 0 0099947 Age 0 00051 FI 0 00235 FC T 18 36 0 9694 p H 式中 IRI0 初始IRI m km Age 使用年限 年 FI 年冰冻指数平均值 day FC T 轮迹处的疲劳裂缝数量 占整个车道的百分数 TCs H 高严重度的横向裂缝的平均间距 m P H 高严重度的坑洞的面积 占整个车道的百分数 Shell 壳牌 设计方法 Shell石油公司提出的一套沥青路面的设计方法 路面结构分三层 路基 基层和沥青层 设计寿命 标准轴载 单轴双轮 压应力接地半径 在设计年限内的累计使用次数 设计标准 沥青层底面的容许拉应变 控制路面开裂 路基顶面的容许压应变 控制路面的车辙 应满足路面设计寿命的要求 Shell 壳牌 设计方法 Shell方法设计步骤 1 初拟沥青层厚度2 由月平均气温 MMAT 计算加权年平均气温 W MAAT 3 确定路面的设计寿命4 确定沥青的劲度5 确定沥青混合料的劲度 Shell 壳牌 设计方法 6 确定路基及基层动态模量7 确定路面结构模型8 BISAR程序计算路面应变及寿命9 根据设计寿命确定路面结构层厚度10 沥青层车辙深度的预测 Shell 壳牌 设计方法 一 初拟沥青层的厚度通常初拟沥青层厚度为0 05 0 6m二 确定月平均气温 MMAT 加权年平均气温 W MAAT 及沥青混合料的有效温度 Tmix MMAT很容易从气象资料中找到 根据每个月的MMAT查 温度加权系数曲线 得到加权系数根据12个月的平均加权系数再查 温度加权系数曲线 得加权年平均气温 W MAAT Shell 壳牌 设计方法 根据加权年平均气温 W MAAT 及沥青层厚度查 W MAAT同沥青混合料有效温度 Tmix 诺模图 得到沥青混合料的有效温度Tmix 三 确定路面的设计寿命每天每车道各轴载组的轴次换算为标准轴载的换算系数按下式计算 继而计算每个车道在设计年限内标准轴载的累计使用次数 路面的设计寿命 Shell 壳牌 设计方法 四 沥青劲度模量Sbit按照 VanderPoel诺模图 确定沥青的劲度模量Sbit查阅参数1 沥青的温度 即沥青混合料的有效温度Tmix2 软化点温度TR反映车辆的行驶速度 Shell 壳牌 设计方法 五 沥青混合料的劲度模量Smix沥青混合料的劲度模量Smix与沥青的劲度模量Sbit及混合料的体积组成 结合料的体积比Vbit与矿料体积比Vagg 有关 根据沥青劲度模量Sbit 结合料的体积比Vbit及矿料体积比Vagg查 沥青混合料劲度模量Smix诺 得到沥青混合料的劲度模量Smix Shell 壳牌 设计方法 六 确定路基 基层的动态模量路基的动态模量E3可通过现场动态弯沉 FWD 测定 也可以根据CBR 承载板试验的回弹模量查 路基及无机结合料层动态模量诺模图 确定基层 底基层的动态模量E2可根据路基的动态模量E3 无机结合料层的总厚度h2按下列经验公式确定 2 k 4 Shell 壳牌 设计方法 七 确定路面结构模型1 路面结构模型为弹性三层体系 沥青层 无机结合料基层及路基 2 计算标准轴载作用下 沥青层底部和路基顶部的轮中心下和轮隙中心下的应力 应变值 Shell 壳牌 设计方法 八 BISAR程序计算路面应变及寿命BISAR程序可以计算上述路面结构模型在标准轴载作用下 沥青层底部和路基顶面的轮中心下及轮隙中心下的应变值 fat sub 1 沥青层的应变与疲劳寿命Shall为可采用下列关系式 并给出相应的 疲劳诺模图 Shell 壳牌 设计方法 其中 沥青的体积比 沥青混合料的劲度 疲劳损坏时 疲劳应变的作用次数根据本式或疲劳诺模图 Shell 壳牌 设计方法 2 路基的应变及路面寿命在标准轴载作用下 路基容许压变 sub与荷载重复作用次数N的关系 根据AASHO的实验结果获得 当PSI降到2 5时上述关系来自现场实测 因此车辆横向分布影响已考虑 Shell 壳牌 设计方法 九 根据计算寿命确定路面结构层厚度BISAR程序会根据初拟路面结构及厚度 计算路基及沥青层的应变 并换算成路面寿命 同设计寿命相比较 误差小于5 初拟厚度即为结构层设计厚度 否则 程序会自动变更厚度 再次计算 直至满足要求为止 Shell 壳牌 设计方法 十 沥青层车辙深度预测1 沥青层亚层划分 一般将沥青层划分为三亚层 按照沥青层的实际组合划分亚层2 沥青的有效粘度 根据月平均气温MMAT 沥青亚层厚度查 沥青层的月有效温度或年有效温度同MMAT或W MAAT的关系诺模图 求沥青亚层月有效温度 Tmeff 1 i Shell 壳牌 设计方法 查VanDerPoel诺模图 得到沥青劲度Sbit并根据牛顿定律 得到该亚层沥青的月有效粘度 VISCmeff 1 i 通过取12个月沥青有效粘度的倒数的平均值 便可得到该亚层的年沥青