多指标沥青路面设计PPT课件

.,多指标沥青路面结构设计方法研究成果介绍2012.5,.,1.技术方案2.路面结构层组合方案和损坏类型3.使用性能标准、设计寿命和设计可靠度4.交通荷载作用5.环境因素影响6.材料性质参数7.路面结构使用性能8.各类路面结构使用性能分析9.结论、创新点、今后研究,.,1.技术方案,（1）遵循力学-经验法（2）多个单项设计指标控制对应的路面损坏（3）损坏模型建立以室内试验为主，现场试验和性能观测数据标定（4）当量损伤法计量交通荷载的累积损伤（5）材料力学性质指标和试验方法（6）参数确定分三个层次（7）以弹性层状体系解分析力学响应,.,2.路面结构层组合方案和损坏类型,2.1路面结构层面层表面功能为主基层承载为主底基层基层与路基间的过渡特定功能层排水层、应力吸收层、夹层、封层、隔离层等2.2结构层材料沥青结合料类无机结合料类无结合料类,.,2.3结构层组合方案无机结合料类基层沥青路面沥青结合料类基层沥青路面无结合料（粒料）类基层沥青路面复合式沥青路面,.,无机结合料类基层沥青路面组合方案,.,沥青结合料类基层沥青路面组合方案,.,粒料类基层沥青路面组合方案,.,复合式沥青路面结构层组合方案,.,2.4损坏类型沥青结合料类结构层的疲劳开裂无机结合料类结构层的疲劳开裂沥青面层的永久变形粒料层和路基的永久变形沥青面层的低温缩裂沥青层的反射裂缝,.,损坏类型,.,3.使用性能标准、设计寿命和设计可靠度,3.1使用性能标准沥青层疲劳轮迹带开裂率10%（试验路）裂缝密度1.0m/m2（加速加载试验）无机结合料层疲劳试件断裂、裂缝向层顶扩展,.,路表永久变形（车辙）量：1025mm高速和一级公路：1015mm二级公路：1520mm三级和四级公路：2025mm永久变形量各层比例（非无机结合料类基层）,.,低温缩裂,设计标准,分级,.,3.2设计寿命和设计分析期设计年限现行规范规定不反映交通荷载繁重程度，实际使用年限偏离设计年限不明确损坏类型及结构层次未结合设计思想设计寿命设计轴载累计轴次年平均日货车交通量,.,设计分析期是对各路面结构设计方案分析评价采用的时间段。设计分析期应至少包含一次或一次以上的路面改建活动。设计寿命为10年及以上的路面，分析期一般取为3040年，长寿命路面的分析期可取为50年。,设计分析期,.,3.3设计可靠度,概念设计使用性能满足预定使用性能标准的概率各类损坏的设计可靠度=损坏预估的均值+s,结构损坏设计可靠度沥青层疲劳开裂、无机结合料层疲劳开裂、路基永久变形,.,3.4路面结构使用性能评定,.,4.交通荷载作用,0.50.6,4.1交通参数,方向系数,车道分布系数（货车交通）,.,横向分布系数,4.2轴重参数,.,车辆分类,.,.,公路货车交通分类（TTC）,.,轴数系数,.,4.3设计轴重规范轴重现行规范:单轴-双轮100kN单轴修改方案:,（1）路上行驶的主要重型车的轴重作为设计轴重；（2）按行驶车辆的轴型和轴载谱，计算分析与其疲劳损伤当量的轴重作为设计轴重；等等。,.,轴重当量换算,式中：i、s轴载Pi和设计轴载Ps所产生的应力或应变变量，如沥青层底面拉应变、无机结合料结构层底面拉应力、路基顶面压应变等；b各类损坏预估模型中应力或应变变量项的乘幂数，对沥青层疲劳，b=3.97，对水泥稳定碎石层疲劳，b=12，对路基顶面压应变时，b=4.30等；a1轮组系数，与轮组类型和结构层厚度有关的参数；a2轴型系数，与轴型和结构层厚度有关的参数。,.,.,路基湿度指标饱和度,采用稠度表征路基的湿度，无法反映非粘性土的湿度状态，单以含水率表征湿度，也无法准确反映它对回弹模量的影响，因为含水率变化会同时引起土密实度发生变化，而后者也是影响回弹模量的一项主要因素。土的饱和度反映了含水率及密实度的影响。饱和度按下式确定：,或,式中：S饱和度（%）；wv体积含水率（%）；w质量含水率（%）；s、w土的干密度和水的密度（g/cm3）Gs土的相对密度。,5.环境因素影响,5.1路基湿度与基质吸力,或,.,土水特性曲线非饱和土的基质吸力与含水率关系试验曲线(1)塑性指数PI大于0的塑性土采用指标：0.075筛通过率P0.075和塑性指数PI乘积wPI(2)塑性指数PI等零的非塑性土采用指标：通过率60对应的土颗粒直径D60,土的基质吸力路基湿度决定于土吸持水分的能力，归之于土颗粒的分子引力作用和孔隙的毛细管力作用，即土的基质吸力。,.,5.2路基湿度类型,平衡湿度状态,.,路基湿度类型潮湿类：地下水位控制干燥类：气候因素控制中湿类：兼有二者影响,.,5.3潮湿类路基行车道下路基含水率沿深度变化（例：沪宁路）,.,基质吸力与地下水位路基土基质吸力hm与地下水位y之间关系,.,土-水特性曲线Fredlund&Xing模型粤、苏、豫、冀、渝12个路段土样标定,.,平衡湿度由地下水位高度土的基质吸力土-水特性曲线饱和度和含水率各类土距地下水位不同距离处的平衡湿度（%）,.,5.4干燥类路基湿度指数（TMI）气候因素指标式中：Ryy年的水径流量（cm）；DFyy年的水不足量(cm)；PEyy年的潜在蒸散量(cm)。TMI计算以年为周期，逐月计算累加得到。各月降水量减去蒸散量为正时，多余水被土层存储。当蒸散量大于降水量时，缺少的水从土层储存水中提取出，其余量即为土层的含水率；当土层内储水量不能满足提取数量要求时，不满足部分即为不足量DF。,.,400个气象站降水量与蒸发量资料计算分析各公路自然区划的TMI值,.,土基质吸力与湿度指数TMI关系粤、苏、豫、冀、渝12个路段土样和TMI值与Perera44个数据，标定曲线；川、渝疆12个路段验证,.,土基质吸力与湿度指数TMI关系式式中：、模型回归系数，与土的性质有关。,.,TMI与土基质吸力,.,干燥类路基的平衡湿度由TMI值和土参数土的基质吸力土-水特性曲线饱和度和含水率各类土在不同TMI值时的平衡湿度(%),.,5.5中湿类路基,.,6.环境因素影响6.1沥青路面温度,路面温度观测站结构与数据信息,6.1.1沥青路面温度场及温度特征值,温度场观测,.,温度观测站的路面结构与温度传感器埋设示意图,.,路面结构的日温度极值的理论-经验模型路表日最高温度,路面温度特征值,路表日最高温度实测值与估算值,.,路表日最低温度,路表日最低温度实测值与估算值,.,路表温度日变化规律,路表温度日变化采用二阶段法拟合。白天升温过程及高温区段采用余弦函数，降温过程采用负指数函数表征。,路表温度日变化拟合示意图,.,多云天气修正修正后的路表日最高温度,的计算式为：,多云天气修正系数可用日照率S来表达：,式中：S为日照率：,式中：tsun为实际日照时间，h；td为日长，h.,.,与路表温度日变化规律类似，不同深度处的路面温度日变化T(t,z)也可用二阶段模型拟合。但路面结构的日最低温度出现时刻tl、日最高温度出现时刻th，二阶段分界时刻tc均比路表温度的ts.l、ts.h、ts.c延后，可近似表示为：,不同深度处的路面温度日变化规律,式中：t(z)为理论滞后时间。,.,路面温度日变化拟合图(宁波站，沥青路面，2009-7-17),晴天时沥青路面结构各深度处的实测温度与拟合曲线,.,沥青层平均温度和温度梯度分布频谱,沥青面层厚度h,时刻t沿厚度方向的平均温度,沥青面层内的温度梯度,.,详细分析98个地区的沥青路表年均温与当地众多气象年均参数之间关系发现，沥青路表年均温Ts与月平均气温的年极差及一些气象参数之间具有良好地相关关系，在已知太阳辐射量情况下，路表年均温Ts与温度年标准差Ts可表示为：式中：Ta年均气温，C；Ta月平均气温的年极差，；年平均日太阳辐射量，kJ/m2/d.,.,依据一维热传导偏微分方程和路表热流函数，采用有限差分法求解沥青路面的温度场，建立沥青层表面日最高温度和日最低温度估算模型，用于估计沥青层不同深度的温度特征值。模型估算值与大同、宁波和广州三地温度观测站的实测值相对比，二者具有较好的一致性，其偏差的平均值和标准差相应为0.4和3.3。对沥青层表面和不同深度的温度日变化规律进行了拟合。在此基础上，利用全国各地98个有日辐射观测资料的气象站的气象资料，计算各地不同厚度沥青层（6、12、18、24cm）的平均温度和温度梯度，并给出了全国95个地区相应的分布频谱表。,.,沥青路面温度分布频谱的计算步骤：（1）根据气温、太阳辐射、湿度、风速，求路表日最高温度Ts.h，路表日最低温度Ts.l（2）对多云天气的路表日最高温度进行修正；（3）求不同深度z处的路面日最高温度和日最低温度。（4）求任一时刻的路表温度，及任一时刻不同深度z处的路面温度；（5）求出给定沥青面层厚度(分四档00.06，00.12，00.18，00.24m)条件下，任一时刻的沥青层平均温度和温度梯度；（6）计算给定沥青面层厚度温度和温度梯度分布频谱表。,.,全国沥青路表温度年均值等值线图C,.,沥青混合料模量具有强烈温度依赖性。沥青层的使用性能和使用寿命也与温度状况密切相关。现行规范统一采用20C（计算弯沉时）和15C（验算弯拉应力时）。在结构设计方法中，对于温度影响的考虑可采用增量损伤法，或当量损伤法。增量损伤法美国力学经验法路面设计指南采用，在其系统软件内包含全国近800个气象站的有关数据。当量损伤法需要选择典型状况和条件事先进行大量运算分析，提出相应的温度当量系数。该方法可减轻设计人员的资料收集和运算工作，并与轴载当量系数的考虑方法相对应。,6.1.2温度当量换算系数温度当量系数,.,参照温度主要用作沥青混合料性质测试时的标准试验温度，或者在结构分析时用于选取与该温度相对应的沥青混合料性质参数值。对于我国情况，疲劳分析时可选用20C，永久变形分析时可选用35C。按照沥青路面结构设计指标，分别有相应当量损伤的温度当量系数。,TEFi=Ns/Ni,温度当量系数的定义，某时刻i温度Ti的设计轴载作用次数Ni，按损伤相当的原则转换成某参照温度Ts的设计轴载作用次数Ns的乘数，即为:,.,温度当量系数的具体分析步骤（以沥青结合料类结构层疲劳开裂指标为例）：（1）分析时，假设轴载随时间为均匀分布。（2）按所在地区和沥青层厚度，选取相应的沥青层平均温度和温度梯度分布频谱表。将沥青层分为若干个亚层。由频谱表确定各个频段每个亚层的温度。（3）利用沥青混合料动态模量与温度的经验关系式，由不同时段各亚层的温度值得到相应的动态模量值。然后应用弹性层状体系程序，依据动态模量值计算得到沥青层底面的拉应变值。再利用沥青层疲劳寿命预估模型，由层底拉应变和动态模量值计算得到各个频段的疲劳寿命Nti，并算出对应的疲劳损伤率Dti=1/Nti。（4）累计各个频段的疲劳损伤率得到平均损伤率Dt，并进而得到平均疲劳作用次数Nt=1/Dt。（5）计算沥青层平均温度（参照温度）20C时，相应的沥青混合料动态模量、层底拉应变和疲劳寿命，得到参照温度下的总疲劳作用次数Nts。（6）二者相比，即得到温度当量系数kt=Nts/Nt。（7）按参照温度20C计算得到的疲劳寿命，乘以与设计路面所在地相应的温度当量系数，即可得到该地设计路面结构的疲劳寿命Nf。对于其它几项设计指标，也采用相似的分析步骤，只是将沥青层层底拉应变改为其他设计指标。,.,依据损伤等效原则，推演出三种情况下的沥青层等效温度计算式，并按全国95个地区的沥青层温度分布频谱提出相应的沥青层等效温度。后图为标准工作状态下沥青层疲劳、永久变形及无机结合料稳定层疲劳等效温度全国等值线图。,路面等效温度沥青层疲劳等效温度无机结合料稳定层疲劳等效温度沥青层永久变形等效温度,.,等效温度等值线图标准状态下沥青路面各种损坏标准等效温度全国等值线图标准状态路面结构及材料参数：面层厚度h取0.18m20的面层与地基的模量比20取40沥青混合料的热敏系数取0.02,.,沥青面层疲劳（应变控制）等效温度全国等值线图,.,沥青面层疲劳（应力控制）等效温度全国等值线图,.,无机结合料稳定层疲劳等效温度全国等值线图,.,沥青层永久变形等效温度全国等值线图,.,TCF=（TEFipi）,沥青层疲劳损坏温度当量系数TCF,沥青路面损坏温度当量系数可表示为温度当量系数TEFi与温度频率pi的乘积：,沥青路面疲劳温度当量系数,当已知面层疲劳等效温度Tpef时，可通过参数来综合考虑设计年限内路面温度分布对面层疲劳寿命的影响。通过计算分析得到路面不同损坏的温度当量系数等值线图，如后图。,.,沥青路面损坏温度当量系数等值线标准状态沥青路面各种损坏的温度当量系数等值线如后图。非标准状标准状态路面结构及材料应进行修正沥青层疲劳温度当量系数全国等值线无机结合料稳定层疲劳温度当量系数全国等值线沥青层永久变形温度当量系数全国等值线,.,沥青层疲劳（应变控制）温度当量系数全国等值线图,.,沥青层疲劳（应力控制）温度当量系数全国等值线图,.,无机结合料稳定层疲劳温度当量系数全国等值线图,.,沥青层永久变形温度当量系数全国等值线图,.,6.2材料性质参数,6.2.1沥青混合料动态模量周期加载单轴压缩动态模量标准试验方法试件为直径100mm、高150mm的圆柱体，由旋转压实仪成型直径150mm、高170mm试件中钻取芯样得到频率25、10、5、1、0.5、0.1Hz温度10、5、20、35、50C简化方法:频率10、5、1、0.1Hz,温度5、20、35C通过沿圆周等间距安放在试件中部的3个位移传感器，量测荷载作用下的轴向变形。计算轴向应力幅值和可恢复轴向应变幅值，由二者之比计算得到压缩动态模量，并按最后5次加载循环中变形峰值与荷载峰值的平均滞后时间和平均加载时间之比计算相位角。试验结果首先整理成等温度动态模量曲线，随后以参照温度为20C将各条等温度曲线平移后得到主曲线。,.,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,.,动态模量预估模型（共6个）,.,常用沥青混合料动态模量参考值标准条件（20C，10Hz）AC、AK、SMA沥青混合料（-10、-16、-25）AH-70、-90、-110沥青含量4%、5%、6%空隙率3%、4%、5%、6%、7%AC-16动态模量参考值(MPa),.,沥青碎石动态模量参考值,.,6.2.2无机结合料类材料弹性模量和强度,特点数值变化范围很大，由接近于水泥混凝土到接近于粒料集料粒径较大的混合料，试件成型较困难，试件的均质性较差，使其试验测定值的变异性很大；现场材料来源和质量以及施工工艺和控制水平的差异很大，使结构层混合料性质的变异性很大，并且与室内测定结果的差别也很大；环境因素（温度和湿度）的影响（收缩裂隙或裂缝），使结构层与试件的力学性质和参数值有较大的差异。,.,测试方法压缩、弯拉、直接拉伸、间接拉伸单调、反复、周期加载顶底面法和中间段法应变量测,.,由测试结果得到：（1）周期加载压缩弹性模量与单调加载压缩弹性模量测定值相近。（2）弯拉弹性模量值与压缩弹性模量值相近。可以采用操作较简便且精度较有保证的单调加载压缩试验测定无机结合料类材料的弹性模量。,各种方法比较,.,顶底面法与侧面法比较,采用顶底面法量测试件压缩变形，两端端面有摩阻约束影响，国外的试验规程中已摒弃这种方法。顶底面法和中间段法的对比测试结果相差一个数量级。采用直径与高度比为1：2的试件，在其中间段量测压缩应变，消除端面摩阻的影响，得到真实应力-应变关系的压缩弹性模量。,单调加载压缩试验（中间段应变、0.3Pmax）,.,试件模量与结构层模量比较结构层模量为试件模量的0.58（稳定碎石）和0.71倍（稳定土）,.,抗压强度与弯拉强度关系弯拉强度约为抗压强度的20%,.,弯拉强度与弯拉模量关系,.,无机结合料类材料弹性模量参考值,弹性模量参考值（MPa）,.,6.3路基和粒料层回弹模量试验测试反复加载三轴压缩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）加载序列回弹模量本构模型（三参数）,.,回弹模量标定测试12种土、3种含水量、2种压实度补充国外各类土的测试数据,.,物性参数经验模型土粒料,.,当量回弹模量弯沉等效原则模量当量的应力水平当量应力水平粒料类基层和底基层按层位和交通荷载等级取用沥青和无机类基层下底基层体应力72kPa，八面体剪应力12kPa路基体应力70kPa，八面体剪应力13kPa,.,回弹模量参考值标准条件（最佳含水率、95%压实度）粒料层回弹模量（MPa）,.,路基回弹模量（MPa）,.,路基回弹模量湿度调整系数a=log（MR/MRopt）最小值，b=log（MR/MRopt）最大值12个路段土样，不同含水量和压实度的模量测试，标定参数a=0.6563，b=0.2548，km=6.4604,.,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,.,7路面结构使用性能7.1沥青层疲劳开裂,室内疲劳试验,常应变疲劳试验（薄，618组）常应力疲劳试验（厚，108组）,.,综合疲劳方程,.,标定与验证北京，ALF加速加载试验3个路段加州大学路面研究中心UCPRC，HVS重车模拟6个路段内华达州西部环道Westrack,8个路段密尼苏达州环道MnRoad,10个路段阿拉巴马州沥青技术全国研究中心NCAT，3个路段验证后疲劳方程平均偏差0.191，优于AI（0.275）、MEPDG（0.273）,.,北京ALF验证试验,.,压缩动态模量疲劳方程模量转换,疲劳方程,.,室内疲劳试验与开裂模型,7.2无机结合料层疲劳开裂,.,水泥稳定类疲劳方程二灰稳定类疲劳方程无机结合料类综合疲劳方程,.,无机结合料层疲劳曲线,二灰碎石,.,无机结合料综合,.,结构层修正室内试验以试件断裂作为疲劳寿命的标准，结构层在层底出现疲劳开裂后还能经受住一定数量的荷载反复作用。结构层的疲劳寿命要比试件的大。修正系数如下式：式中：h为结构层厚度（mm）,.,沥青低温性能评价指标低温延度、低温针入度、当量脆点低温蠕变劲度（弯曲梁流变BBR）（路面最低温度+10C）S0.35断裂应变（直接拉伸DT）（路面最低温度+10C）1%临界开裂温度低于路面最低温度,7.3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,.,验证路段沥青面层低温开裂量观测与预估,.,沥青层低温开裂量预估式中：I裂缝指数，ha层厚，a路龄，S劲度，J路基类型，T温度,.,7.4沥青层永久变形,机理固结变形、剪切变形抗剪切变形性能（沥青混合料）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）三轴反复加载蠕变试验（流动数）定高度反复加载单剪试验（G*，）轮辙仪试验（动稳定度）车辙控制（路面）永久变形量预估混合料控制指标,.,轮辙试验方法指标相对辙深（轮辙深/试件厚），%蠕变率（蠕变速率的倒数），次/mm试验时间1小时，4560min时段的曲线斜率试验温度60C轮载接触压力0.7MPa空隙率7%1%（密级配），5.5%0.5%（SMA）设计空隙率1%,.,轮辙变形预估模型轮辙深度模型式中：rd-辙深，T-温度，p-压力，N-次数，v-空隙率，k1-修正系数参数标定试验3种普通混合料，4种改性混合料，3种轮压，24C70C，空隙率3.8%7.5%，596个样本,.,轮辙深度实测值与预估值,.,ALF验证试验,.,ALF验证试验,.,轮辙量模型向车辙量模型转换MEPDG永久变形模型（3476个试件，经28个州88LTPP路段387组数据验证）AC-16、AC-20普通，AC-13、AC-20改性，5、10、18cm厚沥青层，22种路面结构，15、20、25、30、35，100kN：200万、500万、1000万、1200万轴次，共200个工况的沥青层永久变形量4种相同混合料的轮辙仪试验，得到相应的轮辙量,.,车辙量模型标定模型的系数,.,车辙量模型,.,车辙量模型验证北京ALF试验段（预估值略低于实测，误差10%左右）江苏省0204年通车的10条高速公路92个路段5年以上的车辙量数据（598个），N项的指数（0.479）取值较为合理05年东南大学环道试验6种不同材料路面结构的车辙量数据,.,沥青层容许永久变形量（mm）,.,沥青混合料蠕变率控制标准沥青层容许永久变形量不同地区（沥青层有效温度）、不同交通荷载等级（设计轴载作用次数）和不同沥青层厚度条件下，沥青混合料在标准轮辙试验条件下的轮辙量要求由轮辙量与蠕变率关系得到蠕变率要求,.,轮辙深度与蠕变率,.,沥青混合料蠕变率技术要求（次/mm）低限600次/mm，高限9000次/mm,.,沥青混合料的蠕变率分布范围普通（6200）,.,不同反复偏应力作用下的永久应变累积,.,不同主应力比永久应变累积2种级配碎石，围压应力（30、50和70kPa）,.,永久应变速率-次数曲线,.,塑性安定区以110-8/次为标准，判断粒料处于A区时的应力水平上限值,依据安定理论概念，控制住传到粒料层或路基的应力或应变水平，使它产生的永久变形累积可以最终趋近于平衡（稳定）状态，便可以相应地控制住粒料层或路基的永久变形量，使路面结构不会产生由于粒料层或路基的过量永久变形而引起的损坏。,.,粒料层应力水平与设计轴次关系式粒料层容许永久变形6mm（应变0.03）,.,路基顶面压应变控制依据安定理论AASHO试验路195个路面结构PSI=2.5,7.5路基永久变形,.,路基顶面容许压应变模型,