《公路沥青路面设计规范》(JTG D50-2017)宣贯

.,公路沥青路面设计规范（JTGD50-2017）宣贯用,张起森教授长沙理工大学,.,目录,五、材料性质要求和设计参数,一、术语,.,一、术语解释（2.1.112.1.17）,.,2.1.11结构的设计期（设计基准期）在预计的累计当量轴次和环境条件作用下，路面不发生结构性破坏的时间长度。与工程结构可靠度设计中的“设计基准期”同,2.1.13轴载谱各种车辆不同轴重的分布概率图。正态分布，对数正态分布。,2.1.14当量轴次分别按不同的破坏指标（五个指标），按当量损坏原则（mimer假定）将不同轴载的作用次数换算为设计轴载（100kN）的当量作用次数。,.,2.1.15累计当量轴次概念与老规范同，但这里指客车和货车的交通量（指2类11类车型）。不考虑轻型车的作用。,2.1.16路基平衡湿度公路通车后，路基湿度在地下水、大气降雨与蒸发等因素作用下达到平衡状态，湿度相对稳定，此时的路基湿度定义为路基平衡湿度。,2.1.17裂缝指数表征横向裂缝密集程度的指标，反映沥青层低温开裂程度。（DTT直接拉伸试验）,.,二、符号说明（15个符号）,.,沥青混合料的抗剪强度，分析沥青层永久变形，用贯入法测定。,目标可靠度指标，反映结构可靠性的大小。,标准差，又称均方差.,.,动态剪切流变仪,动态剪切系数模量，采用动态剪切流变仪（DSR），60，10rad/s（约为1.59HZ），试验确定，,.,沥青劲度模量，采用弯曲量流变仪（BBR）,10，加载180秒确定的劲度模量值（MPa）.,弯曲梁流变仪,.,三、设计标准,.,3.0.1目标可靠度和可靠度指标,3.0.2路面结构设计使用年限表3.0.2路面结构设计使用年限（年）,3.0.3设计轴重100kN，单轴，双轮组（与老规范同），技术参数表3.0.3设计轴承的参数,表3.0.1目标可靠度和目标可靠度指标,.,3.0.4设计交通荷载等级,累计轴重为大型客车和货车交通量（2类11类车）增加了“极重”等级，50106辆，分为五级（老规范四级）,表3.0.4设计交通荷载等级,.,沥青层疲劳开裂；无机结合料层疲劳开裂；沥青层永久变形；路基顶面层竖向压应变；路面表面低温开裂（季节性冰冻地区）,3.0.5沥青路面设计控制指标五个，取消了表面弯沉指标,五个指标：,.,3.0.6设计指标应满足（验算指标）,1.按本规范附录B.1和B.2计算的沥青层和无机结合料层的疲劳开裂寿命（次），容许的均应大于附录A确定的设计年限内当量轴载累计作用次数；,2.按附录B3计算的沥青永久变形量，应小于表3.0.6-1容许的变形量值；,表3.0.6-1沥青混合料层容许永久变形量（mm）,.,3.路基顶面竖向压应变应小于附录B4的容许值；,4.按照附录B5计算的沥青面层低温开裂指数不大于表3.0.6-2；,3.0.7对于高速公路、一级公路等提出抗滑技术指标横向力系数SFC60，测试标准车60km/h；TD铺砂法构造深度（mm），与旧规范一样,表3.0.6-2低温开裂指数要求,.,四、结构组合设计,.,4.4.5基层和底基层厚度，突出了集料公称最大粒径的关系4.5.2面层材料类型适用的交通荷载等级与层位，表4.5.2。表4.5.2面层材料的交通荷载等级和层位,.,4.5.4不同粒径的沥青厚度符合表4.5.4的规定,连续级配沥青混合料和沥青玛蹄脂碎石混合料(SMA)的结构层小厚度不宜小于集料公称最大粒径的2.5倍；开级配沥青混合料厚度不宜小于集料公称最大粒径的2.0倍。,表4.5.4不同粒径沥青混合料的最小层厚（mm）,.,4.6功能层：粘层、封层、透层、隔离层、防水（排水）层、防裂层、取消了老规范中的垫层！,编制中表面，表4-1，列出了沥青路面主要损坏类型。,.,五、材料性质要求和设计参数,.,Yourtext,urtext,ourtext,利用已有经验关系式确定,参照典型数值确定,通过室内试验实测确定,水平一,水平二,水平三,5.1.3路面结构层材料设计参数的确定可分为3个水平（准）：,高速公路和一级公路的施工图设计阶段宜用水平一；其他设计阶段使用二级和二级以下。,.,5.2.2路基顶面回弹模量（MPa）,路基平衡湿度状态，并考虑干湿与冻融循环作用后的模量值，这个值比现有采用的2540MPa大了许多。,5.3粒料类材料,粒料类在最佳含水率与压实要求的干密度条件下，试验水平1按附录D采用重复加载三轴压缩试验测定，取其均值。在进行结构验算时，比值还应乘以湿度调整系数1.62.0。,表5.2.2路基顶面回弹模量（MPa）,.,在水平三，可取表5.3.8的值,表5.3.8粒料回弹模量取值范围（MPa）,注：材料性能好、级配好或压实度大时取最高值，反之取低值。,.,5.4无机结合料稳定材料,5.4.15.4.3对于无机结合料类材料的集料最大粒径、水泥剂量，贫混凝土等做了相关规定，表5.4.4给出了无机结合料材料7d无侧限抗压强度标准（代表值）可供参考。表5.4.4无机结合料稳定类材料7d无侧限抗压强度标准（代表值）（MPa）,.,注：a在低塑性土（塑性指数小于7）地区，石灰稳定砂砾和碎石的7d龄期无侧限抗压强度应大于0.5MPa（100g平衡锥测液限）b低限用于塑性指数小于7的黏土，高限用于塑性指数大于或等于7的黏土,续表5.4.4,.,5.4.5对无机结合料稳定类材料弯拉强度和弹性模量按三个水平作出了规定。,1.水平一，按附录E，采用中段法单轴压缩试验测定，水泥稳定类，水泥粉煤灰类龄期90d，石灰类180d。弯拉强度和弹性模量取测试值的均值。,2.水平三，参照表5.4.5确定。表5.4.5无机结合料稳定类材料的弯拉强度和弹性模量取值范围（MPa）,结构验算时，无机结合料的弹性模量应乘以结构层模量调整系数0.5。,.,5.5沥青混合料类材料,5.5.15.5.4为一般规定,5.5.5季节性冰冻地区高速公路和一级公路表面层沥青低温性能应满足下列指标要求：1.连续10年最低气温平均值作为路面低温设计温度，低温设计温度提高10的试验条件下，弯曲梁流变（BBR）试验蠕变劲度St300MPa，蠕变曲线斜率m0.3,.,.,2.当蠕变劲度S在300600MPa之间，且m0.3，增加沥青直接拉伸试验（DTT），其断裂应变不宜小于1%（10000）,直接拉伸试验（DTT）,3.以上都不满足时，由沥青弯曲梁流变试验和直接拉伸试验确定的沥青临界开裂温度。,.,5.5.6给出了沥青混合料低温弯曲试验破坏应变要求。,表5.5.6沥青混合料低温弯曲试验破坏应变技术要求,.,5.5.7沥青混合料车辙动稳定度要求变化不大（表5.5.7）。,5.5.8用单轴贯入试验方法测定沥青混合料贯入强度（附录F）无机结合料基层沥青路面、底基层采用无机结合料基层用沥青类材料的沥青路面，水泥混凝土基层沥青路面的沥青混合料用贯入强度，宜满足式（5.5.8-1）。,注意：权重，涉及到各层剪应力计算！,.,5.5.9粒料基层沥青路面和粒料底基层、沥青类基层的沥青路面，沥青贯入强度宜满足式（5.5.9-1）。沥青混合料贯入强度表示沥青混合料抗剪切变形的能力，旨在控制路面车辙。交通部“沥青路面荷载标准”项目，研究了贯入强度和沥青混合料永久变形的关系模型。,.,5.5.10沥青混合料水稳定性技术要求：浸水马歇尔试验残留稳定度，冻融劈裂试验残留稳定度。,.,5.5.11沥青混合料动态压缩模量沥青混合料动态压缩模量采用单轴压缩动态模量试验法确定(“公路工程沥青及沥青混合料试验规程”（JTGE20）T0738），温度20，面层沥青混合料加载频率10HZ，基层5HZ。试验直径1002mm，高1502.5mm。集料最大公称粒径不大于37.5mm。,1、水平一，按上述试验直接测定，2、水平二，按式（5.5.11）计算确定,（5.5.11）,.,3、水平三，按表5.5.11确定,注意：表中各沥青混合料E相差不甚合理！,.,六、路面结构验算,.,6.1一般规定,6.1.1路面结构力学指标计算采用双圆均布垂直荷载作用下的弹性层状连续体系理论。（计算体系与原规范一样）但应说明，从概念上引用了结构可靠度理念！（设计基准期，各级公路目标可靠度和可靠度指标）,6.1.2路面结构组合方案拟定后，应按附录B方法进行路面结构验算，再结合工程经验和经济分析确定。,.,6.2设计指标,6.2.1多指标（五个）设计，放弃了多年用的表面弯沉指标。表6.2.1列出来不同结合组合路面的设计指标,表6.2.1不同结构组合路面的设计指标,.,6.2.2各设计指标选用表6.2.2规定的竖向位置处的力学响应，应按图6.2.2所示计算位置，选取点A，B，C和D计算的最大力学响应量。,表6.2各设计指标对应的力学响应及其竖向位置,.,6.3交通、材料和环境参数,6.3.1各设计指标对应的当量设计轴载作用次数，按附录A确定,Nf1，Nf2，Ne3，Ne4，,沥青混合料层疲劳,无机料层疲劳,沥青料永久变形,路基顶面压应变,.,6.3.2路面各结构层模量取值应符合规定,1、沥青面层：20，10HZ，单轴压缩动态模量沥青基层：20，5HZ,2、无机结合料层：采用中间段法单轴压缩模量，并经结构层模量调整0.5修正（室内测试和现场FWD发算对比）,3、粒料层：采用经湿度调整的回弹模量参考美国ASHTO力学经验法（MEPDG），考虑材料通车后的湿度变化引入，调整系数1.62.0,模量测定方法用动三轴仪（p49），试件直径：最大粒径大于19mm的粒料，时间直径高度=150300mm最大粒径19mm时，采用100200mm试件。,.,4.路基：采用平衡湿度状态下，并考虑干湿循环与冻融循环作用后的顶面回弹模量。（用承载板）,6.3.3沥青层疲劳，无机料层疲劳和路基顶面压应变验算时，应按附录G确定，湿度调整系数和等效温度，确定方法分两步：1）根据气温资料和表G-1确定基准路面结构的湿度调整系数和等效温度。,.,2）对于非基准路面结构，即沥青面层和基层（含底基层）由两层或两层以上不同材料结构层组成时，应按式G.1.1-1和式G.1.1-2分别换算成当量沥青层和当量基层。简化为当量沥青面层、当量基层和路基组成的三层路面结构。,式中：当量层厚度（mm）和模量（MPa）下标i=a为沥青面层，i=b为基层,.,不同气温状况下基准结构的损坏，转换成标准温度（20）条件下基准路面结构的等效损坏，从而得到基准路面结构温度调整系数KTi。部分地区基准路面结构温度调整系数，见表G1.2（p63P66）,(G.1.3-1),式中：KTi湿度调整系数，下标i=1对应沥青层疲劳开裂分析下标i=2对应无机料层疲劳下标i=3对应路基顶面竖向压应变分析,基准路面结构温度调整系数，查表G.1.2,Ah，Bh，AE，BE与面层、基层厚度和模量有关的函数（p67）,.,等效温度用于分析沥青混合料永久变形，其等效温度按（G.2.1）式计算：,（G.2.1）,式中：沥青层等效温度（）沥青层厚度（mm）基准等效温度，按表G.1.2取用。,注：基准路面结构分两种：,粒料类基层沥青路面沥青层厚ha=180mm，Ea=8000MPa基层ha=400mm，Eb=400MPa，路基E0=100MPa,无机结合类基层沥青路面沥青层厚ha=180mm，Ea=8000MPa基层ha=400mm，Eb=7000MPa，路基E0=100MPa,.,6.4路面结构验算流程,1、新、老规范的比较,老规范的计算流程图,新规范的计算流程图,.,比较这两个流程图可以看出：1、新老规范输入参数基本相同。验算的步骤也差不多！但参数确定方便变化很大！2、老规范以路表弯沉为设计指标，以沥青层和粒料稳定层拉应力为验算指标。新规范为多指标设计，取消了弯沉指标，以沥青层弯拉疲劳开裂、无机结合料层弯拉疲劳开裂（这两个指标形式上与老规范差不多，但内容上相差较大），沥青层永久变形，路基顶面竖向压应变，沥青面层低温开裂（后面三个老规范是没有的！）3、最后，新规范还加了一个验收弯沉控制指标（老规范没有明确提出来！）,.,2、新规范结构验算方法如下：,1）按附录A调查分析交通参数，根据本规范第3.0.4条规定，确定交通荷载等级；2）根据路基土类、地下水位高度确定路基干湿类型和湿度状况，按本规范第5.2.2条要求，确定顶面路基回弹模量（没必要的改善措施）3）根据设计要求，初拟路面结构组合与厚度方案，选取设计指标；4）按本规范第5章及第6.3.2条规定，确定个结构层模量等设计参数，并按第5章规定检验粒料的CBR值，无机结合料的无侧限抗压强度，沥青低温性能要求，沥青混合料的低温破坏应变、动稳定度、贯入强度和水稳性等指标。,.,5）按附录G的规定，确定各设计指标对应的温度调整系数或等效温度；6）采用多层弹性体系理论程序计算各规定点各设计指标的力学响应量；7）按附录B的规定进行路面结构验算，验算结构应符合第3.0.6条规定；8）对通过结构验算的结构进行技术经济分析，选定设计的路面结构9）按附录B.7计算设计路面的验收弯沉值，并应符合附录B.7的规定。,.,七、改建设计,.,7.1该建设计应采用动态设计理念，根据现场情况，施工阶段应动态调整改建方案。7.2既有路面调查：交通量、轴载组成、增长率；路面破坏状况；采用落锤式动态弯沉仪，雷达，钻芯等。7.3改建方案：局部病害处理，整体性处理或他们的结合方案，对裂缝较多的路面采取减缓发射裂缝的措施，材料再生利用。,.,7.4改建路面结构验算1）加铺层的设计参数应按新建路面结构确定2）既有路面层的设计参数按下列要求确定：,（1）将既有路面简化为由沥青层、无机结合料层或粒料层和路基组成的（当量）三层体系。利用落锤式弯沉仪测定的弯沉盆反演或芯样实测方法确定各结构层模量。（用什么反演方法和模型？）,（2）既有路面无机结合料层的弯拉强度Rs，宜用现场芯样实测的抗压强度Rc，用式（7.4.3）计算：Rs=0.21Rc（7.4.3）,.,3）既有路层采用直接加铺或铣刨后再加铺，对加铺层均应进行结构验算，加铺层的设计参数按新建路面结构确定。,既有路层采用直接加铺或铣刨后留用的结构层不再进行结构验算，其顶面当量回弹模量（按路基处理）。,（7.4.4）,式中：p落锤式弯沉仪承载板施加荷载（MPa）r落锤弯沉仪承载板半径（mm）l0板中点处的弯沉值（0.01mm）,.,3、7.4.6改建设计流程见图7.4.6，与新路设计大致相同。,.,八、桥面铺装设计,本章太简单，基本上未反映现有桥面铺装的工程设计和研究状况。,.,一、新规范（JTGD50-2017）与旧规范（JTGD50-2006）的主要变化：,1、调整了交通荷载分级（五级），增加了极重交通等级，以路面设计期内累计货车和客车交通量划分交通荷载等级；2、取消垫层，明确了功能层的含义；3、路基顶面回弹模量采用三轴仪实测，代替了原来的压入承载板法；旧规范采用最不利季节的湿度、新规范用路基平衡状态湿度。新规范路基顶面模量要求交旧规范提高了23倍。,.,4、在沥青路面结构验算时，根据当地的年平均气温，引入了温度调整系数和等效温度概念。5、采用图的饱和度Sr代替稠度标准路基干湿状态；6、采用了针对路面具体损坏的多指标（五指标）体系；增加了路基顶面压应变、沥青层永久变形、路面低温开裂指标，改进了沥青层和无机结合料层疲劳开裂，取消了路表弯沉设计指标，保留了路面完工后以完成作验收指标；,.,7、改变了路面材料和路基设计参数，改进了测试方法；提出了确定路面材料和路基设计参的三个水平法；8、提出了轴载谱及交通参数的调查分析方法；9、突出了路面结构组合设计要求，保证结构安全，耐久和全寿命周期经济合理；10、调整了章节安排，规范了术语和符号。,.,一、关于路面结构可靠度设计1、路面结构可靠度：路面结构在规定时间内和规定的条件下完成预定功能的概率。公路工程结构设计统一标准（GB/T50283-199）“规定的时间”是指结构设计基准期，对于路面设计，设计基准期一般去设计年限；“规定的条件”是正常设计，正常施工和正常使用的条件“预定功能”是指结构的安全性，适用性和耐久性，也成为结构的可靠性，结构应满足的使用指标。,.,2、结构极限状态方程,式中：xi（x1，x2，xn），称为基本变量或称随机变量，如荷载，材料性能，几何参数等。,对于承载力极限状态，若令R为结构抗力，S为荷载产生的效应（如应力，应变），则极限状态方程Z=g(R,S)=R-S,若Z=0，结构处于极限状态,若Z0，结构处于可靠状态,若Z0，结构处于失效状态,R、S不同值对应的Z值,.,公路水泥混凝土路面设计规范（JTGD40-2011），给出的极限状态方程,可靠度系数，依据目标可靠度及变异水平等级及变异系数确定,面层板在临界荷位产生的行车荷载疲劳应力，MPa,面层板在临界荷位产生的温度梯度疲劳应力，MPa,水泥混凝土弯拉强度标准值，MPa,.,3、可靠度指标,设随机变量xi（i=1,2n）则可求得,则有可靠度指标为,功能函数Z概率分布,.,4.20世纪80年代提出过的沥青路面可靠分析的两个概率模型：,1）原长沙交通学院（长沙理工大学）的效应抗力模型,2）同济大学的疲劳破坏概率模型,与新规范的模型一致,Ne根据极限状态计算出标准轴载疲劳次数,N0设计年限内累计标准轴次,.,二、关于交通荷载参数分析中的轴载谱,通过在车道上设置称重设备，连续的采集设计车道上所有2轴六轮（2类车型）及以上车辆的类型、轴型组成及轴重数据，并按照附录表A1-2对车辆进行分类。分别统计车辆单轴单轮、单轴双轮、双联轴、三联轴的数量，将他们除以各类车辆的总数量，得到各类车辆中各种轴型的平均轴数，并统计各类车辆各种轴型在不同轴重区间出现百分比，确定各种轴型的轴重分布系数，即为轴重谱。,.,确定轴载谱时，单轴单轮、单轴双轮、双联轴、三联轴分别每隔2.5kN、4.5kN、9.0kN和13.5kN划分为一个轴重区间。,关于轴载谱方面研究的论文很多。最早同济大学、山西交通厅在运煤专用公路的路面研究中采用过。美国AASHTO路面设计M-E法（2002）取消了车辆当量换算，而采用轴载谱研究车辆对路面的作用。,.,三、关于路面结构验算方法几个模型的说明,据编写组说明这个公式依据108次（组）常应力加载模式和618次（组）常应变加载模式疲劳试验结果建立沥青混合料疲劳开裂模型。,利用了北京3个ALF试验路段，美国加州大学berkeley分校6个重车模拟HVS试验路段，美国西部换到WesTrack8个试验路段，美国明尼苏达州MnRoad10个试验路段和美国沥青技术中心（奥本大学）NCAT3个试验路段，共30个试验段的疲劳数据，对已建立的疲劳模型进行了验证和修正。,1、沥青混合料疲劳开裂验算公式（B1.1-1）,.,这30个验证路段中仅有3个是中国的，其他都是外国的（美国）。国外这些试验段用的什么石料、沥青，什么类型的混合料，路面结构，施工水平，记载情况等与我们国家采用的材料其有什么不同？可能不是完全清楚，作为修正和验证依据可靠吗？,.,2、无机结合料稳定层疲劳开裂计算公式（B.2.1-1）和（B.2.1-2）,据编写组说明，这个公式依据148个水泥稳定砂砾，水泥碎石，水泥土和石灰粉煤灰碎石四种常用混合料的疲劳开裂试验结果建立的。（148个/4=37个）每种混合料，不说这四种无机稳定料的代表性，仅数量就有些问题了！,为了缩小室内性能模型与现场疲劳间的差异引入的kc系数，是通过比对调研的路面模型结构损坏状况与上述疲劳开裂模型分析结构得到的，这种比对的客观性如何？,.,3.沥青混合料层永久变形的验算式（B.3.2-1）,依据多种沥青混合料，在不同温度、压力等条件下229个有效车辙试验结果得到式（B3.2-1），b并利用国内十余条公路多年车辙数据和五个试验路段对该模型进行了修正和验证，同时考虑现场综合修正系数kR。,.,4.路基顶面竖向压应变验算路基顶面的容许竖向压应变按式（B.4.1）确定，对于这个式子的调整和修正是按照AASHTO试验路195个路面结构资料以及Psi=2.5时轴载作用次数，反算路基顶面的竖向压应变，并建立竖向压应变与100kN的轴载作用次数间的经验关系式，经修正和调整建立的。