长寿命沥青路面结构及其设计方法研究1

1、 路面耐久性差、使用寿命短的问题已成为阻碍路面耐久性差、使用寿命短的问题已成为阻碍 我国道路建设发展的主要问题之一。我国道路建设发展的主要问题之一。 路基路基 路基路基 石灰稳定土 石灰稳定土 石灰稳定土 普通路基普通路基 HMA底层用底层用 改性沥青改性沥青 深 度 in FF-LLAP结构结构 设计指标与标准设计指标与标准 结构应力分析及结构应力分析及 其结构层位划分其结构层位划分 结构组合设计结构组合设计 材料组合设计材料组合设计 结构可靠度设计结构可靠度设计 结构设计方法验结构设计方法验 证证 p 厚沥青层厚沥青层20cm 底基层底基层 路基路基 限制弯拉应变限制弯拉应变 6070 限

2、制压应变限制压应变 200 （根据需要设置）（根据需要设置） p 沥青层沥青层 基层基层 路基路基 限制各沥青层底弯限制各沥青层底弯 拉应力拉应力r 限制各半刚性层底限制各半刚性层底 弯拉应力弯拉应力r 限制路表弯沉限制路表弯沉l lr 试件编试件编 号号 空隙率空隙率 / 初始模量初始模量 /MPa 应变应变 / 荷载作用次数荷载作用次数 /次次 初始模量降低初始模量降低50% 时荷载作用次数时荷载作用次数 / 次次 平均荷载作用次数平均荷载作用次数 /次次 16.65 1758006 0006 000 6 37726.84 6868007 1307 130 37.44 5228006 00

3、06 000 46.85 153400246 220246 220 252 13657.05 23940057 000267 8081 67.05 868400242 380242 380 76.65 17520026 029 00026 029 000 20 445 92287.26 43520012 930 00014 537 1862 97.46 24020020 771 58020 771 580 106.74 51917034 724 50034 724 500 66 942 707 116.85 64517060 000 0009.92E+073 126.76 60210050 0

4、00 0003.64E+123 1.14E+13 137.45 05910050 000 0001.92E+133 模型预估值模型预估值 试件试件7试件试件9 400万次万次1000万次万次400万次万次1000万次万次 实测实测26 029 00026 029 00020 771 58020 771 580 指数模型指数模型6 012 05513 657 8704 935 5889 876 585 对数模型对数模型2 538 114 7022 826 296 906583 900 279317 265 901 幂模型幂模型38 048 289 32534 312 439 5444 192 7

5、27 4591 780 688 228 Weibull函数函数33 078 62955 924 46014 414 63719 080 795 2 . 0 552 ed Nl 30. 0 0 096. 0 750 ENl el 500百万次累计轴载，土基模量百万次累计轴载，土基模量45Mpa时时 Ld=10.1(0.01mm);ll=35.0(0.01mm) a) 路面结构分析模型图b)平面计算点位分布图 图2-15 路面结分析模型与计算点位分布图 7. f=0.5,H1=18 8. f=0.5,H1=27 9. f=0.5,H1=33 1. f=0.1,H1=18 2. f=0.1,H1=2

6、7 3. f=0.1,H1=33 4. f=0.3,H1=18 5. f=0.3,H1=27 6. f=0.3,H1=33 路面结构层位路面结构层位 沥青层厚度沥青层厚度 cm 18 (常用常用) 21 (常用常用) 25 (长寿命长寿命) 38 (长寿命长寿命) 18 (最不利最不利) 21 (最不利最不利) 编号编号123456 水平力系数水平力系数f最大剪应力最大剪应力MPa 上面层上面层0-4cm 0.10.1360.1290.2140.2130.3750.326 0.30.2140.2140.3020.3010.4700.413 0.50.3560.3570.4590.4580.57

7、90.518 中面层中面层4-10cm 0.10.1300.1180.2020.2020.2560.238 0.30.1630.1580.1790.1790.3020.282 0.50.2040.2000.1690.1690.3480.327 下面层下面层10cm- 0.10.1260.1240.1510.1520.2010.188 0.30.1480.1460.1320.1340.2180.207 0.50.1700.1670.1150.1160.2350.226 注：长寿命路面：沥青层低弯拉应变65，基层顶压应变200 最不利：国内高等级公路常用的和参数范围内最不利组合进行计算 常用结构为

8、：18cm(21)HMA(E1=1500,V1=0.25)+36cm基层(E2=1000,v2=0.30)+土基(E0=45,v0=0.35) 混合料类型混合料类型 抗剪强度范围抗剪强度范围 MPa（60） 混合料类型混合料类型 抗剪强度范围抗剪强度范围 MPa（60） 混合料类型混合料类型 抗剪强度范围抗剪强度范围 MPa（60） 1AC-130.2591AC-160.3131SMA-130.189 2AC-130.3562AC-160.5342SMA-130.567 3AC-130.4913AC-160.6793SMA-130.877 选择结构组合正交设计法选择结构组合正交设计法 力学响应

9、计算力学响应计算BISAR3.0 数据分析数据分析Origin7.0，SPASS13 FF-LLAP三层结构模型及参数三层结构模型及参数 三三 层层 结结 构构 厚厚 度度 设设 计计 方方 法法 选选 取取 代代 表表 性性 三三 层层 结结 构构 沥沥 青青 层层 力力 学学 分分 析析 沥沥 青青 层层 层层 位位 划划 分分 提提 出出 多多 层层 结结 构构 模模 型型 p 厚沥青层厚沥青层 柔性底基层柔性底基层 路面基础路面基础 限制沥青层底弯拉应变限制沥青层底弯拉应变临界弯拉应变临界弯拉应变 限制路表弯沉限制路表弯沉临界弯沉临界弯沉 限制最大剪应力限制最大剪应力抗剪强度抗剪强度

10、输入参数输入参数最小值最小值最大值最大值 沥青层厚沥青层厚(cm)H11858 柔性底基层厚柔性底基层厚(cm)H2060 沥青层模量沥青层模量(Mpa)E112002400 柔性底基层模量柔性底基层模量(MPa)E2200800 路面基础模量路面基础模量(Mpa)E03070 沥青层泊松比沥青层泊松比10.150.35 柔性底基层泊松比柔性底基层泊松比20.35 路面基础泊松比路面基础泊松比00.4 影响影响 因素因素 面层厚面层厚 度度H1/cm 底基层底基层 厚度厚度 H2/cm 面层模面层模 量量 E1/MPa 底基层底基层 模量模量 E2/MPa 路基模量路基模量 E0 /MPa 面

11、层泊面层泊 松比松比/1 因因 素素 水水 平平 11801200200300.15 228151500350400.20 338301800500500.25 448452100650600.30 558602400800700.35 编号编号路面结构组成与参数路面结构组成与参数 沥青层底沥青层底 拉应变拉应变/ 65 路基顶路基顶 压应变压应变 / 200 路表路表 弯沉弯沉 /mm 1034(4.5) 沥青用量沥青用量较多较多较少较少很少很少多多 4.75mm通过率通过率/%多多较多较多很少很少较少较少 0.075mm通过率通过率/ 中等（中等（48）较少（较少（2-5）很少（很少（0-

12、5）多（多（412） 抗车辙变形抗车辙变形差差差差好好很好很好 疲劳耐久性疲劳耐久性好好较差较差很差很差很好很好 抗裂性能抗裂性能好好较好较好很差很差很好很好 水稳定性水稳定性好好较差较差很差很差很好很好 渗水情况渗水情况小小较大较大很大很大小小 抗老化性能抗老化性能很好很好较好较好很差很差很好很好 抗磨损性能抗磨损性能很好很好较好较好很差很差很好很好 抗滑性能抗滑性能较差较差较差较差好好好好 路面噪声、反光、路面噪声、反光、 溅水、水雾溅水、水雾 差差较差较差好好较好较好 FF-LLAP层位层位 适应性适应性 联结层、基层联结层、基层 磨耗层、联结磨耗层、联结 层层 磨耗层、联结层、磨耗层、

13、联结层、 基层基层 混合料类型混合料类型传统传统ACSuperpaveOGFC或或OPASMASAC 级配类型级配类型悬浮密实结构悬浮密实结构悬浮密实结构悬浮密实结构骨架空隙结构骨架空隙结构骨架密实结构骨架密实结构骨架密实结构骨架密实结构 设计空隙率设计空隙率/%35415-243-4.53-4 混混 合合 料料 组组 成成 沥青用量沥青用量中等中等中等中等中等中等较多较多中等中等 粗集料粗集料较少较少较多较多很多很多很多很多较多较多 细集料细集料较多较多较少较少很少很少较少较少较少较少 填料填料较少较少较少较少较少较少较多较多较多较多 纤维纤维无无无无有或无有或无有或无有或无有或无有或无 施

14、施 工工 特特 性性 集料离析集料离析较多较多较少较少很少很少很少很少很少很少 结合料析漏结合料析漏无无较少较少可能可能可能可能较少较少 施工难易程度施工难易程度较易较易较难较难难难较难较难中等中等 施工机具施工机具基本相同基本相同 路路 用用 性性 能能 表面特性表面特性较光滑较光滑较粗糙较粗糙粗糙均匀粗糙均匀粗糙均匀粗糙均匀粗糙均匀粗糙均匀 抗滑性抗滑性较差较差较好较好很好很好好好好好 溅水、水雾溅水、水雾重重较重较重无无较轻较轻较轻较轻 明视性明视性差差较差较差好好较好较好较好较好 交通噪声交通噪声重重较重较重轻轻较轻较轻较轻较轻 抗车辙抗车辙较差较差较好较好很好很好很好很好很好很好 疲

15、劳抗裂疲劳抗裂好好好好较好较好很好很好很好很好 低温抗裂低温抗裂好好好好较好较好很好很好很好很好 抗水损害抗水损害好好好好差差很好很好很好很好 抗老化抗老化好好好好差差很好很好很好很好 耐久性耐久性好好好好差差很好很好很好很好 成本成本较低较低较低较低较高较高较高较高中等中等 FF-LLAP层位层位 适应性适应性 联结层、联结层、 基层基层 联结层、联结层、 基层基层 磨耗层磨耗层 磨耗层、联结磨耗层、联结 层、基层层、基层 磨耗层、联结磨耗层、联结 层、基层层、基层 )0( )0( )0( iiSR SiRi SRL PR PR llPR 22 2222 30. 0096. 0 0 00 0

16、 0 09. 00092. 0 09. 00092. 0 948 El EE EN l l ENl e N R e N e N e R R eR 22 2222 15 . 0 0225. 0 0225. 0 857. 2 e N R e N e N e R R eR l N N R R R l 8333. 0 8333. 0 1 0 n i i RR 开始 输入设计参数的平均值与变异系数 (厚度、模量) 根据已知概率分布进行随机抽样的方法 产生相应的随机设计参数 得到一个容量为N的效应模拟子样 采用假设检验方法，分析效应的概率分 布类型 输出所需要的结果 进行FF-LLAP结构分析，计算效应

17、(沥青层底拉应变、路表弯沉、剪应力) 概率统计分析，计算平均值、标准差和 变异系数 结束 循环次数N 图6-1 FF-LLAP结构效应的蒙特卡罗法模拟 分析框图 1 1 . n i ii RCVCShTCMin RT iii ii ii ll Zh hhh St maxmin . k IRIba VC 13 iii AADTPCIRC )100(1044. 334. 0 6 材料来源 材料选择土基状况交通参数 材料特性设计 施工考虑 道路等级 设计轴载 结构性使用性能 功能性使用性能 确定面层抗剪强度 力学验算 R LLR 结构(厚度)组合设计 设计指标确定 (疲劳极限,极限弯沉,目标可靠度)

18、 结构层层位功能划分 面层材料组成设计 底基层,垫层材料组成设计 剪应力验算 R 可靠度计算 可靠度分析 0 可靠度优化设计 输出完整的设计 材料变异性能 施工水平 经济性能 结构性能 可靠度水平 否 否 否 是 是 是 结构一K1+476 K3+179 采用沥青 结构二 K3+179 K4+006 采用沥青 结构三 K4+006 K4+715 采用沥青 5cm SMA-13 MAC (PG76-22) 5cm SMA-13 MAC (PG76-22)5cm SMA-13MAC (PG76-22) 7.5cm SUP-19 MAC (PG76-22) 7.5cm SUP-19 MAC (PG7

19、6-22)7.5cm SUP-19MAC (PG76-22) 10.5cm SUP-25 70-A (PG70-22) 9cm SUP-25 70-A (PG70-22)9cm SUP-2570-A (PG70-22) 10.5cm SUP-25 70-A (PG70-22) 9cm LSM-25 MAC (PG76-22)9cm LSM-25MAC (PG76-22) 9cm LSM-25 MAC (PG76-22) 7.5cm Fatigue-13 70-A (PG70-22)7.5cm Fatigue-13 SBS (PG76-22) 7.5cm Fatigue-13 70-A (PG7

20、0-22) 30cm 二灰土 (8%) - 30cm 二灰土(8%) - 30cm 二灰土 (8%) - 验算项目验算项目结构一结构一结构二结构二结构三结构三临界值临界值1 沥青层底拉应变沥青层底拉应变/62.092.488.1 70(结构一结构一) 100(结构二结构二,三三) 路表弯沉路表弯沉/0.01mm37.944.744.4AI:35.6,EI:45.7* 最大剪最大剪 应力应力 /MPa 上面层上面层 SMA13 f=0.2 f=0.3 f=0.5 0.398 0.528 0.817 0.417 0.533 0.817 0.413 0.532 0.816 0.2-0.9 中面层中面

21、层 SUP19 f=0.2 f=0.3 f=0.5 0.242 0.258 0.293 0.242 0.258 0.293 0.242 0.258 0.293 0.2-0.7 1:路表弯沉临界值取土基模量40MPa、累计轴载500百万次计算得到。 验算项目验算项目结构一结构一结构二结构二结构三结构三临界值临界值 沥青层底拉沥青层底拉 应变应变/ 计算计算30.747.244.2 70(结构一结构一) 100(结构二结构二,三三) 实测实测(25)20-3030-4030-50 路表弯沉路表弯沉 /0.01mm 计算计算16.119.319.1 AI:35.6,EI:45.7 (静静) 实测实测

22、FWD 700KPa(20) 487990 结构一结构一 结构二结构二结构三结构三 深度深度/cm 最高气温最高气温/最低气温最低气温/PG等级等级 式式(5-7)式式(5-8)式式(5-6)式式(5-9)计算计算采用采用 066.6 61.7 -13.5 -17.9 70-2276-22 559.4 55.9 -2.9 -16.3 64-2276-22 12.554.8 52.8 -1.0 -14.8 58-1670-22 2351.3 25.2 0.4 -14.6 58-1670-22 33.549.1 -79.7 1.3 -16.5 58-2276-22 42.547.6 -273.4

23、1.9 -20.0 58-2270-22 测试项目测试项目 结果结果 高速公路标准高速公路标准 玄武岩玄武岩石灰岩石灰岩 压碎值压碎值/8.921.528 粘附性粘附性554 针片状含量针片状含量/ 1-2cm12.51-3cm5.5 15 0.5-1cm13.4 1-2cm 0.5-1cm 8.2 3.7 砂当量砂当量/90.368.765 棱角性棱角性/42.442.140 磨光值磨光值49/42 洛杉矶试验洛杉矶试验/8.617.130 层位层位 采用的混合料采用的混合料 类型类型 FF-LLAP推荐推荐 类型类型 是否满足是否满足FF- LLAP推荐范围推荐范围 上面层上面层SMA-1

24、3 OGFC,OPA, SMA,SAC 是是 联结层联结层SUP19，SUP25 AC,SUP,SMA, SAC 是是 基层基层LSM, Fatigue AC,SUP,SMA, SAC 是是 底基层底基层 二灰土（二灰土（8， 400MPa） 柔性（柔性（200- 800MPa） 是是 文中提出的文中提出的FF-LLAP结构设计方法是完整的、可操作强的，且延续结构设计方法是完整的、可操作强的，且延续 和拓展了现有规范设计方法。但由于设计中全部采用的静模量参数，其和拓展了现有规范设计方法。但由于设计中全部采用的静模量参数，其 设计结果目前偏于保守，需在今后进行适当改进。设计结果目前偏于保守，需在

25、今后进行适当改进。 7. f=0.5,H1=18 8. f=0.5,H1=27 9. f=0.5,H1=33 1. f=0.1,H1=18 2. f=0.1,H1=27 3. f=0.1,H1=33 4. f=0.3,H1=18 5. f=0.3,H1=27 6. f=0.3,H1=33 项目项目 据路表深度据路表深度/cm/cm 0-30-33-63-66-146-1414-2414-2424-H124-H1 水平拉水平拉 应变应变 拉应变向平应力拉应变向平应力 变转变变转变 路表处拉应变大路表处拉应变大 水平压应变增加，水平压应变增加， 出现峰值，总值出现峰值，总值 不大不大 压应变减小至受压应变减小至受 拉，拉应变增加拉，拉应变增加 总值均较小总值均较小 受拉平缓增