国内外沥青路面设计方法分析_姚连军

1、第5期(总第118期 综合论述国内外沥青路面设计方法分析姚连军1,李丽2(1.重庆市交通规划勘察设计院,重庆401121;2.重庆交通大学,重庆400074摘要基于国内外沥青路面现有设计体系,介绍了经验法、力学-经验法、基于性能设计法三大类别,并针对其代表性的设计方法的特点进行了评析;结合我国沥青路面结构设计体系,指出我国设计体系中存在的设计指标、路面材料设计参数、交通荷载等方面存在缺陷,并提出相应的建议。关键词道路工程;沥青路面;设计方法;设计指标Abstract:Based on current design of asphalt pavement both home and abroad

2、,the paper has made introduction to three means of design,namely empirical method,stress empirical method and property-centered method.Moreover,it has made comments on certain representative features of designs.Taking structure design of asphalt pavement in China into account,the paper presents some

3、 demerits in design target,parameter of pavement materials,traffic capacity and the like and finally proposes solutions to such problems.Keywords:highway engineering,asphalt pavement,means of design,design target沥青路面是在柔性基层、半刚性基层上,铺筑一定厚度的沥青混合料作面层的路面结构。沥青路面设计的任务是根据使用要求及气候、水文、土质等自然条件,密切结合当地实践经验,设计经济合理的

4、路面结构使之能起到承受交通荷载和环境因素的作用,在预定的使用期限内满足各级公路相应的承载能力、耐久性、舒适性和安全性的要求。以沥青路面为主的柔性路面设计理论与方法研究已有近百年的历史,其发展历程经历了经验法和力学-经验法、基于性能的设计方法等类型。1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12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CB

5、R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34是在AASHO试验路的基础上建立

6、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

7、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

8、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3··2010年综合论述 形两项次要设计标准。AI 设计法7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

9、,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Shell 1978年提出的室内疲劳试验关系式,预估野外疲劳寿命时,乘以

10、修正系数58;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

11、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,

12、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国内沥青路面设计方法2.1

13、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

14、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

15、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

16、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··第5期(总第118期 综合论述(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

17、,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60150kN,胎压一般在0.61.1MPa;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

18、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

19、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起控制作用,因此可以采用面层底部的最大拉应变作为设计指标来控制疲劳开裂。(6虽然我国规定了以不利季节的土基模量作为设计值,沥青面层材料参数的取值也规定了温度条件,但对于土基干湿变化和路面温度变化大的地区,就显得无能为力了,因此,对于环境因素可更加明确、细化,诸如用AI和SHELL 等设计法来处理。(7目前的设计方法都没有详细考虑经济因素。基于使用

20、性能和寿命周期费用分析的、包括新建和改建沥青路面结构设计在内的全寿命路面结构厚度优化设计方法,将是以后路面设计方法发展的重要方向。3结语路面实践中所暴露的大量问题促使人们对路面设计理论、设计方法、材料选择和施工过程进行反思。实际上,目前大量出现的损坏是现行理论和规范所无法解析的。虽说设计方法是基于力学的,但分析的范围和所考虑的主要受力方式相对于目前复杂的荷载状况而言可能过于简单。对于不同的路面结构,对其使用性能变化规律的认识不够清楚,更缺少定量的研究;初步考虑了环境因素对路面力学参数的影响,但忽略了环境因素对路面性能的影响,而后者更为重要。对材料的要求与对结构的要求还缺少“相容”性,对材料性能

21、的定量标准还处于经验阶段。在低等级道路的实践中,上述问题暴露得不充分,以至于盲目地认为已经掌握了路面设计的主要关键技术,局部出现的问题经常被归结为施工原因,没有引起足够的重视;而当将上述方法用于高等级公路,尤其是高速公路的路面实践时,这些问题就变得非常突出了。参考文献1Yoder EJ,Witezak MW.陈炳磷,等译.Principles of Pave-ment DesignM.北京:人民交通出版社,19832Brown S F.Achievements and challenges in asphalt pave-3Washington State Department Design.WSDOT PAVE-MENTGUIDE(volume2M.Washin