澳大利亚路面设计规范.docx
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澳大利亚路面设计规范
第一篇澳大利亚路面设计规范
第一章简介
1.1应用范围
（1）无结合料粒料的柔性路面；
（2）有一层或多层的半刚性材料的柔性路面；
（3）刚性路面；
（4）柔性路面加铺设计；
（5）适用于主要由荷载引起破坏的路面，由环境因素引起的路面破坏应另外考虑；
（6）路面施工水平一般的情况；
（7）未加表面层的材料不适应；
（8）不含刚性路面沥青加铺层；
本规范内容包括：
路基评价、路面材料评价、交通荷载分析和结构设计等。
本规范建议作为设计指南使用，而不是作为一种强制性的标准或限制。
1.2本规范用途
（1）常规道路交通条件下的柔性路面设计，或专门荷载条件的柔性路面设计；
（2）使用者根据自己的需要按特定条件做出设计图表；
（3）柔性路面加铺设计；
（4）刚性路面设计
附录A给出了本规范术语，下一章给出了路面设计系统及组成元件。
第二章路面设计系统
2.1概述
路面设计目的：
确定最经济的路面组成及厚度，满足预计交通荷载行驶，具有相应的服务水平。
设计者应充分了解材料、交通、当地环境及相互作用，能预测任何路面结构组合的性能，并了解所设计道路应有的服务水平。
路面设计的复杂与简单取决于模型简化程度与设计资料的充分性。
本规范包含两套设计系统
（1）新建路面设计；
（2）柔性路面加铺层设计。
但它们的基本理论与其它工程设计是相类似的。
2.2新路面设计
设计框架见图1.2.1，可能有些因素被忽略或有些因素与其他因素合并考虑，但本图简单轻便地示出了输入变量、分析方法与决定设计方案之间的关系。
图1.2.1设计框架图
2.2.1输入变量
（1）设计交通量
轴载数、轴载分布、荷载值与轮胎压力；
除考虑目前交通量外，设计期内轴载数量与组成的变化也应充分考虑。
（2）路基与路面材料
设计者应具有知识：
·用来表征承载能力的强度与刚度参数；
·温度、湿度、时间与破坏累积对参数的影响；
·路面破坏方式与荷载（应力或应变）对路面损坏作用的量化（见表1.2.1）。
·破坏准则，路面损坏发生时的极限应变或极限应力。
表1.2.1柔性路面损失模式
损坏模式
可能原因
受影响的材料
车辙
材料压实与推挤
除半刚性材料外的所有材料
开裂
特重荷载（一次）
常规荷载多次
温度升降往复收缩
沥青
半刚性材料
不平整度
密实度变化
材料特性
所有材料
其中某些知识应用于设计过程中的理论计算，如弹性模量，用于计算荷载路面应力与应变。
破坏准则用于确定路面发生破坏的条件。
目前出现了一些用于分析不平整度的模型（考虑材料性质差异，层厚等）可见第8章。
对于沥青砂砾或水泥砂砾，其破坏准则较复杂（P22）。
详见第5、6章。
（3）环境因素
可以测量由温度、湿度改变所引起的材料特性变化，设计中用的参数应考虑使用期内的水、温度状况。
由于实际情况复杂多变，一般将某种不利环境特征化，作为设计中的使用参数。
环境因素对材料的影响程度与材料有关，与交通荷载分布也有关。
详见第4章。
（4）施工与养护因素
施工与养护（次于施工）对路面结构选型也有影响，施工水平（压实度、养生、摊铺设备类型和排水状况）也有关。
详见第3章。
2.2.2初始路面结构选择
在设计时要先初拟一个路面结构。
其确定应基于经验判断或一个简单的设计程序，设计人员应考虑本地区的路面结构使用经验与设计实际任务。
如果一个简单的设计程序认为是足够的，则设计任务完成，无需进行以下步骤，因为接下来的设计工作（分析，损坏预测和设计修正）应谨慎使用。
第八章给出了某些设计参数条件下的设计图表，如果设计任务中的参数与图表的不同，则可根据最近似的参数初选路面结构，然后再分析，得到一个更合适的路面结构。
2.2.3结构分析
目的是计算拟定路面结构中的临界应力或应变。
在结构分析中，一般将路面结构处理为层状体系，每层处理为弹性或粘弹性，均质或有变化，目的是理论分析与实际准则的统一。
荷载类型可从单个垂直均布荷载，到多个任意方向和非均布荷载，荷载值与车辆速度有关。
必须注意的是，本分析方法对所输入数据有一定范围限制。
本规范的分析方法与目前澳大利亚（AustralianMemberAuthorities）所存在的路面材料与路面性能的认识程度相一致，本规范方法所得设计结果与目前经验相一致。
详见第8章。
2.2.4损坏预测
路面分析结果用于估计路面使用寿命，大多数路面或路基破坏准则是一个公式（应力水平或应变水平，与达到路面或材料破坏极限时的重复作用次数）。
路面由多种材料构成，每种材料破坏形式是不同的，如对于粒料类沥青路面，其寿命期取决于永久变形（第一次）超限。
但有一种特例是半刚性基层材料，尽管半刚性基层一般较早地出现裂缝，但承载能力还是足够的，这类路面破坏通常是取决于其上的结构层的破坏。
如果路面只承受同样的荷载，则疲劳寿命很容易计算，即从极限应力（应变）—重复作用关系就可以得到。
但实际远非如此，如荷载类型、大小等变化，因此疲劳寿命计算很复杂，一般有两种方法处理：
一是等效换算（等效指相同的路面损坏程度），等效方法可以通过特殊设计的试验路观测，也可以根据性能准则进行理论推导。
第二种方法，即通常所说的Miner假定（非原文）。
2.2.5迭代
如果初拟路面结构未通过，则要调整参数重新计算（厚度增加、模量、改变材料等）至满足要求。
计算满足要求只是得到一个可选方案，应设计其他不同结构组合的方案，进行比选，以最经济或其他原则最终确定。
详见第11章。
2.3罩面设计
2.3.1概述
设计流程图见1.2.2。
原则上说，加铺层设计与新路面设计没有区别，都考虑交通、材料、环境、分析、破坏分析和方案比选，主要在于正确评价现有路面的问题及解决。
罩面设计包括：
·现有路面状况评价；
·（罩面）使用期内的交通与环境因素；
·确定路面所需补选的强度（使用期）及可能导致的损坏；
·考虑可用的克服路面缺陷的材料，潜在的破坏模式，承载力和设计参数；
·确定路面厚度
图1.2.2路面加铺层设计流程图
2.3.2现有路面评价
可通过取样、现场测试、或指定强度参数的方法来分析荷载作用引起的地路面响应。
或采用无损检测的方法，如弯沉测试，分析弯沉测试数据的方法与数据量的调查方法有关，目前新的测试设备有Deflectorgraph
、FWD、可测弯沉盆的BB等，从而可以更好地预测路面性能。
弯沉测试与分析方法可详见第10章。
罩面设计的目的是预测永久变形不超过允许值的路面可承受的交通荷载，对于路面而言，是保证沥青面层不会疲劳开裂。
在预测中还应该考虑路面、路基温度与湿度条件的影响。
2.2.3现有路面需要（问题与解决）分析
现有路面（需要）可通过调查来分析，测试可以得到更充分的数据，更多的测试与实验可以使现有路面缺陷和需要的分析更充分可靠，因此，弯沉测试有条件时要尽量做。
弯沉测试结果，无论是每个测点的最大弯沉，还是可反映路表弯沉盆形状的数据，都与路面性能准则有关，这些性能准则多是基于经验的，但可以由理论计算得到（或由层状弹性体系理论）。
在工程实践中，一段路面的弯沉值是变化的，反映路面性能受诸多因素影响的特点，采用统计方法，使用弯沉特征值可以反应某一段路的情况，这说明罩面设计时是以一定概率来达到设计要求的。
最通常的设计准则是弯沉与达到路面临界破坏条件时的标准轴载重复作用次数相关。
最简单直观的经验关系，认为某一特定路面结构所有损坏的综合作用可以用荷载作用于路面的一种响应来预测。
但最近的研究倾向于采用不同的破坏模式，如果弯沉测量值超过了破坏准则的允许值，则表明现有路面结构无法满足设计的交通荷载，应该采取某些措施，如采用粒料或沥青层罩面补强或改建，采用附加排水设施与封层的方法也可能是有效的。
2.3.4加铺层厚度确定
与以下因素有关
·加铺材料
·所需增加的强度（按性能准则要求）
·辅助工作，如排水。
可以采用基于试验路观测的经验公式，但不幸的是目前资料较少，可靠数据有限，本规范提供了MemberAuthorities的设计公式，同时使用材料刚度进行了理论分析预测，两者可以得到相符的结果，但罩面设计还要对排水改善效果进行估计，无论是基于经验或理论分析。
用多个性能准则评价现有路面及确定罩面厚度时，设计结果是所有准则的最小设计厚度，如果由于其他因素限制（如标高）无法采用设计厚度，而采用较小厚度时，必须进行方案比较，即采用薄罩面层的好处与完全改建的比较。
旧路评价与罩面设计可以参考第10章。
第三章施工与养护影响
3.1稳定技术
当存在适合的设备与专门技术时，可采用稳定技术（无机结合料稳定），好处有：
·增加了路基路面的强度和均匀性；
·提高了抗水侵入性；
·提供了后序工作的施工工作面。
MAASRA（1986）对稳定（改善）土与粒料提供了全面的资料。
在路面设计中，用CBR反应土基特性时，对路基稳定土并不能总认为CBR≥15。
半刚性材料缺点是收缩开裂，尤其是在无机结合料较多时。
研究表明，如果底基层与基层都是半刚性材料时，开裂会增加不平整度，但发展较慢，如果只有基层是稳定材料，底基层强度较低，裂缝处受水侵入影响后，很容易会发生迅速的损坏。
防止反射裂缝可采用125-150mm的沥青混合料或粒料层。
在施工时，沥青层摊铺可延迟一周以上的时间，从而等基层裂缝发生后再铺。
第四章环境因素
4.1概述
本规范主要适用于由于荷载所引起的路面损坏的设计，尽管在前面提到了环境引起的应力，但由于环境所引起的路面损坏不在本规范内讨论。
对路面性能影响显著的环境因素：
·湿度
·温度
冻融在本规范中未考虑，因为不存在于澳大利亚。
4.2湿度
路面的湿度对路面性能有重要影响，路基与无结合料材料的刚度与强度与材料的湿度状况有直接关系，详可参见NAASRA（1983）。
设计阶段应考虑如下因素：
·降水/蒸发
·面层渗水性
·水位（地下）
·路面各层渗水性
·路肩是否密封
·路槽式或者全宽式路面
影响路面湿度变化的因素：
a.路（堑）基两侧的渗流；
b.地下水向上渗入；
c.路面表面与路肩水的渗入；
d.湿度差异与温度差异所导致的湿度传导（无论是水或水蒸气）；
e.路面各结构层渗透性的差异，渗透性低结构层容易导致含水量过高或者饱和。
其中a、b、c可以通过路基设计（调整）和路面排水来解决，当路基受到静水压力时（即正的孔隙水压），排水是有效的，对于细粒土路基一般在最佳含水量以上到达湿度平衡，且不易排除水分。
图1.4.1示出了路基路面内湿度的影响因素（图略）。
路基内湿度变化的改变将导致材料两个变化：
一是体积，二是湿度。
改变程度取决于路基土的性质和湿度改变的范围，膨胀土的问题见本章末。
路基湿度变化对强度与刚度的作用应在设计参数中考虑，一般是设计期内的最高含水量时的参数（CBR或模量），设计时应尽可能地估计实际的含水量。
路基强度（刚度）水稳性应在设计时进行评价，总的说：
·对砂粒土，湿度改变对土的体积、强度影响不大；
·对于粉土，湿度改变对土的体积影响较小，但对强度影响较大；
·对于粘土，湿度改变对土的体积影响很大，若原土含水量在最佳含水量附近时，则强度与刚度也会差异增大。
在路基土压实到要求密实度时，湿度变化导致的体积变化是最小的，施工土时的初始含水量对以后湿度变化引起的体积变化也有影响。
平衡含水量（EMC）：
定义为施工后，路面下的路基在各种因素影响时内部湿度达到平衡（水份迁移平衡）时的含水量，平衡状态受以下因素影响：
·土的类型；
·水位；
·压实时土的含水量；
对于非饱和土，有两种方式量化土中水的含量：
·水与土的重量比或体积比；
·根据土中水的能量状态，如土的负压吸收（毛细作用）等。
对于工程应用，建议采用第一种方式表达土中水的含量，即重量比。
使用第二种方式则需要转换关系，此公式的建立较复杂，本规范未提供此方法（可见参考文献如NAASRA，OECO等）。
路基内部的湿度状态较稳定，但边侧1.5m内则易变化，可能超过EMC而达到临界含水量，从而对于外侧行车道有影响。
有鉴于此，设计中应采用一些措施来处理路肩、边坡含水量大于路基内含水量的问题，否则（或措施不充分）就应采用DMC（设计含水量）进行设计（DMC>EMC），DMC确定可见第五章。
4.3温度
对于沥青路面，温度对路面性能有重要影响。
在低温时，沥青混合料硬而脆，高温时则软、粘弹，本规范没有考虑永久变形的失效模式（为沥青混合料设计考虑），对沥青面层，主要考虑弯曲疲劳开裂。
日温度或季节温度情况对路面承载能力有重要影响，如果交通多发生于晚上低温时，则薄沥青面层的路面就会很大程度地降低使用寿命（与交通量白天多时比），交通与温度变化的相互作用应在设计中考虑，可见第6章与第8章。
温度对半刚性类材料与混凝土特性也有重要影响。
在施工时，如果高温、干燥，则这些材料的极限强度与疲劳寿命都会有明显削弱。
第五章路基评价
5.1概述
路基（支持作用）是确定路面的厚度、组合和性能的重要因素，路基强度与路基施工因素与使用期内的状况密切相关。
土的类型、密度和湿度对路基强度有重要影响。
路基评价的目的是提供一个合理的路基设计值。
5.2参数
·CBR值用于柔性、刚性路面
·弹性参数用于柔性路面
·反应系数K用于刚性路面
表5.1略
5.3确定路基强度时的考虑因素
·施工工序
·压实含水量与密实状态
·设计期内的路基含水量
·路基变异性
·路基下的软弱层对路面厚度的影响
a.土方施工顺序
在施工时，对路基填料进行适当评价是必要的（部分略）。
b.压实含水量与密实状态
相对密度与压实含水量变化对路基的影响可见表1.5.1，1.5.2，1.5.3。
c.使用期内含水量
第4章所述环境因素会引起路基内含水量变化，表1.5.1，1.5.2，1.5.3的结果也表明了含水量变化对路基强度的影响，季节因素或偶然因素及受水影响的路基都应在设计中考虑。
d.变异性
路基不均匀本质上是不可避免的，应在设计中予以反应。
表1.5.1粘土（PI>30）路基R值
未浸水
4天浸水
密度
压实含水量（DMC）
密度
压实含水量（DMC）
0.91.01.05
0.91.01.05
1.05MDD
1.00MDD
0.95MDD
4.03.53.0
3.53.02.5
2.52.02.0
1.05MDD
1.00MDD
0.95MDD
0.9－－
0.61.01.5
0.40.61.0
表1.5.2粘土（PI<30）路基R值
未浸水
4天浸水
密度
压实含水量（DMC）
密度
压实含水量（DMC）
0.91.01.05
0.91.01.05
1.05MDD
1.00MDD
4.5－－
3.01.5－
1.05MDD
1.00MDD
1.22.02.2
0.81.01.1
0.95MDD
1.21.01.0
0.95MDD
0.50.50.6
表1.5.3粉土路基R值
未浸水
4天浸水
密度
压实含水量
密度
压实含水量
0.91.01.05
0.91.01.05
1.05MDD
1.00MDD
0.95MDD
4.5－－
3.01.5－
1.81.31.0
1.05MDD
1.00MDD
0.95MDD
－－－
1.21.00.7
0.60.50.5
备注：
1.R值为给定的密实度与压实含水量的路基承载力与最大密实度和最佳含水量时路基承载力的比值（标准压实试验）。
2.表中值只是参考，可能与实际有出入。
3.这些值由CBR导出，但认为适用于其他强度/刚度参数。
5.4路基强度确定方法
主要有两种：
室内实验与野外测试。
野外测试建议用于那些已有道路与拟新修道路条件相似时，通过对已有道路测试来推测新建道路。
室内试验则既可用于上述情况，也可以在上述条件不成立时使用，两种确定方法可参见图1.5.1。
图1.5.1路基承载力的确定
5.5现场确定CBR值
通过现有道路CBR值的测定确定拟设计道路的CBR值，要求现有道路要使用2年以上，密实度与含水量状态与新建道路类似，并注意测试季节的影响，或者考虑湿度修正。
需要进行一定数量的现场测试试验来确定CBR值，如现场CBR试验和锥形贯入仪试验。
测试结果应用统计分析的方法，CBR值应有一定保证率。
对于公路路面设计，一般按90%（即均值减1.3倍方差）。
5.5.1现场CBR
按AS1289，试验费时费力，样本数量大，不实用。
5.5.2锥形贯入仪
5.6路基反应模量
5.7室内测定CBR值与弹性参数
本规范认为两个泊松比相等，且EV=2EH，剪切模量按：
EV可由室内试验测量或按下面经验关系：
E=10×CBR（MPa）
5.7.1实验中密度的确定
测定时试件按什么密度准备应考虑以下三个：
·未扰动的现场路基密度；
·对应于施工中最小的压实度标准；
5.7.2DMC确定
5.8采用推荐值
推荐值对于轻交通道路设计，初步设计或不具有大规模测试条件时使用，见表1.5.4，选用时也要考虑本地经验。
表1.5.4CBR推荐值
路基情况
CBR（%）
材料
USC等级
良好排水
排水不良
高塑性粘土
粉土
粉粘土
CH
ML
CL
5
5
6-7
2-3
2-3
4-5
砂粘土
砂土
SC
SW，SP
6-7
15-20
4-5
－
5.9路基失效准则
在力学程序设计中使用此准则所得到的设计结果适用于澳大利亚地区，满足性能的要求。
5.1
其中N为允许荷载作用次数（在车辙达到允许接受的水平之前）。
第六章路面材料
6.1概述
本设计规范允许使多种材料，路面材料的选择应考虑结构要求、经济性、长期性、施工和易性和经验，基于荷载作用时的响应特性，材料可分为4类：
a.无结合料粒料
b.无机结合料粒料
c.沥青混合料
d.水泥混凝土
表1.6.1到表1.6.7表明了不同类型材料的性质和特点,其中前三类a、b、c以弹性模量和泊松比表征其弹性特性。
6.2无结合料粒料
6.2.1简介
主要是级配砂砾或级配碎石，要求受力稳定，易施工，易压实。
材料要求可见NAASRA1976、1980、1982a、1982b。
改善粒料材料主要是加入少量的稳定剂，以改善其性能（如改善塑性），但并没有明显导致刚度变化，其性能仍被认为是无结合料粒料材料。
对于无结合料粒料，垂直方向的模量与水平方向明显不同，即各向异性，但其机理还不清楚，这可能是由于路面分层压实的原因，本规范认为垂直方向的模量是水平方向的两倍（对于无结合料粒料）。
在设计程序中，粒料力学特性用弹性参数来反应，但在第9章中用的是CBR。
所要求的CBR值与其所处层深有关，有关要求可见NAASRA。
6.2.2模量与泊松比
粒料的模量与应力水平有很大关系，与加载速率关系不大，泊松比一般在0.1-0.5之间变化，对路面厚度计算结果的影响较小，泊松比一般取为0.35。
6.2.2.1干密度与含水量
干密度与含水量对模量均有影响，因此参数确定时应考虑使用期内路面情况。
若无法肯定使用中路基状态，设计中可考虑以下几种最不利情况的可能：
1.沿河道路应考虑被淹没时的情况；
2.挖方路基在地下水位以下或可能有渗流；
3.路基顶面与地下水位差小于1m。
6.2.2.1应用水平
粒料模量与应力水平有显著关系，典型关系式如下：
θ：
主应力之和；
K1、K2：
试验常数；
但是，细粒土与上述规律并不一致，表现为随应力水平增加，模量减小，到达某一值才开始有轻微的增加。
6.2.3无结合料粒料模量的确定
本规范设计需要粒料层上层（顶面）的模量值，对于其他层，其模量取决粒料层下路面材料的刚度，而不是粒料本身。
表1.6.6给出了推荐值（最上层模量）。
6.2.3.1直接测量
推荐使用重复加载试验（三轴）确定粒料层模量，可恢复的压缩变形用于计算模量。
鉴于应力水平、湿度与密实度条件的影响，要求测试时这三个因素必须接近路面使用中的测试条件，表1.6.7推荐了试验室内的测试条件。
确定模量时，测试应力水平应与路面实际工作状态中的应力水平相一致，否则可按表1.6.7的测试数量进行外推修正。
6.2.3.2弯沉盆反分析
1.测量路面标准轴载作用下的弯沉盆；
2.测量或假定路面层厚度；
·选择初始模量
·选代计算分析，拟合效果最好就是最后的解答
6.2.3.3推荐值
在使用发表的数值必须注意其条件，本规范表1.6.4考虑选用，必须注意实际应力水平的影响。
6.3水泥稳定类
6.3.1定义：
足够的无机结合料，有明显的抗拉强度。
6.3.2弹性参数
认为是均质，各向同性、线弹性、抗拉弹性模量与抗压模量不同，但为使用方便，取为确定值。
泊松比一般取为0.20。
6.3.2.1直接测试
推荐使用梁试件3点加载弯曲试验（因为其受力状态与实际路面结构层相似），根据梁的理论计算模量值，或者使用直接拉伸试件，从应变—应力曲线上测得。
动态测试方法是一种无损试验，一般测试结果要比静态结构高10-15%，表1.6.3给出了测试方法、测试结果，使用应小心选用，尤其是其中的抗压试验。
6.3.2.2弯沉盆反分析
6.3.2.3相关关系
模量与无侧限抗压强度关系如下：
水泥碎石
水泥砂砾
UCS为无侧限抗压强度。
间接抗拉强度约为1/8-1/10的UCS（设计中也可用于估计）。
必须提出，上述关系来源于国外数据，对高稳定剂量E>6000MPa适用性好，因此其他情况只能作为参考关系。
6.3.2.4推荐值
半刚性材料模量的影响因素主要是结合料含量和密实度，表1.6.4给出了推荐值，但其中不能反应这两个因素的影响，因此，应用时必须小心。
6.3.3疲劳特性（参见表1.6.5）
6.3.3.1直接测试
弯曲试验、抗拉试验与三轴试验，根据路面的实际受力状态，一般认为前两种较好，第一种最好。
疲劳测试一般在大于0.5倍极限应力或极限应变下进行，这样材料会表现为明显的疲劳开裂破坏，在双对数坐标系下，为线性关系（测试应力/极限应力，重复加载次数）。
6.3.3.2相关关系
静态测试可用于估计疲劳寿命。
研究表明，对于常用材料和常用剂量的半刚性材料，大约50%的极限应变对应于100万次荷载作用。
在没有其他资料可参考时，可用此关系来估计疲劳寿命，但应谨慎使用。
6.3.3.3已公开发表的关系
见图1.6.1，给出了不同模量时的疲劳关系，主要来自于国外，故应用时应注意。
分为三个阶段，一种是2000MPa如天然砂砾稳定，开级配稳定碎石。
第二种是5000MPa的高质级配碎石，基层性质的天然砂砾，第三种是1万MPa的普通混凝土，碾压混凝土
，28天抗压强度为5-7MPa，所有这些值是在最大干密度条件下得到的。
6.3.4疲劳特性
影响因素：
材料强度、模量、密度、湿度、拌合
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