孙立军柔性路面结构设计方法.docx

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孙立军柔性路面结构设计方法

柔性路面结构设计方法

一、设计方法说明

对路面设计的最基本要求是耐久、平整、抗滑。

耐久是指有足够长的使用寿命，这要求整个路面结构具有足够的强度和抗变形能力。

事实上，迄今为止所有的设计方法都是围绕着耐久性这个核心而提出的。

平整性要求是为了保证路面的行驶舒适性，对高等级公路/道路，由于车速高，保证平整度尤为必要。

要做到路面平整，就必须有正确的厚度设计、正确的材料设计和正确的施工方法。

抗滑是对路面表面特性的要求，传统上不属于路面结构设计的内容，主要通过表面层材料的选择和材料的设计予以保证。

因此，要使路面达到预期的使用性能和用户要求的满意度，必须围绕着耐久性这一个核心，进行精心设计何计算。

迄今为止，我国交通部分别于1958、1966、1978、1986和1997年颁布了柔性或沥青路面设计规范，目前广泛使用的是1997年颁布的规范。

该规范使用了路表弯沉、整体性基层底面弯拉应力作为路面设计指标。

理论上说，这个规范可以设计不同基层的路面结构，但由于力学计算中采用了连续体系的假设，并且未能给出沥青基层的明确要求；加上当时认识上的误区使得实践中使用的几乎全部是半刚性基层结构，所以我国的路面结构十分单调。

根据分析，97年规范虽然采用了多指标设计方法，但真正起控制作用的指标在绝大部分场合只是路面弯沉指标，其他指标不起控制作用。

虽然采用现行规范可以验算面层底面的弯拉指标，但柔性基层上沥青路面结构的面层底面采用的是弯拉应力指标。

影响弯拉应力的因素十分复杂，规范中考虑的比较简单；疲劳规律的可靠性也需要进一步验证。

所以，采用规范方法设计柔性基层的重交通路面的可靠性是需要进一步研究的。

本课题拟根据国外沥青路面设计方法和实践现状，以国内外的道路实践为基础，总结提出适用于柔性基层沥青路面的结构设计方法框架，供适用时参考。

二、结构设计考虑

长期以来，我国的路面结构组合设计都是根据路面的设计和使用经验进行的，至今没有十分明确的设计原则，更没有定量的结构组合设计方法。

由于我国以前交通量较小、沥青价格相对昂贵，加之沥青中含蜡量高，高温稳定性能差，出于节省投资和避免车辙的考虑，一直采用“强基薄面”的路面结构组合设计思想。

并且，这种设计思想一直成功地指导着我国的路面结构组合设计，取得了很大的成绩。

然而，近几年来，随着道路等级和车速的不断提高、交通量的增长、轴载的加重，路面损坏现象不论是在时间上还是在类型或原因上都与以往有所不同，损坏期提前（初期损坏），损坏类型或原因增多，产生的原因同以往相比也有所不同，高速、高温、多雨和重交通轴载是产生这些损坏现象的主要原因。

所以，从设计上引入新的设计方法是必要的。

路面的损坏具有各种类型和各种形态。

一般而言，高等级公路的路面损坏包括变形（车辙）、开裂（疲劳开裂、低温开裂和反射裂缝）等损坏类型。

过多的路面损坏即意味着路面寿命的终结，限制和延迟这些损坏的发生是路面设计的主要任务。

通过路面使用性能的宏观表现，分析路面结构的问题所在，从而为路面组合设计提供进一步的指导。

而且，仅从力学角度考虑路面结构厚度选择，不能指导路面结构组合的定量设计，因此，很难优化设计路面的结构组合。

况且，路面设计不应仅考虑一次修建，仅计及初期修建费和该路面结构的使用寿命，而应考虑预定分析期内可能采用的各种维修费用和养护费用。

路面的过早损坏意味着路面的耐久性不足。

路面设计中所考虑的路面损坏类型，如疲劳开裂、车辙等都可以归结为“疲劳”损坏，即结构的弯曲疲劳和变形累积（疲劳），都与荷载的长期使用有关；控制了这些损坏的出现，也就等于控制了路面的寿命。

控制这些损坏就是本方法的主要出发点。

目前的各种路面厚度设计一般考虑两个内容，一是路面总厚度或总刚度的控制，所采用的控制指标是路基顶面的压应变、路基CBR或弯沉等指标；二是面层厚度的控制，在基于力学的设计方法中采用面层底面的弯拉疲劳应变作为指标控制。

这种做法可以作为建立本设计方法的借鉴。

本方法中，关于路面结构的定义如图2-1所示。

面层：

沥青材料，包括表层和联结层，可以是AC，AK，SMA，SAC

面层

基层

垫层

土基

图2-1典型路面结构

基层：

沥青材料，可以是AC，AM

级配碎石，级配粒料

垫层：

半刚性材料可以这样提，但要从功能上明确其作用，比如调整改善路床

碎砾石材料强度，抗冻、排水等孟书涛注

土基：

各类符合压实标准的土基

沥青层：

指所有由沥青材料组成的层次，可能仅指面层（当基层为非沥青类材料时），也可能指面层和基层（当基层为沥青类材料时）。

三、荷载考虑

本方法仍然只考虑常规荷载的作用，而不考虑超载的作用。

路面轴载采用单轴标准轴载表示，标准轴载采用10吨，其他荷载的作用可以换算为标准荷载的作用。

路面结构类型选择的关键在于正确估计设计交通量，设计交通量是结构设计期间最大车道累积等效标准轴次。

设计时首先要进行交通荷载的调查，以掌握准确的第一手荷载资料；调查内容包括轴载谱、横向分布状况等。

调查最好采用称重仪进行，没有条件时也可以采用目测方法进行，或者采用公开的观测结果、运输规划模型或查表法。

平均日等效交通量计算公式为：

ADE=∑tj×Fj

其中tj为各种确定轴载的重复次数；Fj为不同荷载等效系数。

理想的交通量数据应通过长期观测得到以减少不利影响，但这往往难以做到，采用年均日标准轴次可对交通流各种变化予以修正，将每车道每年总标准轴次除以365得到年均日标准轴次，无论交通量数据来自最新调查还是历史信息，确定年均日标准轴次考虑以下修正因素：

平日与休息日的变化

异常环境与平常期的变化

季节性变化

交通量增长率考虑两个影响因素，即重车交通量增长；重车荷载增长，可按以下方法确定：

历史增长率；南非乡村道路交通模型。

设计者应慎重确定增长指数，考虑其可靠性及是否符合当地条件，包括：

区域内重车数量额外增长是否可能；

经济增长如何；

变更运输模型的可能性；

政府政策影响如何（鼓励或限制车载等）；

有多少交通量转移至所计划的新路；

增长率可否为负。

上述确定AADE的时间一般早于设计开始期，设计初年交通量应考虑增长系数如下：

gx=（1+i%）xx：

确定交通量与设计开始期间年限。

故设计初年交通量由下式确定：

AADE（初）=AADE×gx

路面设计期内可采用不同交通量增长率，计算设计初年AADE采用增长系数gx，各个增长期的累计标准轴次计算采用增长系数fy，最后累加得到设计期标准轴次。

四、设计指标

根据国外的经验和“沥青路面设计指标体系研究”课题的建议，采用的设计指标为：

主要设计指标：

沥青层底面的弯拉应变

，路基顶面的压应变

次要设计指标：

整体性垫层底面的弯拉应变

。

1、沥青层底面的弯拉应变

实际上，沥青层可以当作一个整体看待。

即便沥青层处于基层的位置，它仍然可以和面层形成一个整体，考虑层间连续，此时的沥青层包括结构中的面层和基层部分。

若基层为非沥青材料，则此时的沥青层仅指面层。

沥青层底面的弯拉应变指标是各种力学-经验设计方法中普遍采用的指标，该指标的目的是保证沥青层本身不会产生疲劳破坏，以确保沥青层的寿命不小于路面的使用寿命。

目前规范中采用限制沥青层底面弯拉应力作为验算指标，以控制沥青层的疲劳开裂破坏。

实际上，重复荷载作用下沥青面层底面的弯拉应力取决于沥青面层的弯曲变形量，而后者则同沥青层与下卧层的刚度比以及层间接触条件有关。

在本项目中，采用沥青层底面的弯拉应变

而不是弯拉应力作为结构的设计指标，而不是验算指标。

即做了两个改变，一是变验算指标为设计指标，一是变弯拉应力指标为弯拉应变指标。

2、路基顶面的压应变

路基顶面的压应变是各种力学-经验设计方法中普遍采用的另一个指标，其主要目的是控制路面的总变形量。

在我国目前的规范中，控制总变形量的指标是路面弯沉，根据国外的经验和“沥青路面设计指标体系研究”课题的分析、建议，这里采用路基顶面的压应变

作为控制指标。

3、整体性垫层底面的弯拉应变

如果垫层采用半刚性材料，则需要验算其层底的弯拉应变

，所以这里要求验算整体性材料底面的弯拉应变

。

五、设计指标值

1、指标设计值计算—层间接触条件

采用弹性多层体系分析计算路面结构的应变值。

计算条件是：

所有沥青层----不管是面层还是基层----之间的接触条件都假定为连续，沥青层与其他材料层----不管是级配碎石还是半刚性材料----之间接触条件均假定为滑动，以此计算路面结构内部的应变数值。

2、指标容许值计算

指标的容许计算涉及的是材料的现场疲劳方程问题，这是整个涉及方法的核心，也是最难以确定的因素。

不同设计方法的主要区别就在于此。

本方法中采用的疲劳考虑如下。

1沥青层底面的弯拉应变

与路面寿命之间的关系

上图是根据上海地区资料导得的沥青层底面弯拉应变与路面寿命的关系，可用下式表示：

需要与国外比较其适用性，根据四川和青海试验路材料进行室内试验验证

2路基顶面的压应变

与路面寿命之间的关系

上图是根据上海地区资料导得的沥青层底面弯拉应变与路面寿命的关系，可用下式表示：

需要与国外比较其适用性，根据四川和青海试验路材料进行室内试验验证

③与国外结果的比较

从上图可以看出，本研究得出的疲劳方程的斜率与美国的方程基本一致，尤其与AI的斜率几乎相同（本研究的-3.2897对AI的-3.291）。

整个数值与AI的也十分接近。

可见本研究提出的方程是可靠的，同时也说明，不同国家的路面疲劳特性也是很接近的。

不过，我国的路面疲劳寿命较长，可能是路面设计标准偏低的缘故。

从上图可以看出，澳大利亚、新西兰的结果与其他国家相差较大，其他国家的结果则比较接近。

本研究提出的疲劳方程位于其他几个国家的中间，尤其与比利时、AI、法国和SHELL（保证率为85%）的结果吻合得非常好。

六、结构设计

对于重交通路面，完整的沥青层包括3个层次，即表层、联结层和基层。

表层相当于目前的上面层，主要起功能性和抗车辙能力；联结层相当于目前的中面层，主要作用应该具有高温性能；而基层应该能够具有抵抗疲劳的能力。

对于轻交通路面，可以采用级配碎石基层，此时沥青层仅包括表层和联结层。

表层

表层是要求最高的层次，其主要功能是：

①在足够长的时间内提供平整的行驶表面；

②在要求的时间内提供足够的抗滑性能。

要实现这些功能，表面层必须具有足够的耐久性，并满足以下要求：

①集料具有足够的纹理深度，面层具有适当的构造深度；

②具有很强的高温抗变形能力；

③具有足够的低温韧性；

④具有足够的强度，具有扩散荷载的能力，能够抵抗荷载的重复剪切作用和其他疲劳作用；

⑤具有很强的抗水作用能力。

联结层

联结层的主要功能是：

①抗车辙；

②抗低温缩裂；

③抗渗。

要实现这些功能，中面层必须满足以下要求：

①具有很强的高温抗变形能力；

②具有足够的低温韧性；

③具有很高的强度，以抵抗荷载的重复作用；

④具有很强的抗水作用能力；

⑤具有很强的耐久性。

基层

①抗疲劳；

②抗渗或排水。

要实现这些功能，底面层必须满足以下要求：

①具有很高的强度，以抵抗荷载的重复疲劳作用；

②具有较强的抗水作用能力；

③具有足够的耐久性。

七、材料参数基本采用现在的参数值

在进行分析时，目前采用的材料参数是采用路面设计规范中的数值，即沥青材料的模量采用1200MPA，路基模量范围在15-80MPA之间。

沥青基层材料的组成虽与面层有较大区别，但起力学性能不应有大的差别，而应基本一致。

材料设计仍然可以采用现行的原则，尤其是表层材料，设计成抗车辙、抗滑的材料。

级配碎石基层应提供足够的强度，除满足设计指标要求以外，还应具有足够的模量值和稳定性，估计应在600-800MPA以上。

半刚性材料的设计可按现行准则进行。