瀝青路面設(shè)計指標(biāo)和參數(shù)研究

1、瀝青路面設(shè)計指標(biāo)和參數(shù)研究報 告 簡 本 現(xiàn)行規(guī)范的結(jié)構(gòu)設(shè)計方法，以路表回彈彎沉值、瀝青面層和半剛性層的層底拉應(yīng)力作為控制路面結(jié)構(gòu)總體剛度（承載能力）以及瀝青層和半剛性層疲勞開裂損壞的設(shè)計指標(biāo)。采用靜態(tài)測試方法確定路基土和路面材料的模量值，以劈裂試驗方法確定路面材料的強度值，并且未考慮溫度和濕度變化對參數(shù)值的影響。這樣的設(shè)計指標(biāo)和參數(shù)值，不能如實反映路面結(jié)構(gòu)的損壞現(xiàn)象和機理，也不能正確反映土和材料的力學(xué)性狀。為了改善現(xiàn)行瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計的指標(biāo)和參數(shù)，2005年初交通部立項開展研究，計劃提出新的設(shè)計指標(biāo)和相應(yīng)的設(shè)計參數(shù)。 擬訂瀝青路面新指標(biāo)和參數(shù)體系時，依據(jù)下述原則考慮：（1）仍遵循力學(xué)-經(jīng)驗法

2、的基本思路；（2）針對層狀復(fù)合結(jié)構(gòu)和損壞類型多樣化的特點，采用多設(shè)計指標(biāo)體系，各指標(biāo)分別控制對應(yīng)的損壞類型；（3）設(shè)計基準(zhǔn)期內(nèi)路面的累計損傷仍采用當(dāng)量損壞法分析；（4）對設(shè)計參數(shù)的采集要求分為三個層次，分別規(guī)定不同精細(xì)或準(zhǔn)確程度的方法；（5）材料性質(zhì)參數(shù)應(yīng)能反映行車荷載和環(huán)境因素對其性狀的影響，并采用科學(xué)的試驗方法測定；（6）各種損壞模型的建立以室內(nèi)試驗為基礎(chǔ)，室外驗證和修正以路面加速加載試驗（ALF）為主；（7）在現(xiàn)有國內(nèi)外前沿水平的基礎(chǔ)上建立設(shè)計指標(biāo)和參數(shù)的基本框架體系。1. 結(jié)構(gòu)層組合方案和損壞類型瀝青路面可以按基層材料類型的不同分為三大類結(jié)構(gòu)層組合方案：（1）選用粒料做基層的粒料類基層

3、瀝青路面；（2）選用瀝青結(jié)合料類材料做基層的瀝青類基層瀝青路面；（3）選用無機結(jié)合料類材料做基層的無機結(jié)合料類基層瀝青路面。而各大類中，又可以按底基層材料的不同分為粒料類底基層、無機結(jié)合料類底基層和瀝青結(jié)合料類底基層三亞類。各種路面結(jié)構(gòu)層組合方案具有不同的結(jié)構(gòu)特性及損壞機理和形態(tài)特征。瀝青路面的設(shè)計指標(biāo)主要針對以下6類損壞：（1）瀝青層的疲勞開裂；（2）無機結(jié)合料穩(wěn)定層的疲勞開裂；（3）瀝青面層的永久變形；（4）粒料層和路基的永久變形；（5）瀝青面層的低溫縮裂；（6）瀝青面層的反射裂縫。各種瀝青路面結(jié)構(gòu)層組合方案在結(jié)構(gòu)設(shè)計時所需考慮的損壞類型，匯總于表1。本項目研究前5項損壞，提出相應(yīng)的設(shè)計指

4、標(biāo)和相關(guān)的設(shè)計參數(shù)。表1 各種結(jié)構(gòu)層組合方案需考慮的瀝青路面損壞類型路面類型瀝青類基層和粒料類基層無機結(jié)合料類基層面層厚度厚中厚薄厚中厚、薄主要損壞類型永久變形（面層為主）疲勞開裂永久變形（粒料層和路基）永久變形(面層)反射裂縫(面層)次要損壞類型疲勞開裂永久變形-疲勞開裂冰凍地區(qū)低溫縮裂(面層)2. 瀝青層疲勞損壞 選用矩形小梁4點彎曲疲勞試驗進行瀝青混合料室內(nèi)疲勞性能的研究，并制訂了標(biāo)準(zhǔn)試驗方法。采用常應(yīng)變加載控制模式，在15°C和10Hz條件下對各種瀝青混合料進行了108次疲勞試驗。在吸納國外部分疲勞試驗結(jié)果的基礎(chǔ)上，對618有效組數(shù)據(jù)進行了回歸分析，建立了常應(yīng)變控制模式下的室

5、內(nèi)疲勞壽命預(yù)估模型。通過各4m長的3個試驗段（瀝青層厚度為5、10和15cm）的路面加速試驗（ALF），對室內(nèi)疲勞模型進行修正，引入了模式系數(shù)、輪載橫向分布系數(shù)和軸載載換算系數(shù)，并標(biāo)定了室內(nèi)模型的系數(shù)后，得到經(jīng)過驗證和修正后的瀝青層疲勞壽命預(yù)估模型： （1） 選取了54個級配碎石基層瀝青路面結(jié)構(gòu)，對上述預(yù)估模型和美國力學(xué)-經(jīng)驗法的預(yù)估模型進行了疲勞壽命的對比分析。除了應(yīng)變水平小于50的低應(yīng)變路面結(jié)構(gòu)外，其他路面的預(yù)估壽命基本接近，都在同一個數(shù)量級內(nèi)。3. 無機結(jié)合料穩(wěn)定層疲勞損壞 選用水泥穩(wěn)定砂礫、水泥穩(wěn)定碎石、水泥穩(wěn)定土和水泥-石灰穩(wěn)定碎石4類常用無機結(jié)合料穩(wěn)定材料，進行了147次三分點加載

6、梁試件彎曲疲勞試驗。按照Weibull分布回歸得到各種混合料的7個疲勞關(guān)系式。其中，水泥穩(wěn)定碎石的疲勞壽命預(yù)估模型為： （2） 在試件底面有支承和試件浸水的條件下分別進行了疲勞試驗，與常規(guī)疲勞試驗結(jié)果相比較，受支承時試件的疲勞壽命可以增加，浸水對水泥穩(wěn)定土的疲勞壽命影響很大，但對水泥穩(wěn)定碎石的影響則很小。4. 瀝青面層低溫縮裂損壞影響瀝青層低溫開裂的最重要的因素是瀝青在低溫時的蠕變勁度（或稠度）及其感溫性。選用在該地區(qū)最低路面溫度下不會變脆的瀝青結(jié)合料是預(yù)防瀝青面層低溫開裂的關(guān)鍵。對3種基質(zhì)瀝青進行了各種性質(zhì)指標(biāo)的測定，將它們與臨界開裂溫度的關(guān)系進行關(guān)聯(lián)分析的結(jié)果表明，我國規(guī)范采用的低溫延度、

7、低溫針入度和當(dāng)量脆點與臨界開裂溫度的關(guān)聯(lián)度都很小，因而，這些評價指標(biāo)無法很好地表征瀝青的低溫性能。對吉林和黑龍江省4條公路的12個路段進行了裂縫調(diào)查，并對回收瀝青進行了BBR試驗和DT試驗，計算了臨界開裂溫度。瀝青性質(zhì)與開裂程度相對應(yīng)的驗證結(jié)果表明，蠕變勁度S、勁度曲線斜率m和斷裂應(yīng)變，這3項瀝青低溫性能指標(biāo)可以有效地判別瀝青層抗低溫性能的優(yōu)劣，其標(biāo)準(zhǔn)值（當(dāng)?shù)芈访孀畹蜏囟燃?0°C時，S < 300 MPa、m > 0.30、破壞應(yīng)變 > 1%）與路面的實際開裂程度相吻合。因而，可以采納作為評定瀝青低溫性能的指標(biāo)和標(biāo)準(zhǔn)。參照Hass和Hajek建立的模型提出了開裂量

8、預(yù)估模型。對吉林和黑龍江省4條公路的13個路段進行了瀝青層開裂狀況調(diào)查，并對瀝青的性質(zhì)和路面結(jié)構(gòu)進行了測試。依據(jù)所取得的數(shù)據(jù)，按預(yù)估模型計算了各個路段的開裂量。與實際開裂量的對比表明，各路段的預(yù)估值與觀測值都比較接近，偏差在可接受的范圍內(nèi)。因此，預(yù)估模型可以暫時用作瀝青面層低溫抗裂設(shè)計的參考。5. 瀝青層永久變形 控制瀝青層永久變形的主要途徑是，按照交通荷載、溫度狀況和路面結(jié)構(gòu)層組合的要求，正確、合理地設(shè)計瀝青混合料的組成。選用輪轍儀試驗和重復(fù)加載三軸蠕變試驗作為研究對象，檢驗了它們判別瀝青混合料抗永久變形性能優(yōu)劣的可靠性，并分析了影響測試結(jié)果的各方面因素。在此基礎(chǔ)上，制定出了標(biāo)準(zhǔn)試驗方法。

9、以相對轍深和蠕變率作為應(yīng)用輪轍儀試驗評定瀝青混合料抗永久變形性能的指標(biāo)。選用3種密級配瀝青混合料和4種4%SBS改性瀝青混合料，在不同輪壓和溫度條件下進行輪轍試驗。依據(jù)551個有效樣本數(shù)據(jù)，進行多元回歸分析后建立了相對轍深預(yù)估模型。在各4m長的3個試驗段（瀝青層厚8 cm）上通過ALF試驗儀進行了車轍試驗。利用車轍試驗結(jié)果，對輪轍儀試驗的相對轍深預(yù)估模型進行了輪壓和作用次數(shù)的修正，并分析了車速對轍深的影響。以此修正后的相對轍深預(yù)估模型為基礎(chǔ)，按各氣候區(qū)的代表地區(qū)的月平均氣溫資料、累計標(biāo)準(zhǔn)軸次和瀝青層位深度的不同，分別計算累計車轍深度。取瀝青層的容許車轍深度為15mm，據(jù)此確定不同條件下輪轍試驗

10、的相對轍深容許值，并進而按相對轍深與蠕變率之間的關(guān)系轉(zhuǎn)換為蠕變率容許值，如表2所列。表2 瀝青混合料輪轍試驗蠕變率（次/mm）的要求（不小于）交通分級(×106軸次數(shù))距路表深度(cm)溫度分區(qū)I-1、I-2、I-3、I-4II-1II-2、II-3、II-4III-210101500（2400）600800600>1060060060060030103200（4500）10001500600>101000（1500）600600600120105500320045001500>10250010001500600 以流動數(shù)作為應(yīng)用重復(fù)加載三軸蠕變試驗評定瀝青混合料抗

11、永久變形性能的指標(biāo)。選用4種普通瀝青混合料和1種改性瀝青混合料，在3種軸向應(yīng)力和3種溫度條件下進行流動數(shù)測定。依據(jù)試驗結(jié)果，建立了流動數(shù)與應(yīng)力和溫度之間的經(jīng)驗關(guān)系式，以及永久變形與應(yīng)力和溫度之間的經(jīng)驗關(guān)系式。利用ALF試驗的3段車轍試驗結(jié)果和瀝青層中部（4cm處）的豎向應(yīng)力分析，對上述經(jīng)驗關(guān)系式進行了驗證，得到了修正后的車轍預(yù)估模型。6. 路基和粒料層永久變形利用室內(nèi)動三軸試驗系統(tǒng)對3種土和4種碎石粒料在不同含水量、壓實度和偏應(yīng)力級位條件下進行了永久變形試驗，并以Tseng和Lytton模型為基礎(chǔ)，分別建立了土和碎石的永久變形預(yù)估模型。應(yīng)用此模型，按分層應(yīng)變總和法計算分析了我國典型路面結(jié)構(gòu)的路

12、基和粒料層的永久變形量。依據(jù)安定理論的概念，控制住傳到路基頂面的應(yīng)力水平，使它產(chǎn)生的永久變形累積可以最終達(dá)到平衡狀態(tài)，使上面的路面結(jié)構(gòu)不會產(chǎn)生由于路基的過量永久變形而引起的損壞。利用處于臨界損壞狀況的路面結(jié)構(gòu)資料和達(dá)到該臨界損壞狀況時的標(biāo)準(zhǔn)軸載作用次數(shù)（即壽命），便可以反算出處于臨界損壞狀況時的路基頂面豎向壓應(yīng)變，并建立起路基頂面容許豎向壓應(yīng)變同標(biāo)準(zhǔn)軸載作用次數(shù)間的關(guān)系式。 利用以往設(shè)計規(guī)范的容許彎沉公式，為不同標(biāo)準(zhǔn)軸次數(shù)反演出符合容許彎沉要求的路面結(jié)構(gòu)，再針對這些路面結(jié)構(gòu)反算出相應(yīng)的路基頂面豎向壓應(yīng)變。由此得到容許壓應(yīng)變與標(biāo)準(zhǔn)軸次之間的關(guān)系式： （3）選用了AASHO試驗路的195種路面結(jié)構(gòu)

13、，計算處于臨界損壞狀況（）時的路基頂面壓應(yīng)變和標(biāo)準(zhǔn)軸載（100kN）累計作用次數(shù)，以此對式（3）進行驗證。二者相比較，共有117種AASHO路面結(jié)構(gòu)在允許荷載作用次數(shù)下達(dá)到了臨界損壞，采用式（3）進行設(shè)計的保證率為60。 此外，還同Shell方法的路基頂面容許壓應(yīng)變關(guān)系式進行了對比。式（3）的計算結(jié)果介于Shell50%保證率與85%保證率之間，表明所建立的路基頂面容許壓應(yīng)變公式是適用的。7. 路基和粒料層回彈模量 路基土和粒料是非線性彈塑性材料，其回彈模量值具有應(yīng)力依賴性，并隨其濕度和密實度狀態(tài)變化。本研究選用由重復(fù)加載三軸壓縮試驗得到的回彈模量表征土和粒料的力學(xué)性狀。通過比選和測試評價，制

14、定出了重復(fù)加載三軸壓縮試驗的回彈模量標(biāo)準(zhǔn)試驗方法。選取了12種代表性土和3種碎石粒料進行了重復(fù)加載回彈模量試驗，考察分析了相關(guān)因素對回彈模量值的影響。在此基礎(chǔ)上，建立了土和粒料回彈模量的3參數(shù)本構(gòu)模型，并通過與土和粒料物性參數(shù)的關(guān)聯(lián)，建立了土和粒料物性參數(shù)與本構(gòu)模型3 參數(shù)之間的關(guān)系式。按彎沉等效原則，通過三維有限元非線性力學(xué)分析和彎沉迭代反演，確定不同交通等級的路基和粒料層內(nèi)的當(dāng)量回彈模量和當(dāng)量應(yīng)力水平。依據(jù)土和粒料回彈模量預(yù)估模型和當(dāng)量應(yīng)力水平，提出了不同交通等級的各類路基和粒料層在標(biāo)準(zhǔn)條件下的回彈模量參考值。8. 無機結(jié)合料穩(wěn)定材料彈性模量 對水泥穩(wěn)定砂礫、水泥穩(wěn)定碎石、水泥穩(wěn)定土和石灰

15、-粉煤灰穩(wěn)定碎石4種混合料進行了靜態(tài)彎拉回彈模量和壓縮回彈模量的測試，并建立了模量轉(zhuǎn)換經(jīng)驗關(guān)系式。應(yīng)用梁試件的疲勞試驗和梁底拉應(yīng)變的連續(xù)測定，對上述4種無機結(jié)合料穩(wěn)定材料的動態(tài)彎拉模量衰變規(guī)律進行了試驗研究。反復(fù)加載過程中，拉應(yīng)變增長和動態(tài)模量衰變經(jīng)歷了下降較快、降速穩(wěn)定和急劇下降三個階段。各階段所占疲勞壽命的比例分別為20%、60%和20%（水泥穩(wěn)定類材料）或15%、75%和10%（二灰穩(wěn)定類材料）。依據(jù)試驗結(jié)果，提出了各種無機結(jié)合料穩(wěn)定材料在不同模量衰變階段的動態(tài)彎拉模量值。 無機結(jié)合料穩(wěn)定類基層或底基層，由于濕度收縮和溫度收縮作用，在開放交通之前或之初便會產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，并由此而出現(xiàn)微裂隙。

16、這些微裂隙的存在，使材料的有效模量值降低。參照南非的經(jīng)驗，提出了無機結(jié)合料穩(wěn)定類材料在收縮開裂后的彈性（回彈）模量參考值。9. 瀝青混合料動態(tài)模量瀝青混合料是彈粘性材料。瀝青的勁度模量值具有溫度和加載頻率（時間）依賴性。本研究選用單軸壓縮動態(tài)模量表征瀝青混合料的力學(xué)性狀。在分析比較國外各標(biāo)準(zhǔn)試驗方法的差異性和優(yōu)缺點的基礎(chǔ)上，制定出了適合我國室內(nèi)試驗水平的瀝青混合料單軸壓縮動態(tài)模量試驗標(biāo)準(zhǔn)和數(shù)據(jù)整理方法。在考察分析諸多影響因素的基礎(chǔ)上，選取了8個影響變量，進行了168次動態(tài)模量測試和188次驗證試驗。在此基礎(chǔ)上，建立了6個取用不同影響變量的瀝青混合料動態(tài)模量預(yù)估模型，其中，含有瀝青含量和空隙率變

17、量的3個多元非線性動態(tài)模量預(yù)估模型，與試驗實測數(shù)據(jù)的擬合效果最好。利用所建立的瀝青混合料動態(tài)模量預(yù)估模型，給出了我國3種常用瀝青混合料（AC、AK、SMA）在20°C和10 Hz標(biāo)準(zhǔn)條件下，采用不同瀝青類型、瀝青用量和空隙率的動態(tài)模量參考值。10. 路基濕度狀況依據(jù)路基的濕度來源和變遷特點，將路基的濕度狀況分為3類：（1）受地下水位影響的潮濕類路基；（2）受大氣濕度影響的干燥類路基；（3）兼受地下水位和大氣濕度影響的中濕類路基。 采用濾紙法試驗標(biāo)定了12種土的Fredlund & Xing土-水特性曲線模型參數(shù)，分別建立了路基土含水量和基質(zhì)吸力關(guān)系模型。 干燥類路基土的基質(zhì)吸

18、力與大氣濕度（以濕度指數(shù)TMI表征）和路基土性質(zhì)（以塑性指數(shù)和細(xì)粒土含量表征）有關(guān)。在12個路段上采集了土樣和濕度指數(shù)，測定了土的參數(shù)和基質(zhì)吸力，并同Perera等的44個數(shù)據(jù)一起進行回歸分析，建立了干燥類路基土的基質(zhì)吸力預(yù)估模型。潮濕類路基土的基質(zhì)吸力與距地下水位的距離成正比。應(yīng)用土-水特性曲線和基質(zhì)吸力預(yù)估模型，預(yù)估了干燥類濕度狀況路基在不同大氣濕度指數(shù)時的平衡濕度推薦值，以及潮濕類路基的不同土組平衡濕度推薦值。通過歸并和插值，提出了中濕類路基在不同大氣濕度指數(shù)時的不同土組平衡濕度推薦值。 對所選12個路段的土樣進行不同含水量和壓實度條件下的回彈模量測試。以最佳含水量時的回彈模量作為標(biāo)準(zhǔn)值

19、，不同含水量時的回彈模量與標(biāo)準(zhǔn)值之比稱為回彈模量濕度調(diào)整系數(shù)。利用這些數(shù)據(jù)建立了回彈模量濕度調(diào)整系數(shù)模型。并進而由3類路基的濕度預(yù)估值推演出相應(yīng)的非冰凍地區(qū)回彈模量濕度調(diào)整系數(shù)。季節(jié)性冰凍地區(qū)的路基土，經(jīng)歷著冰凍、融解、回復(fù)和正常4個季節(jié)性變化階段。按各時段路基的濕度和回彈模量值以及對路面結(jié)構(gòu)的損傷程度，進行加權(quán)總和后得到路基的有效回彈模量。有效模量與標(biāo)準(zhǔn)模量之比即為季節(jié)性冰凍地區(qū)路基回彈模量的綜合調(diào)整系數(shù)。對12種土樣進行了有效回彈模量的計算，得到季節(jié)性冰凍地區(qū)各類土在干燥、中濕和潮濕狀態(tài)下的回彈模量綜合調(diào)整系數(shù)。11. 路面溫度狀況瀝青和瀝青混合料的勁度和強度性質(zhì)具有強烈溫度依賴性，瀝青層

20、的使用性能和使用壽命也就與路面的溫度狀況密切相關(guān)。瀝青層內(nèi)的溫度在年、月、日內(nèi)隨著大氣發(fā)生著周期性的變化。各地由于氣候條件的不同，瀝青層內(nèi)的周期性溫度變化具有不同的規(guī)律、圖式和范圍。因而，瀝青路面結(jié)構(gòu)響應(yīng)分析時所采用的瀝青層模量參數(shù)，應(yīng)隨瀝青層內(nèi)的溫度狀況而變化，帶有地域和氣候條件的特性。依據(jù)一維熱傳導(dǎo)偏微分方程和路表熱流函數(shù)，采用有限差分法建立瀝青路面的溫度場模型，并通過北京和金華的路面溫度觀測站的測定數(shù)據(jù)對模型參數(shù)進行標(biāo)定和對溫度預(yù)估進行驗證。利用所建溫度場模型，對不同氣候區(qū)的瀝青路面進行溫度場分析，提出各地區(qū)瀝青路面的年溫度分布頻率。針對本項目所采用的結(jié)構(gòu)性損壞的類型和指標(biāo)（瀝青層疲勞開裂、無機結(jié)合料穩(wěn)定層疲勞開裂和路基永久變形），按照當(dāng)量損耗的概念，為不同地區(qū)（即不同氣候條件）和不同瀝青層厚度的路面結(jié)構(gòu)（粒料類基層和無機結(jié)合料類基層），分別計算分析達(dá)到相同損耗量時的溫度當(dāng)量值，并提出相應(yīng)的溫度換算系數(shù)供設(shè)計時采用。12. 結(jié)論和今后研究 1. 本項目構(gòu)建了一個設(shè)計指標(biāo)和參數(shù)體系，它為瀝青路面設(shè)計規(guī)范的修訂提供了基礎(chǔ)，也為今后瀝青路面結(jié)構(gòu)和材料的研究和發(fā)展提供了平臺。 2. 所構(gòu)建的設(shè)計指標(biāo)體系包括：瀝青層的疲勞壽命、無機結(jié)合料穩(wěn)定層的疲勞壽命、路基頂面的容許壓應(yīng)變、瀝青混合料的蠕變率以及瀝青的蠕變勁度、m和斷裂應(yīng)變，前3項主要與路面