國內(nèi)外瀝青路面設(shè)計方法分析_姚連軍

1、第5期(總第118期 綜合論述國內(nèi)外瀝青路面設(shè)計方法分析姚連軍1,李麗2(1.重慶市交通規(guī)劃勘察設(shè)計院,重慶401121;2.重慶交通大學(xué),重慶400074摘要基于國內(nèi)外瀝青路面現(xiàn)有設(shè)計體系,介紹了經(jīng)驗法、力學(xué)-經(jīng)驗法、基于性能設(shè)計法三大類別,并針對其代表性的設(shè)計方法的特點進(jìn)行了評析;結(jié)合我國瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計體系,指出我國設(shè)計體系中存在的設(shè)計指標(biāo)、路面材料設(shè)計參數(shù)、交通荷載等方面存在缺陷,并提出相應(yīng)的建議。關(guān)鍵詞道路工程;瀝青路面;設(shè)計方法;設(shè)計指標(biāo)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瀝青路面是在柔性基層、半剛性基層上,鋪筑一定厚度的瀝青混合料作面層的路面結(jié)構(gòu)。瀝青路面設(shè)計的任務(wù)是根據(jù)使用要求及氣候、水文、土質(zhì)等自然條件,密切結(jié)合當(dāng)?shù)貙嵺`經(jīng)驗,設(shè)計經(jīng)濟合理的

4、路面結(jié)構(gòu)使之能起到承受交通荷載和環(huán)境因素的作用,在預(yù)定的使用期限內(nèi)滿足各級公路相應(yīng)的承載能力、耐久性、舒適性和安全性的要求。以瀝青路面為主的柔性路面設(shè)計理論與方法研究已有近百年的歷史,其發(fā)展歷程經(jīng)歷了經(jīng)驗法和力學(xué)-經(jīng)驗法、基于性能的設(shè)計方法等類型。1國外瀝青路面設(shè)計方法1.1經(jīng)驗法經(jīng)驗法主要通過對試驗路或使用道路的實驗觀測,建立路面結(jié)構(gòu)(結(jié)構(gòu)層組合、厚度和材料性質(zhì)、荷載(軸載大小和作用次數(shù)和路面性能三者間的經(jīng)驗關(guān)系。最為著名的經(jīng)驗設(shè)計方法有CBR法和AASHTO法。CBR法12以CBR值作為路基土和路面材料(主要是粒料的性質(zhì)指標(biāo)。通過對已損壞或使用良好的路面的調(diào)查和CBR測定,建立起路基土CB

5、R輪載路面結(jié)構(gòu)層厚度(以粒料層總厚度表征三者間的經(jīng)驗關(guān)系。利用此關(guān)系曲線,可以按設(shè)計輪載和路基土CBR值確定所需的路面層總厚度。路面各結(jié)構(gòu)層次的厚度,按各層材料的CBR值進(jìn)行當(dāng)量厚度換算。不同輪載的作用按等彎沉的原則換算為設(shè)計輪載的當(dāng)量作用。此方法設(shè)計過程簡單,概念明確,適用于重載、低等級的路面設(shè)計;但CBR值僅是一種經(jīng)驗性的指標(biāo),并不是材料承載力的直接度量指標(biāo),它與彈性變形量的關(guān)系很小。而路基土應(yīng)工作在彈性范圍內(nèi)的應(yīng)力狀態(tài)下,因而,路面結(jié)構(gòu)設(shè)計對路基土的抗剪強度并無直接興趣,更關(guān)心的是路基土的回彈性質(zhì)(回彈模量及其在重復(fù)荷載作用下的塑性應(yīng)變。AASHTO法34是在AASHO試驗路的基礎(chǔ)上建立

6、的,整理試驗路的試驗觀測數(shù)據(jù),得到的路面結(jié)構(gòu)-軸載-使用性能三者間的經(jīng)驗關(guān)系式。AASHTO方法提出了現(xiàn)時服務(wù)能力指數(shù)(PSI的概念,以反映路面的服務(wù)質(zhì)量。不同軸載的作用,按等效損壞(PSI的原則進(jìn)行轉(zhuǎn)換。路面使用性能指標(biāo)PSI,主要受平整度的影響,與裂縫、車轍、修補等損壞的關(guān)系很小。因此,這是一項反映路面功能性能的指標(biāo),而不是表征路面結(jié)構(gòu)性損壞的指標(biāo)。此外,這個方法源于一條試驗路的數(shù)據(jù),僅反映一種路基土和一種環(huán)境條件,推廣應(yīng)用于其它地區(qū)或國家時便存在著很大的局限性。但AASHO試驗路的測定數(shù)據(jù)得到了良好的整理和保存,為許多力學(xué)-經(jīng)驗法的設(shè)計指標(biāo)和參數(shù)驗證提供了豐富的依據(jù)5。AASHO法提出了

7、軸載換算的概念和公式,考慮了結(jié)構(gòu)的可靠度和排水條件的影響,這些思想對后來世界各國的設(shè)計思想產(chǎn)生了很大的影響。1.2力學(xué)-經(jīng)驗法力學(xué)-經(jīng)驗法利用在力學(xué)反應(yīng)量與路面性能(各種損壞模式之間建立的性能模型,按設(shè)計要求設(shè)計路面結(jié)構(gòu)。從20世紀(jì)60年代初開始,各國科技人員致力于研制和實施瀝青路面的力學(xué)-經(jīng)驗設(shè)計法,著名的有AI法和Shel1法。Shell法6是由英、荷殼牌石油公司研究所研究、發(fā)展和完善起來的。在該設(shè)計方法中,混合料的粘彈性性質(zhì)以其勁度模量體現(xiàn),其值取決于瀝青含量、瀝青勁度和瀝青混合料的空隙率。路基模量受應(yīng)力影響,路基動態(tài)模量可以通過現(xiàn)場的動態(tài)彎沉試驗在道路實際濕度條件和荷載條件下測定,也可

8、在室內(nèi)通過三軸儀測定。此方法中交通荷載以標(biāo)準(zhǔn)雙輪軸載次數(shù)為代表,設(shè)計年限內(nèi)的累計軸次即為設(shè)計壽命。臨界荷位的應(yīng)力應(yīng)變由計算機程序BISAR計算。Shell設(shè)計法考慮了控制疲勞開裂的瀝青層底面的容許水平拉應(yīng)變fat和控制永久變形的路基頂面的容許豎向壓應(yīng)變z兩項主要設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)和水泥穩(wěn)定類材料底面的彎拉應(yīng)力和路表面的永久變3··2010年綜合論述 形兩項次要設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。AI 設(shè)計法7也把路面看成多層彈性體系,材料特性主要包括土基、粒料基層和瀝青層的回彈模量和泊松比。路基土的回彈模量的確定可由室內(nèi)重復(fù)三軸抗壓試驗確定,或根據(jù)其與CBR 的關(guān)系式估計而得;粒料材料的回彈模量與應(yīng)力水平相關(guān)

9、,其值可根據(jù)多變量回歸的預(yù)測方程計算;熱拌瀝青混合料的動態(tài)模量由室內(nèi)60種不同的瀝青混合料試驗得到的計算公式確定。環(huán)境的影響通過面層溫度對瀝青混合料勁度值的影響來體現(xiàn),以面層厚1/3深處的溫度作為瀝青層的設(shè)計溫度,由月平均氣溫和路面溫度的關(guān)系式計算得到。AI 法采用的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)與Shell 法相同,即控制疲勞開裂的瀝青層底部的水平拉應(yīng)變和控制永久變形的土基表面的豎向壓應(yīng)變z 。SHELL 和AI 設(shè)計法是公認(rèn)的力學(xué)-經(jīng)驗法的典型代表,很多國家都借鑒了SHELL 法和AI 法的研究成果。如澳大利亞的瀝青混合料疲勞方程采用的就是Shell 1978年提出的室內(nèi)疲勞試驗關(guān)系式,預(yù)估野外疲勞壽命時,乘以

10、修正系數(shù)58;日本的疲勞破壞標(biāo)準(zhǔn)采用的是AI 的破壞標(biāo)準(zhǔn)。但這兩種方法都沒有考慮濕度對路面設(shè)計的影響,也沒有考慮低溫斷裂問題。1.3基于性能的設(shè)計方法基于性能的設(shè)計方法SUPERPAVE 的指導(dǎo)思想是按照路面的使用性能進(jìn)行路面和材料的設(shè)計,以達(dá)到路面抗車轍、抗疲勞、抗低溫的目的,并同時考慮老化、水損壞以及粘附性損失。SUPERPAVE 的路面設(shè)計模型包括材料性能模型、環(huán)境影響模型(EEM 、路面反應(yīng)模型、路面損壞模型4個基本部分。為使實驗室測得的材料特性指標(biāo)能夠反映在路面中的實際使用性能,SHRP 計劃提出了一些新的試驗方法,或規(guī)范了已有的試驗方法,最終形成了適用于SUPERPAVE 的瀝青混

11、合料規(guī)范、集料規(guī)范和試驗系統(tǒng)。SUPERPAVE 的環(huán)境影響模型實際上只是指路面的溫度模型,該模型有兩方面的作用:一是估計路面的最高、最低溫度以選擇合適的結(jié)合料;另一個作用是計算路面不同深度的溫度,作為混合料的試驗溫度。路面反應(yīng)模型用于計算路面各層在交通荷載作用下和環(huán)境影響下的應(yīng)力與應(yīng)變。對于新建路面有低溫開裂、疲勞開裂和永久變形(車轍三個損壞預(yù)測模型。SUPERPAVE 的路面非荷載開裂模型即低溫開裂模型中假設(shè)混合料為低溫粘彈性,利用了流變力學(xué)中的一維Maxwell 本構(gòu)方程。低溫開裂擴展模型應(yīng)用Paris 規(guī)則得出。對于路面的疲勞開裂和永久變形,所用的反應(yīng)模型以二維非線性有限元程序為基礎(chǔ),

12、并且采用四接點平面單元和軸對稱分析,以減少迭代次數(shù)。但SUPERPAVE 設(shè)計法也存在著不足,主要表現(xiàn)在:SUPERPAVE 的主要指標(biāo)和標(biāo)準(zhǔn)都僅是建立在流變學(xué)基礎(chǔ)上的。瀝青和瀝青混合料的流變學(xué)指標(biāo)是否恰當(dāng)反應(yīng)了路面的使用性能,迄今為止這個問題并沒有明確的答案。SU -PERPAVE 的結(jié)合料規(guī)范中,溫差級差是6,太大。在考慮環(huán)境因素時,僅考慮了溫度的影響,較少考慮濕度對材料和結(jié)構(gòu)特性的影響,而后者的影響可能更大。修正系數(shù)(轉(zhuǎn)換系數(shù)SF 中考慮因素過于簡單,所考慮的因素甚至不是最主要的因素。瀝青混合料的體積設(shè)計法對中交通或特重交通路面的適用性或優(yōu)越性值得進(jìn)一步研究。2國內(nèi)瀝青路面設(shè)計方法2.1

13、我國瀝青路面設(shè)計方法概述我國瀝青路面設(shè)計采用的是力學(xué)-經(jīng)驗法。其路面模型借鑒了SHELL 的理論設(shè)計法,把路面作為一種多層彈性體系。材料特性以彈性模量和泊松比表征,土基回彈模量可根據(jù)現(xiàn)場實測法、查表法、室內(nèi)試驗法或換算法求得。各層材料統(tǒng)一采用圓柱體試件測定抗壓回彈模量和劈裂模量。彎沉指標(biāo)計算時,瀝青混合料用20抗壓回彈模量;層底彎拉應(yīng)力計算采用15抗拉強度與彎拉回彈模量,也可以采用劈裂強度與抗壓回彈模量9。交通荷載以雙輪組單軸載100kN 為標(biāo)準(zhǔn)軸載。輪胎接地壓強0.70MPa ,單輪當(dāng)量圓直徑d 為21.3cm ,兩輪中心距為1.5。路表彎沉計算時須計算雙圓均布荷載的輪隙中心點的彎沉。驗算瀝

14、青混凝土層和半剛性材料層的底部拉應(yīng)力時,須計算單圓荷載中心、輪隙中心處拉應(yīng)力并取其較大值10。設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)是以2004規(guī)范規(guī)定的設(shè)計彎沉和層底拉應(yīng)力為設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。設(shè)計彎沉是表征路面整體剛度大小的指標(biāo),是路面厚度計算的主要依據(jù)。其路面結(jié)構(gòu)層容許拉應(yīng)力R 是指路面結(jié)構(gòu)在行車荷載重復(fù)作用下達(dá)到疲勞臨界狀態(tài)時容許的最大拉應(yīng)力。2.2我國瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計方法存在的問題(1設(shè)計指標(biāo)單一。盡管瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計中包含彎沉和彎拉應(yīng)力驗算指標(biāo),但實際在瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計中,彎沉成為路面結(jié)構(gòu)設(shè)計的唯一指標(biāo),也就是說按照現(xiàn)有規(guī)范方法,在路面設(shè)計彎沉滿足的條件下,彎拉應(yīng)力驗算肯定是通過的,使得設(shè)計指標(biāo)成為唯一。(2設(shè)計指標(biāo)不可

15、控制。設(shè)計指標(biāo)應(yīng)該是路面結(jié)構(gòu)可能產(chǎn)生損壞的控制指標(biāo),即設(shè)計模型與路面結(jié)構(gòu)損壞模型應(yīng)該一致。但實際情況是彎沉指標(biāo)無法與多種破壞類型和破壞標(biāo)準(zhǔn)相統(tǒng)一、協(xié)調(diào)。現(xiàn)有瀝青路面的損壞與設(shè)計模式大不相同,設(shè)計指標(biāo)形同虛設(shè)。路面設(shè)計的宗旨是防止在設(shè)計年限內(nèi)總交通量反復(fù)荷載作用引起路面疲勞破壞,實際上絕大部分路面是在交通量遠(yuǎn)未達(dá)到設(shè)計交通量的早期已經(jīng)發(fā)生了破壞,疲勞破壞的指標(biāo)沒有起到控制作用。(3理論驗算假定條件不準(zhǔn)確。按照現(xiàn)有公路瀝青路面設(shè)計規(guī)范,在進(jìn)行瀝青路面結(jié)構(gòu)彎拉應(yīng)力驗算時,假定層間接觸條件是連續(xù)接觸,在這種條件下進(jìn)行應(yīng)力驗算,半剛性基層頂面的瀝青面層處于受壓狀態(tài),所以瀝青面層不會發(fā)生彎拉疲勞破壞。實際

16、上,很難做到瀝青層與半剛性基層的連續(xù),即使是瀝青的上、中、下面層之間,由于施工污染、施工的非連續(xù)性等原因,瀝青層之間都有可能是部分連續(xù)或者滑動的,在荷載、水等外界因素的作用下,層間界面連接狀態(tài)的改變是必然的,因此路面結(jié)構(gòu)設(shè)計時的假定條件是不準(zhǔn)確的,在這種情況下,理論驗算結(jié)果的準(zhǔn)確性可想而知。4··第5期(總第118期 綜合論述(4路面材料設(shè)計參數(shù)與實際路用性能缺乏關(guān)聯(lián)性。路面設(shè)計采用理論計算方法,看似很先進(jìn),實際上材料設(shè)計參數(shù)一般只是通過室內(nèi)試驗確定。國外很多研究表明,路面材料在實際使用過程中,其室內(nèi)性能與路用性能之間的關(guān)系并沒有很好的相關(guān)性,而設(shè)計人員在路面結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中

17、,一般使用規(guī)范推薦的材料參數(shù)中值的簡單辦法進(jìn)行設(shè)計,更談不上去建立路面材料室內(nèi)力學(xué)性能與野外路用性能的關(guān)系,所以其設(shè)計過程實際上只是個形式。(5實際交通荷載與設(shè)計荷載出入較大。根據(jù)交通荷載情況的調(diào)查,目前我國汽車后軸軸重一般在60150kN,胎壓一般在0.61.1MPa;而設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)軸載為單軸雙輪胎100kN,胎壓一般不超過0.7MPa。近幾年重載車、超載車大量增長,有的標(biāo)定30t的車輛,實際達(dá)到150t以上,盡管有關(guān)部門進(jìn)行了超限超載治理,車輛超載的現(xiàn)象還是時有發(fā)生,造成了路面早期損壞,使路面使用壽命大大縮短。2.3建議(1材料的回彈模量。我國采用的都是靜態(tài)的模量值,如路基土的回彈模量、瀝青混

18、合料的回彈模量。由于路面受到車輛動荷載作用,所以動態(tài)模量能更切合實際。(2我國的專用設(shè)計程序計算的是多層彈性層狀連續(xù)體系的精確解,但實際上,層間接觸并不一定是完全連續(xù)的,可以考慮從完全連續(xù)到完全光滑的層間接觸條件。(3我國設(shè)計理念是假定瀝青層厚度,以基層作為承重層設(shè)計其厚度,認(rèn)為路面破壞就意味著基層破壞。但實際上也未盡然,也存在基層完整、面層破壞現(xiàn)象,因此應(yīng)該以瀝青層作為承受拉應(yīng)力的主要承重層考慮,計算瀝青層厚度。(4我國采用的彎沉作為設(shè)計指標(biāo),它反映了材料和結(jié)構(gòu)的彈性部分,在力學(xué)概念上較為明確。但力學(xué)計算表明,土基頂面的彎沉和路表彎沉的關(guān)系比較復(fù)雜,對于不同的路面結(jié)構(gòu)路表彎沉不能明確反映土基

19、頂面的工作狀態(tài)。另外,對于高等級公路,隨著交通量的有益加大也會引起路面車轍,而車轍是材料的塑性變形累積,顯然僅用設(shè)計回彈彎沉不能有效地控制路表車轍,故可以將路基頂面垂直壓應(yīng)變作為一項設(shè)計控制指標(biāo)。(5不少研究表明我國瀝青面層底面拉應(yīng)力驗算指標(biāo)在設(shè)計中不起控制作用,因此可以采用面層底部的最大拉應(yīng)變作為設(shè)計指標(biāo)來控制疲勞開裂。(6雖然我國規(guī)定了以不利季節(jié)的土基模量作為設(shè)計值,瀝青面層材料參數(shù)的取值也規(guī)定了溫度條件,但對于土基干濕變化和路面溫度變化大的地區(qū),就顯得無能為力了,因此,對于環(huán)境因素可更加明確、細(xì)化,諸如用AI和SHELL 等設(shè)計法來處理。(7目前的設(shè)計方法都沒有詳細(xì)考慮經(jīng)濟因素。基于使用

20、性能和壽命周期費用分析的、包括新建和改建瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計在內(nèi)的全壽命路面結(jié)構(gòu)厚度優(yōu)化設(shè)計方法,將是以后路面設(shè)計方法發(fā)展的重要方向。3結(jié)語路面實踐中所暴露的大量問題促使人們對路面設(shè)計理論、設(shè)計方法、材料選擇和施工過程進(jìn)行反思。實際上,目前大量出現(xiàn)的損壞是現(xiàn)行理論和規(guī)范所無法解析的。雖說設(shè)計方法是基于力學(xué)的,但分析的范圍和所考慮的主要受力方式相對于目前復(fù)雜的荷載狀況而言可能過于簡單。對于不同的路面結(jié)構(gòu),對其使用性能變化規(guī)律的認(rèn)識不夠清楚,更缺少定量的研究;初步考慮了環(huán)境因素對路面力學(xué)參數(shù)的影響,但忽略了環(huán)境因素對路面性能的影響,而后者更為重要。對材料的要求與對結(jié)構(gòu)的要求還缺少“相容”性,對材料性能

21、的定量標(biāo)準(zhǔn)還處于經(jīng)驗階段。在低等級道路的實踐中,上述問題暴露得不充分,以至于盲目地認(rèn)為已經(jīng)掌握了路面設(shè)計的主要關(guān)鍵技術(shù),局部出現(xiàn)的問題經(jīng)常被歸結(jié)為施工原因,沒有引起足夠的重視;而當(dāng)將上述方法用于高等級公路,尤其是高速公路的路面實踐時,這些問題就變得非常突出了。參考文獻(xiàn)1Yoder EJ,Witezak MW.陳炳磷,等譯.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