重交通瀝青路面設(shè)計新理念和新方法

重交通瀝青路面設(shè)計新理念和新方法第一頁，共113頁。國內(nèi)外背景半剛性基層瀝青路面瀝青層厚度1980年代：12cm1990年代中后期之前：15cm1990年代中后期-2005年前后：18cm之后：18－26cm～30cm2022/11/272第二頁，共113頁。瀝青國產(chǎn)瀝青~進(jìn)口瀝青~優(yōu)質(zhì)瀝青改性瀝青70年代末-90年代初：研發(fā)階段90年代初-90年代末：推廣應(yīng)階段90年代末-今：大規(guī)模應(yīng)用階段2002年后：從單層改性到雙層改性國內(nèi)外背景2022/11/273第三頁，共113頁。

瀝青混合料1990年代初：LH1990年代中期：AK混合料1990年代后期：Superpave,SMA試用階段2000年后：SMA，Superpave大量使用，Bailey法目前：SMA，AC-C（Superpave），AC-F，SAC，Bailey法，大粒徑折斷型級配國內(nèi)外背景2022/11/274第四頁，共113頁。進(jìn)口瀝青改性瀝青雙層改性LH,AKSuper,SMASuper,SMA,Bailey,提高壓實功國內(nèi)外背景2022/11/275第五頁，共113頁。國內(nèi)外背景目前的方法AASHTO方法SHELL方法AI方法SUPERPAVE方法法國方法比利時方法澳大利亞方法AASHTO2002我國方法損壞認(rèn)識與設(shè)計考慮形成于60、70、80、90年代疲勞開裂、車轍和低溫開裂是主要損壞形式疲勞開裂首先產(chǎn)生于瀝青層底面，并向上發(fā)展路基變形是車轍產(chǎn)生的主要原因設(shè)計指標(biāo)：PSI、、l2022/11/276第六頁，共113頁。國內(nèi)外背景力學(xué)法N<Nf厚度設(shè)計方法，材料設(shè)計另外考慮來自力學(xué)分析2022/11/277第七頁，共113頁。國內(nèi)外背景Superpave方法N<Nf結(jié)構(gòu)分析作為輸入，材料設(shè)計作為歸宿Nf=SF*Nf’(T,)來自室內(nèi)試驗2022/11/278第八頁，共113頁。國內(nèi)外背景ME（AASHTO2002）方法自下而上、自上而下的開裂指標(biāo)Miner定律路面永久變形估計基于彈性應(yīng)變的傳統(tǒng)估計方法2022/11/279第九頁，共113頁。國內(nèi)外背景長壽命路面設(shè)計40-50年的壽命自上而下的損壞2022/11/2710第十頁，共113頁。國內(nèi)外背景我國方法彎沉起控制作用，層底應(yīng)力一般不起控制作用厚度設(shè)計方法，材料設(shè)計另外考慮來自力學(xué)計算2022/11/2711第十一頁，共113頁。國內(nèi)外背景沿用1986年的標(biāo)準(zhǔn)對半剛性基層，彎沉減小1.6倍將末期彎沉轉(zhuǎn)化為初期彎沉，減小1.2倍半剛性材料的模量嚴(yán)重低估，彎沉修正不能反應(yīng)實際情況路面的實際彎沉在0.10~0.15mm，小于水泥混凝土路面彎沉后果是：瀝青路面，其設(shè)計重點(diǎn)不是瀝青層，而是基層2022/11/2712第十二頁，共113頁。斑狀泛油重交路面損壞特征

2022/11/2713第十三頁，共113頁。內(nèi)部松散重交路面損壞特征

2022/11/2714第十四頁，共113頁。新型翻漿重交路面損壞特征

2022/11/2715第十五頁，共113頁。新型沉陷重交路面損壞特征

2022/11/2716第十六頁，共113頁。坑洞重交路面損壞特征

2022/11/2717第十七頁，共113頁。車轍重交路面損壞特征

2022/11/2718第十八頁，共113頁。縱向平行裂縫重交路面損壞特征

2022/11/2719第十九頁，共113頁。雞爪形不規(guī)則裂縫重交路面損壞特征

2022/11/2720第二十頁，共113頁。Top-Down損壞重交路面損壞特征

2022/11/2721第二十一頁，共113頁。重交路面損壞特征

2022/11/2722第二十二頁，共113頁。瀝青在表面層內(nèi)重新分布前后瀝青表面層瀝青含量瀝青含量前后重交路面損壞特征

2022/11/2723第二十三頁，共113頁。目前的損壞產(chǎn)生于路面使用初期與結(jié)構(gòu)的整體抗力無正相關(guān)性重載的影響明顯損壞起于面層，開裂向下傳播雨水具有明顯的影響發(fā)展速度很快傳統(tǒng)的損壞產(chǎn)生于長期使用后與整體抗力關(guān)系明顯雨水的影響明顯開裂產(chǎn)生于結(jié)構(gòu)層底部，向上發(fā)展損壞隨累計ESAL增加緩慢增加伴隨非荷載型損壞重交路面損壞特征

2022/11/2724第二十四頁，共113頁。實測的水壓2022/11/2725動水壓力路表水的影響第二十五頁，共113頁。首次發(fā)現(xiàn)的瀝青遷移現(xiàn)象瀝青含量沿深度分布水上層中層下層前后2022/11/2726路表水的影響第二十六頁，共113頁。瀝青的遷移2022/11/2727路表水的影響第二十七頁，共113頁。動水頭翻漿的過程2022/11/2728路表水的影響第二十八頁，共113頁。翻漿與沉陷2022/11/2729路表水的影響第二十九頁，共113頁?？障堵逝c損壞2022/11/2730路表水的影響瀝青混合料質(zhì)量第三十頁，共113頁。變異性與集料最大粒徑的關(guān)系2022/11/2731瀝青混合料質(zhì)量路表水的影響第三十一頁，共113頁。2022/11/2732瀝青混合料質(zhì)量路表水的影響第三十二頁，共113頁。均勻的材料才有性能可言2022/11/2733路表水的影響第三十三頁，共113頁。2022/11/27341996年以來,交通量和軸載大小迅速增大貨車比例平均為36％，相當(dāng)比例的胎壓超過0.7MPa∑ESALs(100kN)=2000萬－1億軸次，最大達(dá)4億軸次重載下的受力特點(diǎn)第三十四頁，共113頁。810kpa/1328kg

810kpa/2500kg

810kpa/5000kg

典型測試結(jié)果：11.00-20走向花紋輪胎接地壓力分布實測各花紋條走向壓力分布接地面中心點(diǎn)處橫斷面壓力分布d)1050kpa/1900kg半剛性基層e)1050kpa/2500kg半剛性基層f)1050kpa/6250kg半剛性基層2022/11/2735重載下的受力特點(diǎn)第三十五頁，共113頁。典型測試結(jié)果：11.00-20橫向花紋輪胎接地壓力分布實測810kpa/1900kg

810kpa/2500kg

810kpa/5000kg

810kpa/1900kg

810kpa/2500kg

810kpa/5000kg

各花紋塊走向壓力分布接地面中心點(diǎn)處橫斷面壓力分布2022/11/2736重載下的受力特點(diǎn)第三十六頁，共113頁。重載下的受力特點(diǎn)第三十七頁，共113頁?；趶澇痢澙呐袛啵篴>b>c重載下的受力特點(diǎn)第三十八頁，共113頁?；诩羟袘?yīng)力的判斷：b>c>a重載下的受力特點(diǎn)第三十九頁，共113頁。重載下的受力特點(diǎn)第四十頁，共113頁。2022/11/2741重載下的受力特點(diǎn)第四十一頁，共113頁。2022/11/2742重載下的受力特點(diǎn)第四十二頁，共113頁。2022/11/2743重載下的受力特點(diǎn)第四十三頁，共113頁。自上而下的開裂過程2022/11/2744重載下的受力特點(diǎn)第四十四頁，共113頁。應(yīng)該為縱向開裂圖22成重高速剪應(yīng)力等值線圖圖23京津塘高速剪應(yīng)力等值線圖2022/11/2745重載下的受力特點(diǎn)第四十五頁，共113頁。應(yīng)該為網(wǎng)狀開裂圖14平西高速SX等值線圖圖15平西高速SY等值線圖2022/11/2746重載下的受力特點(diǎn)第四十六頁，共113頁。2022/11/2747重載下的受力特點(diǎn)第四十七頁，共113頁。2022/11/2748重載下的受力特點(diǎn)第四十八頁，共113頁。傳統(tǒng)的龜裂Down-Top新龜裂（剪切）Top-Down2022/11/2749重載下的受力特點(diǎn)第四十九頁，共113頁。彎拉疲勞剪切疲勞2022/11/2750重載下的受力特點(diǎn)第五十頁，共113頁。車轍產(chǎn)生于10cm深度溫度的耦合作用2022/11/2751重載下的受力特點(diǎn)第五十一頁，共113頁。溫度累積作用2022/11/2752重載下的受力特點(diǎn)第五十二頁，共113頁。溫度累積作用2022/11/2753重載下的受力特點(diǎn)第五十三頁，共113頁。2022/11/2754重交通作用下出現(xiàn)了許多新的損壞現(xiàn)象重載下的受力特點(diǎn)第五十四頁，共113頁。力學(xué)分析小結(jié)當(dāng)荷載荷載的非均布效應(yīng)時，路面結(jié)構(gòu)內(nèi)的力學(xué)分布十分復(fù)雜當(dāng)輕型車輛超載時，即便總軸重小于標(biāo)準(zhǔn)荷載，但對路面的損傷更為嚴(yán)重對目前的半剛性基層瀝青路面，不能簡單地認(rèn)為彎沉小意味者強(qiáng)度高剪切指標(biāo)的分析為我們帶來了路面考慮的新視角，是我們在傳統(tǒng)的路面分析中忽略了的因素。該指標(biāo)的引入，為從力學(xué)的角度進(jìn)行路面結(jié)構(gòu)組合設(shè)計提供了理論指導(dǎo)剪切破壞可能是重交通瀝青路面的主要損壞原因，是聯(lián)系材料與結(jié)構(gòu)的紐帶，是一個好的設(shè)計指標(biāo)重載下的受力特點(diǎn)第五十五頁，共113頁。荷載的變化，導(dǎo)致傳統(tǒng)的路面認(rèn)識偏差很大，許多結(jié)論不再適用荷載影響的范圍增大路面損壞的機(jī)理發(fā)生了變化人們嚴(yán)重低估了重交通路面的復(fù)雜性，采用將輕交通路面的設(shè)計方法簡單外延至重交通路面的設(shè)計，結(jié)構(gòu)設(shè)計與材料設(shè)計是分離的，與使用性能無關(guān)2022/11/2756重載下的受力特點(diǎn)第五十六頁，共113頁。2022/11/2757傳統(tǒng)的理論無法給予明確的指導(dǎo)，結(jié)構(gòu)組合設(shè)計存在盲目性，對重交通路面設(shè)計需要新的思路重新認(rèn)識力學(xué)在路面分析和設(shè)計中的作用關(guān)注結(jié)構(gòu)與材料的相互作用，根據(jù)使用性能將結(jié)構(gòu)設(shè)計與材料設(shè)計一體化將路面設(shè)計變?yōu)榭茖W(xué)重載下的受力特點(diǎn)第五十七頁，共113頁。2022/11/2758

設(shè)計框架低溫或反射裂縫剪切有關(guān)的損壞彎曲疲勞開裂水或均勻性損壞第五十八頁，共113頁。彎曲疲勞，自下而上的破壞剪切疲勞，自上而下的破壞剪應(yīng)力拉應(yīng)變拉應(yīng)力壓應(yīng)變

設(shè)計框架2022/11/2759第五十九頁，共113頁。上述兩種模式尚不能反映全部問題，還需綜合考慮路面使用性能典型衰減模式3412PCIYears

設(shè)計框架2022/11/2760第六十頁，共113頁。設(shè)計框架按性能設(shè)計+按力學(xué)驗算2022/11/2761第六十一頁，共113頁。設(shè)計框架PI：輸入階段輸入影響路面設(shè)計的所以因素，包括交通、環(huán)境、材料、路基土質(zhì)和施工能力等PII：概念設(shè)計階段通過剪切分析進(jìn)行路面結(jié)構(gòu)材料（模量）組合設(shè)計，確定各結(jié)構(gòu)層材料選擇原則分析路表水和地下水的影響，決定水的處理措施確定材料設(shè)計參數(shù)2022/11/2762第六十二頁，共113頁。PII:基層模量的范圍設(shè)計框架2022/11/2763第六十三頁，共113頁。2022/11/2764PII:基層模量的范圍瀝青層底面的拉應(yīng)變與頂部的剪應(yīng)力形成了雙向制約，以此確定基層的模量基層模量不應(yīng)偏離瀝青層模量太遠(yuǎn)瀝青層基層底基層設(shè)計框架第六十四頁，共113頁。路面使用性能典型衰減模式3412PCIYears2022/11/2765

PIII基于性能的厚度設(shè)計設(shè)計框架第六十五頁，共113頁。α,β的工程意義，與性能變化一一對應(yīng)路面結(jié)構(gòu)行為方程2022/11/2766PCI

αβyrs(α,63)設(shè)計框架第六十六頁，共113頁。2022/11/2767設(shè)計框架第六十七頁，共113頁。α=Krα·Kmα·λ·[1-exp(-(η/l0)ζ)]

λ=a1·hb1·ESALc1

η=a2·hb2·ESALc2

ζ=a3·hb3·ESALc3

β=Krβ·Kmβ·a4·hb4·ESALc4·l0d

úú?ùêê?é-=

????è?-bayePCIPCI102022/11/2768設(shè)計框架第六十八頁，共113頁。使用年數(shù)PCI面層厚度設(shè)計框架2022/11/2769第六十九頁，共113頁。使用年數(shù)PCI彎沉設(shè)計框架2022/11/2770第七十頁，共113頁。PCI使用年數(shù)環(huán)境因素的影響設(shè)計框架2022/11/2771第七十一頁，共113頁。改性瀝青的影響PCI設(shè)計框架2022/11/2772第七十二頁，共113頁。PCIY/aAB最低可接受水平分析期或壽命周期ABAcceptableLevelAnalysisperiodHMLPIII:全壽命費(fèi)用分析全壽命費(fèi)用分析方法2022/11/2773設(shè)計框架第七十三頁，共113頁。厚度設(shè)計諾謨圖(LevelL)瀝青層總厚度(cm)半剛性基層厚度(cm)2022/11/2774設(shè)計框架第七十四頁，共113頁。厚度設(shè)計諾謨圖(LevelM)瀝青層總厚度(cm)半剛性基層厚度(cm)2022/11/2775設(shè)計框架第七十五頁，共113頁。厚度設(shè)計諾謨圖(LevelH)瀝青層總厚度(cm)半剛性基層厚度(cm)2022/11/2776設(shè)計框架第七十六頁，共113頁。設(shè)計厚度的比較圖10-40TRRL設(shè)計曲線日累計軸次80012001600200024002800圖9-13（低標(biāo)準(zhǔn)，12年）11141617.518.519.5圖9-15（中標(biāo)準(zhǔn)，12年）1417.52021.52324.5圖9-17（高標(biāo)準(zhǔn)，12年）2023.5262829.530.5圖10-40（DBM50）25272829.53030.5圖9-16（中標(biāo)準(zhǔn)，15年）2226.529.532.535.537圖10-40（DBM）29313334.535362022/11/2777設(shè)計框架第七十七頁，共113頁。2022/11/2778PIV:基于力學(xué)的材料設(shè)計和檢驗轉(zhuǎn)換函數(shù)TF剪應(yīng)力拉應(yīng)變拉應(yīng)力壓應(yīng)變N疲勞檢驗抗剪切檢驗（車轍檢驗）設(shè)計框架第七十八頁，共113頁。為什么不采用應(yīng)力而采用應(yīng)變?yōu)r青層底面的應(yīng)力不是表征瀝青層疲勞的準(zhǔn)確指標(biāo)

設(shè)計框架2022/11/2779第七十九頁，共113頁。

連續(xù)滑動深度（mm）應(yīng)變應(yīng)力應(yīng)變應(yīng)力0-109.98-0.202-138.50-0.272-13.3-76.88-0.188-97.67-0.239-26.7-47.20-0.173-60.74-0.205-40-23.20-0.158-30.04-0.171-7011.73-0.12218.99-0.096-10028.29-0.09149.34-0.026-15036.46-0.05383.160.082-20036.09-0.025118.330.196-25034.70-0.001174.590.340路面底面為壓伸應(yīng)變：應(yīng)變優(yōu)于應(yīng)力設(shè)計框架2022/11/2780第八十頁，共113頁。2022/11/2781抗剪切檢驗對表面層和中面層，進(jìn)行抗剪切檢驗以控制車轍車轍瀝青混合料的抗剪切強(qiáng)度與車轍有強(qiáng)相關(guān)性，對車轍有顯著影響有必要控制瀝青混合料的抗剪切強(qiáng)度車轍深度vs抗剪強(qiáng)度抗剪強(qiáng)度芯樣高度設(shè)計框架第八十一頁，共113頁。2022/11/2782抗剪切檢驗，車轍模型設(shè)計框架第八十二頁，共113頁。2022/11/2783設(shè)計框架第八十三頁，共113頁。2022/11/2784概念模型模型形式比較和選擇yz應(yīng)力深度剪應(yīng)力壓應(yīng)力設(shè)計框架第八十四頁，共113頁。2022/11/2785Source:HuaJF,2000ConcavedeformationLp=隆起系數(shù)車轍模型設(shè)計框架第八十五頁，共113頁。法國LCPC輪轍儀德國HWTD輪轍儀

PurWheel單輪試驗儀美國佐治亞州輪轍儀GLWT2022/11/2786設(shè)計框架第八十六頁，共113頁。簡單剪切試驗蠕變試驗2022/11/2787設(shè)計框架第八十七頁，共113頁。低估了路面試驗的復(fù)雜性相似性差蠕變試驗，簡單剪切，三軸試驗，APA等基本不能反映路面中材料的實際情況變異性大各種輪轍試驗相似程度不高2022/11/2788設(shè)計框架第八十八頁，共113頁。單軸貫入試驗(UPT)測定抗剪強(qiáng)度壓頭直徑：42mm試件尺寸：Φ150mm×100mm抗剪強(qiáng)度系數(shù)：0.352022/11/2789設(shè)計框架第八十九頁，共113頁。實際路面與貫入試驗應(yīng)力分布的比較2022/11/2790設(shè)計框架第九十頁，共113頁。變異性比較車轍試驗20%左右貫入試驗5%左右2022/11/2791設(shè)計框架第九十一頁，共113頁。示例13000萬次10mm0.8901.0000.70015mm0.7440.8360.58520mm0.6600.7420.519下面層中面層上面層要求的最小抗剪強(qiáng)度（MPa）允許車轍深度∑ESALs(100kN)2022/11/2792設(shè)計框架第九十二頁，共113頁。示例2N為5000萬軸次RD0（mm）設(shè)計年限（年）抗剪強(qiáng)度（MPa）綜合抗剪強(qiáng)度表面層中面層底面層15150.763①0.750.920.50②0.950.750.50③0.770.750.78100.702④0.750.770.50⑤0.780.750.502022/11/2793設(shè)計框架第九十三頁，共113頁。材料設(shè)計2022/11/2794設(shè)計框架第九十四頁，共113頁。集料對路面變形特性影響很大級配、形狀和棱角性、紋理材料設(shè)計2022/11/2795設(shè)計框架第九十五頁，共113頁。粗集料棱角性的影響2022/11/2796設(shè)計框架第九十六頁，共113頁。細(xì)集料棱角性的影響2022/11/2797設(shè)計框架第九十七頁，共113頁。瀝青的影響2022/11/2798設(shè)計框架第九十八頁，共113頁。接觸壓力的影響2022/11/2799設(shè)計框架第九十九頁，共113頁。接觸壓力的影響2022/11/27100設(shè)計框架第一百頁，共113頁。路面結(jié)構(gòu)行為方程力學(xué)分析，層底應(yīng)變計算r,εzNrN2022/11/27101橋渡原理疲勞檢驗設(shè)計框架第一百零一頁，共113頁。Shanghai2022/11/27102設(shè)計框架第一百零二頁，共113頁。設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)

低中

高

拉應(yīng)變壓應(yīng)變路面現(xiàn)場疲勞方程:上海示例2022/11/27103設(shè)計框架第一百零三頁，共113頁。轉(zhuǎn)換函數(shù)：從試驗室到實際路面原路面材料的疲勞方程

實際路面的疲勞方程TF=N/NLab2022/11/271