多指標瀝青路面設(shè)計課件

多指標瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計方法

研究成果介紹

2012.51.技術(shù)方案2.路面結(jié)構(gòu)層組合方案和損壞類型3.使用性能標準、設(shè)計壽命和設(shè)計可靠度

4.交通荷載作用5.環(huán)境因素影響6.材料性質(zhì)參數(shù)7.路面結(jié)構(gòu)使用性能8.各類路面結(jié)構(gòu)使用性能分析9.結(jié)論、創(chuàng)新點、今后研究

1.技術(shù)方案（1）遵循力學-經(jīng)驗法（2）多個單項設(shè)計指標控制對應(yīng)的路面損壞（3）損壞模型建立以室內(nèi)試驗為主，現(xiàn)場試驗和性能觀測數(shù)據(jù)標定（4）當量損傷法計量交通荷載的累積損傷（5）材料力學性質(zhì)指標和試驗方法

（6）參數(shù)確定分三個層次（7）以彈性層狀體系解分析力學響應(yīng)

2.3結(jié)構(gòu)層組合方案

■無機結(jié)合料類基層瀝青路面

■

瀝青結(jié)合料類基層瀝青路面

■無結(jié)合料（粒料）類基層瀝青路面

■

復(fù)合式瀝青路面

面層磨耗層密級配瀝青混凝土、SMA、OGFC、瀝青表面處治聯(lián)結(jié)層密級配瀝青混凝土或缺失基層基層水泥或石灰-粉煤灰穩(wěn)定碎石、貧混凝土底基層級配碎（礫）石、填隙（水結(jié)）碎石水泥、石灰-粉煤灰或石灰穩(wěn)定碎（礫）石或土

路基路床頂面模量要求≥40MPa、60MPa或100MPa

無機結(jié)合料類基層瀝青路面組合方案

瀝青結(jié)合料類基層瀝青路面組合方案面層磨耗層密級配瀝青混凝土、SMA、OGFC、瀝青表面處治聯(lián)結(jié)層密級配瀝青混凝土或缺失基層基層密級配瀝青碎石、半開級配瀝青碎石、開級配瀝青碎石、瀝青貫入碎石底基層級配碎（礫）石水泥、石灰-粉煤灰或石灰穩(wěn)定碎（礫）石或土

路基路床頂面模量要求≥

40MPa、60MPa或100MPa面層磨耗層密級配瀝青混凝土、SMA、OGFC、瀝青表面處治聯(lián)結(jié)層密級配瀝青混凝土或缺失基層基層密級配瀝青碎石、半開級配瀝青碎石、開級配瀝青碎石、瀝青貫入碎石底基層級配碎（礫）石水泥、石灰-粉煤灰或石灰穩(wěn)定碎（礫）石或土

路基路床頂面模量要求≥

40MPa、60MPa或100MPa粒料類基層瀝青路面組合方案

面層磨耗層密級配瀝青混凝土、SMA、瀝青表面處治聯(lián)結(jié)層密級配瀝青混凝土或缺失基層基層級配碎（礫）石、填隙（水結(jié)）碎石

底基層級配碎（礫）石、填隙（水結(jié)）碎石水泥、石灰-粉煤灰或石灰穩(wěn)定碎（礫）石或土

路基路床頂面模量要求≥

40MPa、60MPa或100MPa

2.4損壞類型

?瀝青結(jié)合料類結(jié)構(gòu)層的疲勞開裂

?無機結(jié)合料類結(jié)構(gòu)層的疲勞開裂

?瀝青面層的永久變形

?粒料層和路基的永久變形

?瀝青面層的低溫縮裂

?瀝青層的反射裂縫

3.使用性能標準、設(shè)計壽命和設(shè)計可靠度

3.1使用性能標準瀝青層疲勞

輪跡帶開裂率10%（試驗路）裂縫密度1.0m/m2（加速加載試驗）

無機結(jié)合料層疲勞試件斷裂、裂縫向?qū)禹敂U展低溫縮裂

公路等級特重凍區(qū)重凍區(qū)中凍區(qū)高速3級1或2級1級一級4級2或3級1或2級二級-3或4級2或3級等級一級二級三級四級五級六級開裂間距（m）>100100~5150~3635~2625~15<15裂縫指數(shù)<11~2>2~3>3~4>4~7>7路面狀況優(yōu)良中及格次，中修差，大修

設(shè)計標準

分級3.2設(shè)計壽命和設(shè)計分析期設(shè)計年限

現(xiàn)行規(guī)范規(guī)定

不反映交通荷載繁重程度，實際使用年限偏離設(shè)計年限不明確損壞類型及結(jié)構(gòu)層次未結(jié)合設(shè)計思想設(shè)計壽命

設(shè)計軸載累計軸次年平均日貨車交通量

交通荷載等級極重特重

重中等輕100kN軸次瀝青層疲勞、路基變形(106)>4848~2424~1212~4<4無機層疲勞(108)>3838~1212~4.64.6~1<1年平均日貨車交通量（100輛/日）>5050~2525~1212~3<3

設(shè)計分析期是對各路面結(jié)構(gòu)設(shè)計方案分析評價采用的時間段。設(shè)計分析期應(yīng)至少包含一次或一次以上的路面改建活動。設(shè)計壽命為10年及以上的路面，分析期一般取為30～40年，

長壽命路面的分析期可取為50年。

設(shè)計分析期3.3設(shè)計可靠度概念

設(shè)計使用性能滿足預(yù)定使用性能標準的概率各類損壞的設(shè)計可靠度=損壞預(yù)估的均值+βs

公路等級高速一級二級三、四級設(shè)計可靠度(%)95~8595~7585~7075~50可靠指數(shù)β1.65~0.841.65~0.671.04~0.520.67~0

結(jié)構(gòu)損壞設(shè)計可靠度

瀝青層疲勞開裂、無機結(jié)合料層疲勞開裂、路基永久變形3.4路面結(jié)構(gòu)使用性能評定交通荷載路基承載力濕度溫度路面材料性質(zhì)結(jié)構(gòu)層組合設(shè)計公路等級使用性能分析瀝青層疲勞無機類層疲勞瀝青層永久變形粒料層和路基永久變形面層低溫縮裂使用性能標準符合？選定路面結(jié)構(gòu)是否設(shè)計可靠度

橫向分布系數(shù)道路類型標準差（cm）50cm內(nèi)分布頻率（%）高速4050其他45454.2軸重參數(shù)

編號說明典型車型其他主要車型12軸4輪車輛11型車22軸6輪及以上客車12客車15客車32軸6輪整體式貨車12貨車43軸整體式貨車（非雙前軸）1554軸及以上整體式貨車（非雙前軸）176雙前軸整體式貨車112，11511774軸及以下半掛貨車（非雙前軸）12512285軸半掛貨車（非雙前軸）127，15596軸及以上半掛貨車（非雙前軸）15710雙前軸半掛式貨車11271122，1125，1155，115711全掛貨車1522,1222

車輛分類

公路貨車交通分類（TTC）TTC分類貨車類型分布系數(shù)

調(diào)查公路數(shù)整車比例（%）半掛車比例（%）TTC1<40>508TTC2<40<505TTC340~70>2014TTC440~70<2011TTC5>70-6軸數(shù)系數(shù)

軸型車輛類型345678910前軸11111112單軸1000.231.010.9901雙聯(lián)軸0100.770.990.0110三聯(lián)軸001000.9911

軸重當量換算

式中：Φi、Фs——軸載Pi和設(shè)計軸載Ps所產(chǎn)生的應(yīng)力或應(yīng)變變量，如瀝青層底面拉應(yīng)變、無機結(jié)合料結(jié)構(gòu)層底面拉應(yīng)力、路基頂面壓應(yīng)變等；

b——各類損壞預(yù)估模型中應(yīng)力或應(yīng)變變量項的乘冪數(shù)，對瀝青層疲勞，b=3.97，對水泥穩(wěn)定碎石層疲勞，b=12，對路基頂面壓應(yīng)變時，b=4.30等；

a1——輪組系數(shù)，與輪組類型和結(jié)構(gòu)層厚度有關(guān)的參數(shù)；

a2——軸型系數(shù)，與軸型和結(jié)構(gòu)層厚度有關(guān)的參數(shù)。

損壞指標瀝青層底拉應(yīng)變路基頂壓應(yīng)變無機層底拉應(yīng)力輪-軸型單輪雙聯(lián)三聯(lián)單輪雙聯(lián)三聯(lián)單輪雙聯(lián)三聯(lián)系數(shù)α1α2α2α1α2α2α1α2α2數(shù)值4.51.62.02.32.03.98.61.32.4

路基濕度指標飽和度

采用稠度表征路基的濕度，無法反映非粘性土的濕度狀態(tài)，單以含水率表征濕度，也無法準確反映它對回彈模量的影響，因為含水率變化會同時引起土密實度發(fā)生變化，而后者也是影響回彈模量的一項主要因素。土的飽和度反映了含水率及密實度的影響。

飽和度按下式確定：

或

式中：S——飽和度（%）；

wv——體積含水率（%）；

w——質(zhì)量含水率（%）；γs、γw——土的干密度和水的密度（g/cm3）

Gs——土的相對密度。5.環(huán)境因素影響5.1

路基濕度與基質(zhì)吸力

或

5.2路基濕度類型

平衡濕度狀態(tài)路基濕度類型

潮濕類：地下水位控制干燥類：氣候因素控制

中濕類：兼有二者影響

5.3潮濕類路基行車道下路基含水率沿深度變化（例：滬寧路）

地下水位處HGWT-3m3m

基質(zhì)吸力與地下水位路基土基質(zhì)吸力hm與地下水位y之間關(guān)系土-水特性曲線

Fredlund&Xing模型粵、蘇、豫、冀、渝12個路段土樣標定

平衡濕度

由地下水位高度→土的基質(zhì)吸力→土-水特性曲線→飽和度和含水率各類土距地下水位不同距離處的平衡濕度（%）

土組0.5地下水位深1.01.52.0低液限粉土S(%)100~93.789.9~80.585.8~76.183.4~73.1w(%)24.1~19.121.9~16.420.9~15.520.3~14.9低液限粘土S(%)100~93.293.1~80.389.9~75.687.8~72.7w(%)29.0~19.626.6~16.925.7~15.925.1~15.3

5.4干燥類路基濕度指數(shù)（TMI）—氣候因素指標

式中：Ry—y年的水徑流量（cm）；

DFy—y年的水不足量(cm)；

PEy—y年的潛在蒸散量(cm)。

TMI計算以年為周期，逐月計算累加得到。各月降水量減去蒸散量為正時，多余水被土層存儲。當蒸散量大于降水量時，缺少的水從土層儲存水中提取出，其余量即為土層的含水率；當土層內(nèi)儲水量不能滿足提取數(shù)量要求時，不滿足部分即為不足量DF。

400個氣象站降水量與蒸發(fā)量資料計算分析

各公路自然區(qū)劃的TMI值

公路自然區(qū)劃Ⅱ1（黑）Ⅲ1Ⅳ1Ⅴ1TMI變動范圍-0.1~-0.8-21.2~-25.721.8~25.1-25.1~6.9

土基質(zhì)吸力與濕度指數(shù)TMI關(guān)系粵、蘇、豫、冀、渝12個路段土樣和TMI值與Perera44個數(shù)據(jù)，標定曲線；川、渝疆12個路段驗證

土基質(zhì)吸力與濕度指數(shù)TMI關(guān)系式

式中：α、β、γ—模型回歸系數(shù)，與土的性質(zhì)有關(guān)。

TMI與土基質(zhì)吸力

y=x+20y=x-20干燥類路基的平衡濕度

由TMI值和土參數(shù)→土的基質(zhì)吸力→土-水特性曲線→飽和度和含水率

各類土在不同TMI值時的平衡濕度(%)

土組TMI-30-101030低液限粉土S(%)59.3~63.475.9~76.584.1~86.291.0~91.4w(%)14.4~12.918.5~15.620.3~17.622.0~18.6低液限粘土S(%)57.2~64.175.2~75.986.291.0w(%)16.3~17.521.5~16.624.6~18.126.0~19.1

5.5中濕類路基

路床頂?shù)叵滤粀equ路基工作區(qū)受地下水影響受氣候因素影響

6.環(huán)境因素影響

6.1瀝青路面溫度路面溫度觀測站結(jié)構(gòu)與數(shù)據(jù)信息

站點

所在地路面結(jié)構(gòu)與傳感器位置

數(shù)據(jù)格式建模數(shù)據(jù)廣州

下圖

a)路面溫度分鐘數(shù)據(jù)；小時氣溫數(shù)據(jù)、日最高氣溫、日最低氣溫；分鐘太陽輻射凈輻射、總輻射、日最大太陽輻射；地溫、氣壓、空氣濕度、風向風速、云量云狀、能見度、降水、蒸發(fā)、日照、雪深寧波大同模型檢驗哈密

下圖

a)路面溫度(10分鐘數(shù)據(jù))；輻射、氣溫、風速(10分鐘數(shù)據(jù))齊齊哈爾

下圖

a)僅路面溫度數(shù)據(jù)(10分鐘數(shù)據(jù))鎮(zhèn)江

下圖b)路面溫度(15分鐘數(shù)據(jù))、氣溫、風速、太陽輻射(15分鐘數(shù)據(jù))濟南

下圖c)路面溫度(30分鐘數(shù)據(jù))、氣溫、風速(10分鐘數(shù)據(jù))6.1.1瀝青路面溫度場及溫度特征值

溫度場觀測

溫度觀測站的路面結(jié)構(gòu)與溫度傳感器埋設(shè)示意圖

路面結(jié)構(gòu)的日溫度極值的理論-經(jīng)驗?zāi)Ｐ吐繁砣兆罡邷囟?/p>

路面溫度特征值路表日最高溫度實測值與估算值

路表日最低溫度路表日最低溫度實測值與估算值

路表溫度日變化規(guī)律

路表溫度日變化采用二階段法擬合。白天升溫過程及高溫區(qū)段采用余弦函數(shù)，降溫過程采用負指數(shù)函數(shù)表征。

路表溫度日變化擬合示意圖

多云天氣修正修正后的路表日最高溫度的計算式為：多云天氣修正系數(shù)ξ可用日照率S來表達：式中：S為日照率：

式中：tsun為實際日照時間，h；td為日長，h.

與路表溫度日變化規(guī)律類似，不同深度處的路面溫度日變化T(t,z)也可用二階段模型擬合。但路面結(jié)構(gòu)的日最低溫度出現(xiàn)時刻tl、日最高溫度出現(xiàn)時刻th，二階段分界時刻tc均比路表溫度的ts.l、ts.h、ts.c

延后，可近似表示為：

不同深度處的路面溫度日變化規(guī)律式中：δt(z)為理論滯后時間。

路面溫度日變化擬合圖(寧波站，瀝青路面，2009-7-17)晴天時瀝青路面結(jié)構(gòu)各深度處的實測溫度與擬合曲線

瀝青層平均溫度和溫度梯度分布頻譜

■瀝青面層厚度h,

時刻t沿厚度方向的平均溫度

■瀝青面層內(nèi)的溫度梯度

詳細分析98個地區(qū)的瀝青路表年均溫與當?shù)乇姸鄽庀竽昃鶇?shù)之間關(guān)系發(fā)現(xiàn)，瀝青路表年均溫μTs與月平均氣溫的年極差及一些氣象參數(shù)之間具有良好地相關(guān)關(guān)系，在已知太陽輻射量情況下，路表年均溫μTs與溫度年標準差σTs可表示為：

式中：μTa—年均氣溫，°C；

σTa—月平均氣溫的年極差，℃；

—年平均日太陽輻射量，kJ/m2/d.

依據(jù)一維熱傳導(dǎo)偏微分方程和路表熱流函數(shù)，采用有限差分法求解瀝青路面的溫度場，建立瀝青層表面日最高溫度和日最低溫度估算模型，用于估計瀝青層不同深度的溫度特征值。模型估算值與大同、寧波和廣州三地溫度觀測站的實測值相對比，二者具有較好的一致性，其偏差的平均值和標準差相應(yīng)為0.4℃和3.3℃。對瀝青層表面和不同深度的溫度日變化規(guī)律進行了擬合。在此基礎(chǔ)上，利用全國各地98個有日輻射觀測資料的氣象站的氣象資料，計算各地不同厚度瀝青層（6、12、18、24cm）的平均溫度和溫度梯度，并給出了全國95個地區(qū)相應(yīng)的分布頻譜表。

瀝青路面溫度分布頻譜的計算步驟：（1）根據(jù)氣溫、太陽輻射、濕度、風速，求路表日最高溫度Ts.h，路表日最低溫度Ts.l（2）對多云天氣的路表日最高溫度進行修正；（3）求不同深度z處的路面日最高溫度和日最低溫度。（4）求任一時刻的路表溫度，及任一時刻不同深度z處的路面溫度；（5）求出給定瀝青面層厚度(分四檔0~0.06，0~0.12，0~0.18，0~0.24m)條件下，任一時刻的瀝青層平均溫度和溫度梯度；（6）計算給定瀝青面層厚度溫度和溫度梯度分布頻譜表。

全國瀝青路表溫度年均值等值線圖°C

瀝青混合料模量具有強烈溫度依賴性。瀝青層的使用性能和使用壽命也與溫度狀況密切相關(guān)?，F(xiàn)行規(guī)范統(tǒng)一采用20oC（計算彎沉時）和15oC（驗算彎拉應(yīng)力時）。在結(jié)構(gòu)設(shè)計方法中，對于溫度影響的考慮可采用增量損傷法，或當量損傷法。增量損傷法—美國力學經(jīng)驗法路面設(shè)計指南采用，在其系統(tǒng)軟件內(nèi)包含全國近800個氣象站的有關(guān)數(shù)據(jù)。當量損傷法—需要選擇典型狀況和條件事先進行大量運算分析，提出相應(yīng)的溫度當量系數(shù)。該方法可減輕設(shè)計人員的資料收集和運算工作，并與軸載當量系數(shù)的考慮方法相對應(yīng)。6.1.2溫度當量換算系數(shù)溫度當量系數(shù)

參照溫度主要用作瀝青混合料性質(zhì)測試時的標準試驗溫度，或者在結(jié)構(gòu)分析時用于選取與該溫度相對應(yīng)的瀝青混合料性質(zhì)參數(shù)值。對于我國情況，疲勞分析時可選用20oC，永久變形分析時可選用35oC。按照瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計指標，分別有相應(yīng)當量損傷的溫度當量系數(shù)。TEFi

=Ns/Ni

溫度當量系數(shù)的定義，某時刻i溫度Ti

的設(shè)計軸載作用次數(shù)Ni，按損傷相當?shù)脑瓌t轉(zhuǎn)換成某參照溫度Ts的設(shè)計軸載作用次數(shù)Ns的乘數(shù)，即為:

溫度當量系數(shù)的具體分析步驟（以瀝青結(jié)合料類結(jié)構(gòu)層疲勞開裂指標為例）：（1）分析時，假設(shè)軸載隨時間為均勻分布。（2）按所在地區(qū)和瀝青層厚度，選取相應(yīng)的瀝青層平均溫度和溫度梯度分布頻譜表。將瀝青層分為若干個亞層。由頻譜表確定各個頻段每個亞層的溫度。（3）利用瀝青混合料動態(tài)模量與溫度的經(jīng)驗關(guān)系式，由不同時段各亞層的溫度值得到相應(yīng)的動態(tài)模量值。然后應(yīng)用彈性層狀體系程序，依據(jù)動態(tài)模量值計算得到瀝青層底面的拉應(yīng)變值。再利用瀝青層疲勞壽命預(yù)估模型，由層底拉應(yīng)變和動態(tài)模量值計算得到各個頻段的疲勞壽命Nti，并算出對應(yīng)的疲勞損傷率Dti=1/Nti。（4）累計各個頻段的疲勞損傷率得到平均損傷率Dt，并進而得到平均疲勞作用次數(shù)Nt=1/Dt。（5）計算瀝青層平均溫度（參照溫度）20?C時，相應(yīng)的瀝青混合料動態(tài)模量、層底拉應(yīng)變和疲勞壽命，得到參照溫度下的總疲勞作用次數(shù)Nts。（6）二者相比，即得到溫度當量系數(shù)kt=Nts/Nt。（7）按參照溫度20?C計算得到的疲勞壽命，乘以與設(shè)計路面所在地相應(yīng)的溫度當量系數(shù)，即可得到該地設(shè)計路面結(jié)構(gòu)的疲勞壽命Nf。對于其它幾項設(shè)計指標，也采用相似的分析步驟，只是將瀝青層層底拉應(yīng)變改為其他設(shè)計指標。

依據(jù)損傷等效原則，推演出三種情況下的瀝青層等效溫度計算式，并按全國95個地區(qū)的瀝青層溫度分布頻譜提出相應(yīng)的瀝青層等效溫度。后圖為標準工作狀態(tài)下瀝青層疲勞、永久變形及無機結(jié)合料穩(wěn)定層疲勞等效溫度全國等值線圖。

路面等效溫度

——瀝青層疲勞等效溫度

——無機結(jié)合料穩(wěn)定層疲勞等效溫度

——瀝青層永久變形等效溫度

等效溫度等值線圖

標準狀態(tài)下瀝青路面各種損壞標準等效溫度全國等值線圖標準狀態(tài)路面結(jié)構(gòu)及材料參數(shù)：

面層厚度h取0.18m20℃的面層與地基的模量比λ20取40

瀝青混合料的熱敏系數(shù)α取0.02

瀝青面層疲勞（應(yīng)變控制）等效溫度全國等值線圖

瀝青面層疲勞（應(yīng)力控制）等效溫度全國等值線圖

無機結(jié)合料穩(wěn)定層疲勞等效溫度全國等值線圖

瀝青層永久變形等效溫度全國等值線圖

TCF=∑（TEFi×pi）瀝青層厚(mm)大連西安北京濟南鄭州安陽長沙合肥上海武漢杭州福州韶關(guān)南寧廣州成都騰沖昆明拉薩1000.750.72~0.740.70~0.740.71~0.740.69~0.700.80~0.870.852000.84~0.860.94~1.011.06~1.151.29~1.321.42~1.461.02~1.080.62瀝青層疲勞損壞溫度當量系數(shù)TCF

瀝青路面損壞溫度當量系數(shù)可表示為溫度當量系數(shù)TEFi與溫度頻率pi的乘積：

瀝青路面疲勞溫度當量系數(shù)

當已知面層疲勞等效溫度Tpef時，可通過參數(shù)來綜合考慮設(shè)計年限內(nèi)路面溫度分布對面層疲勞壽命的影響。通過計算分析得到路面不同損壞的溫度當量系數(shù)等值線圖，如后圖。

瀝青路面損壞溫度當量系數(shù)等值線標準狀態(tài)瀝青路面各種損壞的溫度當量系數(shù)等值線如后圖。非標準狀標準狀態(tài)路面結(jié)構(gòu)及材料應(yīng)進行修正

瀝青層疲勞溫度當量系數(shù)全國等值線無機結(jié)合料穩(wěn)定層疲勞溫度當量系數(shù)全國等值線瀝青層永久變形溫度當量系數(shù)全國等值線

瀝青層疲勞（應(yīng)變控制）溫度當量系數(shù)全國等值線圖

瀝青層疲勞（應(yīng)力控制）溫度當量系數(shù)全國等值線圖

無機結(jié)合料穩(wěn)定層疲勞溫度當量系數(shù)全國等值線圖

瀝青層永久變形溫度當量系數(shù)全國等值線圖

6.2材料性質(zhì)參數(shù)6.2.1瀝青混合料動態(tài)模量周期加載單軸壓縮動態(tài)模量標準試驗方法

——試件為直徑100mm、高150mm的圓柱體，由旋轉(zhuǎn)壓實儀成型直徑150mm、高170mm試件中鉆取芯樣得到

——頻率25、10、5、1、0.5、0.1Hz——溫度–10、5、20、35、50?C——簡化方法:頻率10、5、1、0.1Hz,溫度5、20、35?C——通過沿圓周等間距安放在試件中部的3個位移傳感器，量測荷載作用下的軸向變形。

——計算軸向應(yīng)力幅值和可恢復(fù)軸向應(yīng)變幅值，由二者之比計算得到壓縮動態(tài)模量，并按最后5次加載循環(huán)中變形峰值與荷載峰值的平均滯后時間和平均加載時間之比計算相位角。

——試驗結(jié)果首先整理成等溫度動態(tài)模量曲線，隨后以參照溫度為20°C將各條等溫度曲線平移后得到主曲線。

動態(tài)模量建模試驗

——3種瀝青、3種瀝青混合料、3種瀝青含量、3種集料公稱最大粒徑、3種空隙率、3種溫度、3種頻率、3種應(yīng)變水平，共168次試驗

——驗證試驗188次

——8個影響變量，6個模量模型和2個相位角模型

動態(tài)模量預(yù)估模型（共6個）

常用瀝青混合料動態(tài)模量參考值

——標準條件（20?C，10Hz）

——AC、AK、SMA瀝青混合料（-10、-16、-25）

——AH-70、-90、-110——瀝青含量4%、5%、6%——空隙率3%、4%、5%、6%、7%

AC-16動態(tài)模量參考值(MPa)

瀝青用量AH-70AH-1104%5%6%4%5%6%空隙率(%)313074~1423310027~109167690~837111032~120108461~92116489~7064412100~131729280~101027117~774710210~111157830~85246005~6537511198~121908588~93496586~71709449~102867246~78895557~6050610363~112827948~86526095~66358745~95206706~73015143~559979591~104417355~80076541~61418093~88106206~67564760~5182

瀝青碎石動態(tài)模量參考值

混合料類型加載頻率（Hz）動態(tài)模量（MPa）標準差（MPa）最小最大ATB-251500070001500101100013000LSPM-25140006000140010900011000

6.2.2無機結(jié)合料類材料彈性模量和強度特點

——數(shù)值變化范圍很大，由接近于水泥混凝土到接近于粒料

——集料粒徑較大的混合料，試件成型較困難，試件的均質(zhì)性較差，使其試驗測定值的變異性很大；

——現(xiàn)場材料來源和質(zhì)量以及施工工藝和控制水平的差異很大，使結(jié)構(gòu)層混合料性質(zhì)的變異性很大，并且與室內(nèi)測定結(jié)果的差別也很大；

——環(huán)境因素（溫度和濕度）的影響（收縮裂隙或裂縫），使結(jié)構(gòu)層與試件的力學性質(zhì)和參數(shù)值有較大的差異。

測試方法

——壓縮、彎拉、直接拉伸、間接拉伸

——單調(diào)、反復(fù)、周期加載

——頂?shù)酌娣ê椭虚g段法應(yīng)變量測

由測試結(jié)果得到：（1）周期加載壓縮彈性模量與單調(diào)加載壓縮彈性模量測定值相近。（2）彎拉彈性模量值與壓縮彈性模量值相近?？梢圆捎貌僮鬏^簡便且精度較有保證的單調(diào)加載壓縮試驗測定無機結(jié)合料類材料的彈性模量。各種方法比較

頂?shù)酌娣ㄅc側(cè)面法比較

采用頂?shù)酌娣繙y試件壓縮變形，兩端端面有摩阻約束影響，國外的試驗規(guī)程中已摒棄這種方法。頂?shù)酌娣ê椭虚g段法的對比測試結(jié)果相差一個數(shù)量級。采用直徑與高度比為1：2的試件，在其中間段量測壓縮應(yīng)變，消除端面摩阻的影響，得到真實應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系的壓縮彈性模量。

單調(diào)加載壓縮試驗（中間段應(yīng)變、0.3Pmax）

試件模量與結(jié)構(gòu)層模量比較結(jié)構(gòu)層模量為試件模量的0.58（穩(wěn)定碎石）和0.71倍（穩(wěn)定土）

抗壓強度與彎拉強度關(guān)系

彎拉強度約為抗壓強度的20%

彎拉強度與彎拉模量關(guān)系

無機結(jié)合料類材料彈性模量參考值

彈性模量參考值（MPa）材料抗壓強度彎拉強度試件模量結(jié)構(gòu)層模量水泥碎石、二灰碎石強8.0~12.01.6~2.413500~170006800~8500弱5.0~8.01.0~1.610000~135005000~6800水泥土、二灰土1.5~5.00.3~1.05000~100002500~5000石灰土0.5~1.0-3000~50001500~3000

6.3路基和粒料層回彈模量試驗測試反復(fù)加載三軸壓縮標準試驗方法

——試件尺寸、試件制備和預(yù)加載條件

——應(yīng)力水平（各種路面結(jié)構(gòu)應(yīng)力狀況分析）

——加載序列回彈模量本構(gòu)模型（三參數(shù)）

回彈模量標定測試

——12種土、3種含水量、2種壓實度

——補充國外各類土的測試數(shù)據(jù)

參數(shù)（均值）粗粒土細粒土k10.3130~2.13290.2249~3.5914k20.2119~1.33590.0580~1.0376k3-3.9967~0.1101-4.8083~0.1183樣本數(shù)50103

物性參數(shù)經(jīng)驗?zāi)Ｐ?/p>

土

粒料

當量回彈模量

——彎沉等效原則

——模量當量的應(yīng)力水平當量應(yīng)力水平粒料類基層和底基層——按層位和交通荷載等級取用瀝青和無機類基層下底基層——體應(yīng)力72kPa，八面體剪應(yīng)力12kPa

路基——體應(yīng)力70kPa，八面體剪應(yīng)力13kPa

回彈模量參考值

——標準條件（最佳含水率、95%壓實度）

粒料層回彈模量（MPa）材料類型取值范圍代表值級配碎石（基層）200~400300級配碎石（底基層）180~250220

路基回彈模量（MPa）土類取值范圍代表值低液限粉土（ML）70~11090低液限粘土（CL）50~10070

路基回彈模量濕度調(diào)整系數(shù)

a=log（MR/MRopt）最小值，b=log（MR/MRopt）最大值

12個路段土樣，不同含水量和壓實度的模量測試，標定參數(shù)

a=–0.6563，b=0.2548，km=6.4604

干燥類路基回彈模量濕度調(diào)整系數(shù)

潮濕類路基回彈模量濕度調(diào)整系數(shù)TMI-30-101030低液限粉土1.97~1.821.43~1.341.13~1.010.89~0.85低液限粘土2.04~1.811.48~1.391.08~1.020.91~0.86路床頂距地下水位（m）1.01.52.02.5低液限粉土0.79~1.010.94~1.221.07~1.401.16~1.51低液限粘土0.71~0.990.84~1.200.94~1.381.01~1.50

7路面結(jié)構(gòu)使用性能

7.1瀝青層疲勞開裂

室內(nèi)疲勞試驗

常應(yīng)變疲勞試驗（薄，618組）

常應(yīng)力疲勞試驗（厚，108組）

綜合疲勞方程

標定與驗證

——北京，ALF加速加載試驗3個路段

——加州大學路面研究中心UCPRC，HVS重車模擬6個路段

——內(nèi)華達州西部環(huán)道Westrack,8個路段

——密尼蘇達州環(huán)道MnRoad,10個路段

——阿拉巴馬州瀝青技術(shù)全國研究中心NCAT，3個路段驗證后疲勞方程平均偏差0.191，優(yōu)于AI（0.275）、MEPDG（0.273）

北京ALF驗證試驗

壓縮動態(tài)模量疲勞方程模量轉(zhuǎn)換

疲勞方程

室內(nèi)疲勞試驗與開裂模型

混合料類型應(yīng)力比樣本數(shù)疲勞關(guān)系式水泥穩(wěn)定砂礫0.7,0.6,0.5515水泥穩(wěn)定碎石懸浮密實19骨架密實19骨架空隙0.7,0.5514水泥穩(wěn)定土0.7,0.6,0.5520二灰穩(wěn)定碎石懸浮密實0.85,0.8,0.720骨架密實19二灰穩(wěn)定碎石0.77~0.57227.2無機結(jié)合料層疲勞開裂

水泥穩(wěn)定類疲勞方程二灰穩(wěn)定類疲勞方程無機結(jié)合料類綜合疲勞方程

無機結(jié)合料層疲勞曲線

二灰碎石

無機結(jié)合料綜合

結(jié)構(gòu)層修正室內(nèi)試驗以試件斷裂作為疲勞壽命的標準，結(jié)構(gòu)層在層底出現(xiàn)疲勞開裂后還能經(jīng)受住一定數(shù)量的荷載反復(fù)作用。結(jié)構(gòu)層的疲勞壽命要比試件的大。修正系數(shù)如下式：

式中：

h為結(jié)構(gòu)層厚度（mm）

瀝青低溫性能評價指標

——低溫延度、低溫針入度、當量脆點

——低溫蠕變勁度（彎曲梁流變BBR）

（路面最低溫度+10?C

）

S<300MPa——蠕變曲線斜率（彎曲梁流變BBR）

（路面最低溫度+10?C）

m>0.35——斷裂應(yīng)變（直接拉伸DT）（路面最低溫度+10?C）

ε>1%——臨界開裂溫度低于路面最低溫度7.3瀝青層低溫縮裂基質(zhì)瀝青低溫性能指標驗證路段調(diào)查和測試路段平均縫距路齡BBR(-12?C)BBR(-18?C)DT(-12?C)DT(-18?C)臨界開裂溫度(?C)S(MPa)mS(MPa)m應(yīng)變(%)應(yīng)變(%)T110m6年4530.378450.242.530.46-18.2T23660.346640.252.450.31-17.9T33920.357600.242.140.45-30.1T44170.419310.272.210.64-18.7T520m2660.395500.283.210.64-27.1T62450.395460.283.420.74-25.0Y15年2940.355260.292.670.55-25.7Y22780.355220.302.750.59-26.8Y32880.355400.292.660.52-28.9T750m6年2380.435230.333.780.93-28.0D70m4年1410.403460.303.291.04-29.6X3年1310.393140.325.371.33-

驗證路段瀝青面層低溫開裂量觀測與預(yù)估

路段路齡a路基J設(shè)計溫度T（?C）瀝青層厚h（cm）瀝青勁度S（MPa）預(yù)估I值觀測I值哈爾濱西環(huán)1年亞黏土-3-4017852.92.8遼源椅山-14年砂土-5-3510507.85.2遼源椅山-2165.54.4遼源椅山-3107.89.9遼源椅山-4107.87.7遼源外環(huán)-12年200.961.17遼源外環(huán)-2200.961.33遼源外環(huán)-3240.571.0遼源外環(huán)-4104.82.2通化-13年202.53.3通化-2106.33.5通化-3106.36.4通化-4106.34.5

瀝青層低溫開裂量預(yù)估式中：I—裂縫指數(shù)，ha—層厚，a—路齡，S—勁度，J—路基類型，T—溫度

7.4瀝青層永久變形機理

——固結(jié)變形、剪切變形抗剪切變形性能（瀝青混合料）

——馬歇爾試驗（穩(wěn)定度，流值）

——三軸壓縮試驗（ｃ，φ）

——三軸靜蠕變試驗（流動時間）

——三軸反復(fù)加載蠕變試驗（流動數(shù)）

——定高度反復(fù)加載單剪試驗（G*，γ）

——輪轍儀試驗（動穩(wěn)定度）車轍控制（路面）

——永久變形量預(yù)估

——混合料控制指標

輪轍試驗方法指標

——相對轍深（輪轍深/試件厚），%——蠕變率（蠕變速率的倒數(shù)），次/mm試驗時間

——1小時，45~60min時段的曲線斜率試驗溫度

——60?C

輪載接觸壓力

——0.7MPa空隙率

——7%±1%（密級配），5.5%±0.5%（SMA）

——設(shè)計空隙率±1%

輪轍變形預(yù)估模型輪轍深度模型

式中：

rd-轍深，T-溫度，p-壓力，N-次數(shù)，v-空隙率，k1-修正系數(shù)參數(shù)標定試驗

——3種普通混合料，4種改性混合料，3種輪壓，

24?C~70?C，空隙率3.8%~7.5%，596個樣本

系數(shù)abcdR2試件數(shù)樣本數(shù)普通瀝青混合料3.1321.4800.4680.7840.8673292改性瀝青混合料2.2391.0880.3000.9610.7176304瀝青混合料綜合2.7661.3550.3730.8880.83149596

輪轍深度實測值與預(yù)估值

ALF驗證試驗ALF驗證試驗

輪轍量模型向車轍量模型轉(zhuǎn)換

——MEPDG永久變形模型（3476個試件，經(jīng)28個州88LTPP路段387組數(shù)據(jù)驗證）

——AC-16、AC-20普通，AC-13、AC-20改性，

5、10、18cm厚瀝青層，22種路面結(jié)構(gòu)，

15℃、20℃、25℃、30℃、35℃，

100kN：200萬、500萬、1000萬、1200萬軸次，共200個工況的瀝青層永久變形量

——4種相同混合料的輪轍儀試驗，得到相應(yīng)的輪轍量

車轍量模型

——標定模型的系數(shù)參數(shù)k1β1β2β3β4擬合結(jié)果0.11791.05891.32841.28480.9320

車轍量模型

車轍量模型驗證

——北京ALF試驗段（預(yù)估值略低于實測，誤差10%左右）

——江蘇省02~04年通車的10條高速公路92個路段5年以上的車轍量數(shù)據(jù)（598個），N項的指數(shù)（0.479）取值較為合理

——05年東南大學環(huán)道試驗6種不同材料路面結(jié)構(gòu)的車轍量數(shù)據(jù)

瀝青層容許永久變形量（mm）公路等級高速和一級二級三級和四級路表容許車轍量131823瀝青層厚度200~130120~60≤50基層類型無機類非無機類無機類非無機類無機類非無機類瀝青層容許/p>

瀝青混合料蠕變率控制標準

——瀝青層容許永久變形量

——不同地區(qū)（瀝青層有效溫度）、不同交通荷載等級（設(shè)計軸載作用次數(shù)）和不同瀝青層厚度條件下，瀝青混合料在標準輪轍試驗條件下的輪轍量要求

——由輪轍量與蠕變率關(guān)系得到蠕變率要求

輪轍深度與蠕變率

瀝青混合料蠕變率技術(shù)要求（次/mm）

——低限600次/mm，高限9000次/mm瀝青層厚度等效溫度(℃)設(shè)計軸載作用次數(shù)（萬）小于300300~700700~12001200~180012cm以上（高速公路）15~204347911160154720~25114020803050406725~30249445516672889730~3548108777128681716035~408482154772269030258

瀝青混合料的蠕變率分布范圍

——普通（<3300）、改性（3300~6200）、SMA（>6200）

不同反復(fù)偏應(yīng)力作用下的永久應(yīng)變累積

不同主應(yīng)力比永久應(yīng)變累積

2種級配碎石，圍壓應(yīng)力（30、50和70kPa）

永久應(yīng)變速率-次數(shù)曲線

塑性安定區(qū)

——以1×10-8/次為標準，判斷粒料處于A區(qū)時的應(yīng)力水平上限值

依據(jù)安定理論概念，控制住傳到粒料層或路基的應(yīng)力或應(yīng)變水平，使它產(chǎn)生的永久變形累積可以最終趨近于平衡（穩(wěn)定）狀態(tài)，便可以相應(yīng)地控制住粒料層或路基的永久變形量，使路面結(jié)構(gòu)不會產(chǎn)生由于粒料層或路基的過量永久變形而引起的損壞。

粒料層應(yīng)力水平與設(shè)計軸次關(guān)系式

——粒料層容許永久變形6mm（應(yīng)變0.03）

路基頂面壓應(yīng)變控制

——依據(jù)安定理論

——AASHO試驗路

195個路面結(jié)構(gòu)PSI=2.5

7.5路基永久變形

路基頂面容許壓應(yīng)變模型

路基頂面壓應(yīng)變與累計軸次8各類路面結(jié)構(gòu)使用性能分析

性能分析模型

?瀝青層疲勞分析

?無機結(jié)合料層疲勞分析

?路基永久變形

各類損壞可靠度系數(shù)

公路等級高速一級二級三、四級設(shè)計可靠度（%）95858060瀝青層疲勞損壞kR0.2480.4160.4900.807無機結(jié)合料層（粒料）疲勞損壞kR1.9121.2050.9780.294無機結(jié)合料層（土）疲勞損壞kR0.9970.6280.5100.154路基永久變形kR0.6730.7790.8170.941

瀝青層厚度（mm）瀝青層疲勞無機層疲勞路基永久變形1000.72~0.742.00~2.051.102000.94~1.012.08~2.112.69

溫度當量系數(shù)（北京）面層厚度(cm)1212884模量(MPa)10100瀝青基層厚度(cm)22181814~1010~8模量(MPa)10000~8000粒料底基層厚度(cm)60~5050~4040~30模量(MPa)400~200路基模量(MPa)1008060瀝青基層壽命可靠度/系數(shù)85%/0.41680%/0.49060%/0.807溫度當量系數(shù)1.150.95~0.75壽命(106)13.4~4.97.7~2.85.2~1.93.6~0.71.7~0.4路基壽命可靠度系數(shù)0.7790.8170.941溫度當量系數(shù)3.02.1~1.2壽命(106)510~214148~5124~6.89.4~0.71.2~0.14瀝青層要求蠕變率5800~23002500~15001300瀝青碎石基層粒料底基層面層厚度(cm)12121284模量(MPa)10100瀝青基層厚度(cm)22~8181414~1010模量(MPa)10000~8000

底基層厚度(cm)40~3535~30303030強度/模量(MPa)2000~3000/0.8~0.62000/0.6路基模量(MPa)100~808060瀝青基層壽命可靠度系數(shù)95/0.24885/0.41680/0.49060/0.807溫度當量系數(shù)1.150.95壽命(106)135~4557~1193741~3660

底基層壽命可靠度系數(shù)0.9970.6280.5100.154溫度當量系數(shù)2.402.30壽命(106)29560~57114340~252526187~359.56路基壽命可靠度系數(shù)0.6730.7790.8170.941溫度當量系數(shù)3.02.1壽命(106)725~149117~1253117~7.48.3瀝青碎石基層無機穩(wěn)定土底基層面層厚度(cm)2218151284模量(MPa)10100粒料基層厚度(cm)302520模量(MPa)600~400底基層厚度(cm)30~25