永久性路面与结构材料性能[张起森]
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压缩和剪切加载后表面强拉应力是导致Top down开 裂的机理。见图
力学机理示意图
最大张力位置示意图
计算结果示图如下：
5、试验观测（图像分析技术）
试验观测-APA与图像分析示意图 观测到的表面裂缝示意图
6、试验观测与分析绪论： ①不一定从表面开始，也可能从表面下一定距 离的位置起裂； ②拉伸型和剪切型裂缝导致； ③可能发生在具有较软的沥青或路面温度较高 的位置； ④裂缝开始和扩展与材料结构有关； ⑤还可能与车辙和疲劳有关。
设计理念
} 40~75mm 高质量SMA、 OGFC 或 Superpave
100 ~
高压力区
150
mm
100~180mm高模量 抗车辙材料
(根据需要定)
最大拉应变
柔性抗疲劳材料 75~100mm
路面基础
设计理念
➢ 自下而上进行设计和施工 ➢ 基础（高强、稳定和坚固 ）
➢稳定 ➢将使用期间的季节性变化和体积变化降低到
裂、车辙和温度开裂
总费用
经济性能
传统路面
经济差
永久性路面
使用时间
二、永久性路面设计方法
永久性路面设计过程
• 设计原理 力学方法
• 设计过程
类似于其它结构设计方法
选择控制点 验算控制标准
拉应变标准 压应变标准
(由下至上设计)
输入材料性能参数 路面分析模型 路面应力和应变 路面变换方程
路面使用寿命
主要内容
一、永久性路面设计理念 二、永久性路面设计方法 三、表面开裂 四、永久性路面的材料要求 五、目前各地永久性路面状况 六、总结
一、永久性路面设计理念
定义
perpetual pavement ：指只需定期更换路面 表层（把破坏限制在路面上层），而不需进行 结构性修复或重建，且使用寿命大于50年的沥 青路面。
路基
永久性路面设计控制点
设计软件PerRoad 3.0
• 设计软件 软件名称：PerRoad 3.0 软件开发： David Timm, NCAT ，Auburn大学
• 设计软件下载 URL地址： 点击Perpetual Pavement
• 设计软件安装 连击 PerRoad
设计软件应用
• 建立新文件 点击File中Save SAVE AS 窗口出现，键入文件名
要应避免以下现象发生
HMA 基层 路基
重复弯曲
重复 变形
导致疲劳开裂
导致 车辙
永久性路面优点
沥青路面寿命可达50年 路面平整，噪音低，摩擦系数高 成本效益高 路面的养护维修仅限于面层 沥青面层可再循环 减少疲劳开裂和车辙损坏 最大限度地减少自然资源的使用 采用力学方法进行路面设计，综合考虑疲劳开
最小 ➢ 下面层加强抗疲劳性能 ➢ 上面层加强抗车辙性能
永久性沥青路面在使用过程中，为保持 其良好的性能和使用寿命，必须定期检 测，当自下而上的疲劳开裂、温度开裂、 车辙等病害达到预定深度时(即达到磨耗 层深度)，就必须采取罩面等措施。对于 永久性沥青路面而言，这点非常关键， 它保证了将病害限制在表层 ，且尽可能 减小未来罩面的附加厚度 （重铺厚度必 须尽可能采用原厚度 ）
力学设计法
材料性能 (模量值)
尽量不让沥青层底拉 应变>65με或路基顶 压应变> 200με
路面模型 路面反应 (应变, 应力等)
转移函数
设计 完成
路面寿命 是否满足?
1992年 Monismith 提出力学 设计法的
流程图
力学性能标准
ESAL作用下
弯曲拉应变极值 < 65me
(Monismith, Von Quintus, Nunn, Thompson等人研究发现)
建立新文件
键入文件名
设计软件应用
• 输入设计参数 路面结构材料和季节参数 交通参数
结构和季节参数
交通参数
选择设计参数输入窗口
设计软件应用
• 路面结构材料和季节参数 材料性能和变异性 模量温度调整 性能标准和转换公式：
Hale Waihona Puke BaiduNf
k1
1
e
k2
变异性输入窗口
使用性能选择窗口
模量温度调整窗口
设计软件应用
3、产生原因： 高轮胎压力和超载，→较高的水平张拉应力和剪应力；
温差应力 (出现较高的温度应力临界状态时间较短， 如冬天一般是晚上出现) ； 车轮运动引起表面反复拉压而疲劳； 刚性轮碾压导致的表面施工裂缝； 老化（沥青层变硬变脆）； 离析（骨料离析，温度离析）；
4、Top down的微结构与微观力学机理
• full-depth asphalt pavement （全厚式路面） • deep strength asphalt pavement （高强度路面） • long-life asphalt pavement（长寿命路面）
设计理念
上面层：抗车辙能力和抗磨耗能力 中间层：抗车辙能力 基层：抗疲劳能力 路基：高强、稳定和坚固
• 交通参数(轴载谱) 车轴类型 轴载分布 轴载数 增长率
车轴类型
轴载数
增长率
轴载分布
轴载谱输入窗口
三、表面开裂
表面开裂
过去一般认为沥青路面的开裂是从下到上 的开裂，但近几年欧洲和美国加利福尼亚、 伊利诺伊德克萨斯、肯塔基、弗罗里达等州 调查发现轮迹带出现自上而下纵向裂缝。弗 罗里达大学等对此展开了大量理论和现场调 查研究，并取得了一定成果
Top down cracking （自上而下的开裂）
1、特征：纵向，横向都有；在轮迹上和轮迹外面 发生；沥青层较厚时（6in~8in或更厚）；易与 传统的疲劳裂缝混淆
2、观测到的开裂出现时间： 法国：路面摊铺后3~5年内； 英国：沥青层厚＞180mm，10年内； 荷兰：沥青层厚＞160mm，常有发生； 日本：不同路面厚度，1~5年内； 美国：华盛顿州，层厚＞160mm，3~8年内； 佛罗里达州，5~10年内。
厚 HMA (> 200mm）
基层(as required) 路基
垂直压应变极值 < 200me (Monismith, Nunn等人研究发现)
力学指标
• 疲劳开裂
控制点位置：面层底面
控制标准：拉应变<65µ e
面层
厚度要求：>200mm
基层
• 永久性变形 控制点位置： 路基顶面 控制标准：压应变 <200µ e
7、工程应对方法：
增加沥青膜厚度； 采用温度敏感性低的沥青； 采用纤维； 采用智能型材料； 采用薄水泥混凝土面层（复合式路面）
表面开裂 轴载
TRL
开裂 (从表面开始)
新泽西 I-287 表面开裂
力学机理示意图
最大张力位置示意图
计算结果示图如下：
5、试验观测（图像分析技术）
试验观测-APA与图像分析示意图 观测到的表面裂缝示意图
6、试验观测与分析绪论： ①不一定从表面开始，也可能从表面下一定距 离的位置起裂； ②拉伸型和剪切型裂缝导致； ③可能发生在具有较软的沥青或路面温度较高 的位置； ④裂缝开始和扩展与材料结构有关； ⑤还可能与车辙和疲劳有关。
设计理念
} 40~75mm 高质量SMA、 OGFC 或 Superpave
100 ~
高压力区
150
mm
100~180mm高模量 抗车辙材料
(根据需要定)
最大拉应变
柔性抗疲劳材料 75~100mm
路面基础
设计理念
➢ 自下而上进行设计和施工 ➢ 基础（高强、稳定和坚固 ）
➢稳定 ➢将使用期间的季节性变化和体积变化降低到
裂、车辙和温度开裂
总费用
经济性能
传统路面
经济差
永久性路面
使用时间
二、永久性路面设计方法
永久性路面设计过程
• 设计原理 力学方法
• 设计过程
类似于其它结构设计方法
选择控制点 验算控制标准
拉应变标准 压应变标准
(由下至上设计)
输入材料性能参数 路面分析模型 路面应力和应变 路面变换方程
路面使用寿命
主要内容
一、永久性路面设计理念 二、永久性路面设计方法 三、表面开裂 四、永久性路面的材料要求 五、目前各地永久性路面状况 六、总结
一、永久性路面设计理念
定义
perpetual pavement ：指只需定期更换路面 表层（把破坏限制在路面上层），而不需进行 结构性修复或重建，且使用寿命大于50年的沥 青路面。
路基
永久性路面设计控制点
设计软件PerRoad 3.0
• 设计软件 软件名称：PerRoad 3.0 软件开发： David Timm, NCAT ，Auburn大学
• 设计软件下载 URL地址： 点击Perpetual Pavement
• 设计软件安装 连击 PerRoad
设计软件应用
• 建立新文件 点击File中Save SAVE AS 窗口出现，键入文件名
要应避免以下现象发生
HMA 基层 路基
重复弯曲
重复 变形
导致疲劳开裂
导致 车辙
永久性路面优点
沥青路面寿命可达50年 路面平整，噪音低，摩擦系数高 成本效益高 路面的养护维修仅限于面层 沥青面层可再循环 减少疲劳开裂和车辙损坏 最大限度地减少自然资源的使用 采用力学方法进行路面设计，综合考虑疲劳开
最小 ➢ 下面层加强抗疲劳性能 ➢ 上面层加强抗车辙性能
永久性沥青路面在使用过程中，为保持 其良好的性能和使用寿命，必须定期检 测，当自下而上的疲劳开裂、温度开裂、 车辙等病害达到预定深度时(即达到磨耗 层深度)，就必须采取罩面等措施。对于 永久性沥青路面而言，这点非常关键， 它保证了将病害限制在表层 ，且尽可能 减小未来罩面的附加厚度 （重铺厚度必 须尽可能采用原厚度 ）
力学设计法
材料性能 (模量值)
尽量不让沥青层底拉 应变>65με或路基顶 压应变> 200με
路面模型 路面反应 (应变, 应力等)
转移函数
设计 完成
路面寿命 是否满足?
1992年 Monismith 提出力学 设计法的
流程图
力学性能标准
ESAL作用下
弯曲拉应变极值 < 65me
(Monismith, Von Quintus, Nunn, Thompson等人研究发现)
建立新文件
键入文件名
设计软件应用
• 输入设计参数 路面结构材料和季节参数 交通参数
结构和季节参数
交通参数
选择设计参数输入窗口
设计软件应用
• 路面结构材料和季节参数 材料性能和变异性 模量温度调整 性能标准和转换公式：
Hale Waihona Puke BaiduNf
k1
1
e
k2
变异性输入窗口
使用性能选择窗口
模量温度调整窗口
设计软件应用
3、产生原因： 高轮胎压力和超载，→较高的水平张拉应力和剪应力；
温差应力 (出现较高的温度应力临界状态时间较短， 如冬天一般是晚上出现) ； 车轮运动引起表面反复拉压而疲劳； 刚性轮碾压导致的表面施工裂缝； 老化（沥青层变硬变脆）； 离析（骨料离析，温度离析）；
4、Top down的微结构与微观力学机理
• full-depth asphalt pavement （全厚式路面） • deep strength asphalt pavement （高强度路面） • long-life asphalt pavement（长寿命路面）
设计理念
上面层：抗车辙能力和抗磨耗能力 中间层：抗车辙能力 基层：抗疲劳能力 路基：高强、稳定和坚固
• 交通参数(轴载谱) 车轴类型 轴载分布 轴载数 增长率
车轴类型
轴载数
增长率
轴载分布
轴载谱输入窗口
三、表面开裂
表面开裂
过去一般认为沥青路面的开裂是从下到上 的开裂，但近几年欧洲和美国加利福尼亚、 伊利诺伊德克萨斯、肯塔基、弗罗里达等州 调查发现轮迹带出现自上而下纵向裂缝。弗 罗里达大学等对此展开了大量理论和现场调 查研究，并取得了一定成果
Top down cracking （自上而下的开裂）
1、特征：纵向，横向都有；在轮迹上和轮迹外面 发生；沥青层较厚时（6in~8in或更厚）；易与 传统的疲劳裂缝混淆
2、观测到的开裂出现时间： 法国：路面摊铺后3~5年内； 英国：沥青层厚＞180mm，10年内； 荷兰：沥青层厚＞160mm，常有发生； 日本：不同路面厚度，1~5年内； 美国：华盛顿州，层厚＞160mm，3~8年内； 佛罗里达州，5~10年内。
厚 HMA (> 200mm）
基层(as required) 路基
垂直压应变极值 < 200me (Monismith, Nunn等人研究发现)
力学指标
• 疲劳开裂
控制点位置：面层底面
控制标准：拉应变<65µ e
面层
厚度要求：>200mm
基层
• 永久性变形 控制点位置： 路基顶面 控制标准：压应变 <200µ e
7、工程应对方法：
增加沥青膜厚度； 采用温度敏感性低的沥青； 采用纤维； 采用智能型材料； 采用薄水泥混凝土面层（复合式路面）
表面开裂 轴载
TRL
开裂 (从表面开始)
新泽西 I-287 表面开裂