姚祖康 沥青路面结构设计

面层低温缩裂
面层反射裂缝
使用性能（损坏）标准

沥青层疲劳开裂
——轮迹带开裂率10%（试验路） 裂缝密度1.0m/m2（加速加载试验）

无机结合料层疲劳开裂
——试件断裂、裂缝向层顶扩展
使用性能标准

路表永久变形（车辙）量：10~25mm
——高速和一级公路： 10~15mm ——二级公路： 15~20mm ——三级和四级公路： 20~25mm

力学经验法
——建立路面结构在轴载作用和环境影响 下的力学响应与使用性能的关系 ——Shell法、AI法 ——MEPDG法

厚度设计与使用性能分析和预估
力学经验法要点

路面结构力学响应模型 损坏模式和使用性能（损坏）标准 使用性能（损坏）预估模型 路基土和路面材料的力学性状和指标 轴载作用和环境（温度、湿度）影响 材料和结构的变异性及结构设计的可靠度

沥青层疲劳损坏预估模型
标定与验证
——北京，ALF试验3个路段 ——加州大学路面研究中心UCPRC，HVS试验6个路段 ——内华达州西部环道Westrack, 8个路段 ——密尼苏达州环道MnRoad, 10个路段 ——阿拉巴马州沥青技术全国研究中心NCAT，3个路段
验证后疲劳方程
lg N 13.363 13.227 ( r / f r ) lg N 13.269 13.687 ( r / f r ) lg N 11.618 10.421 ( r / f r )
二灰稳定碎石
lg N 10.439 8.346 ( r / f r ) lg N 13.091 13.903 ( r / f r ) lg N 14.274 12.642 ( r / f r ) lg N 14.048 11.980 ( r / f r ) log N 13.775 12.231 ( r / f r )
0.436 0.846 ( 0.237h5.408) 1 0 . 362 S VFA exp 16 3.973 1.589 2.720 0 N f 1.65410 S0 VFA ( 0.237h 5.408) 1 exp 3.333
——平均偏差0.191，优于AI（0.275）、MEPDG（0.273）
路床顶面模量要求≥ 40MPa、60MPa或100MPa
粒料类基层沥青路面组合方案
面层 磨耗层 联结层 基层 基层 底基层 密级配沥青混凝土、SMA、沥青表面处治 密级配沥青混凝土或缺失 级配碎（砾）石、填隙（水结）碎石 级配碎（砾）石、 填隙（水结）碎石 水泥、石灰-粉煤灰或 石灰稳定碎（砾）石或土
等级 裂缝指数 路面状况

开裂间距（m） >100 100~51
次，中修 差，大修
低温缩裂设计标准
公路等级 高速 一级 二级 特重冻区 3级 4级 重冻区 1或2级 2或3级 3或4级 中冻区 1级 1或2级 2或3级
技术方案

结构设计方法 损坏类型和损坏标准 使用性能（损坏）预估模型
——分别按各类损坏的特性和条件建立
沥青层低温缩裂 沥青层低温开裂量预估

I 0.075(T 0.7 ha 0.5a ) log S 0.026S log J
I—裂缝指数（全路幅横裂数加半路幅横裂数之半）， ha—层厚（cm），a—路龄（年），S—劲度（MPa）， J—路基类型（砂=5，亚粘土=3，粘土=2）， T—设计温度，取绝对值（℃）。
无机结合料层疲劳开裂模型
裂缝扩展
SF 10 ( 0.00285 h 0.293)
h——结构层厚度（mm）
沥青层低温缩裂

沥青低温性能指标
——低温蠕变劲度（弯曲梁流变BBR） （路面最低温度+10˚C） S<300MPa ——蠕变曲线斜率（弯曲梁流变BBR） （路面最低温度+10˚C） m>0.35 ——断裂应变（直接拉伸DT） （路面最低温度+10˚C） ε>1% ——临界开裂温度低于路面最低温度

材料性能与路面性能要求的结合
沥青层永久变形

轮辙变形预估模型 轮辙深度模型
T rd k1 rd 0 T0
a
p N p N 0 0
b
c
v v 0
d
rd-辙深，T-温度，p-压力，N-次数，v-空隙率，k1-修正系数
力学经验法设计流程
交通荷载 路基承载力 湿度 温度 路面材料性质
公路等级
结构层组合设计
设计可靠度
使用性能分析
沥青层疲劳
无机类层疲劳
沥青层永久变形
粒料层和路基永久变形
面层低温缩裂
使用性能标准
否 符合？ 是
选定路面结构
技术方案

结构设计方法 损坏类型和损坏标准
——结构层组合和损坏类型 ——多个单项设计指标分别控制对应的路面损坏 ——使用性能（损坏）标准
路基
路床顶面模量要求≥ 40MPa、60MPa或100MPa
损坏类型

沥青结合料类结构层的疲劳开裂 无机结合料类结构层的疲劳开裂 沥青层的永久变形 粒料层和路基的永久变形 沥青面层的低温缩裂 沥青面层的反射裂缝
损坏类型
类型 面层厚度 主要损坏 次要损坏 季冻地区 沥青结合料类和无结合料类基层 厚 沥青层 永久变形 沥青层 疲劳开裂 中厚 沥青层 疲劳开裂 沥青层 永久变形 薄 基层和路基 永久变形 无机结合料类基层 厚 面层 永久变形 中厚、薄 基层 疲劳开裂
N f A f N f F1
3.973 1 1 A f 1.509 1016 S 0

1.589
VFA
2 .720
1 0.362 S 0.436 VFA 0.846 exp ( 0.542 hac 5.408 ) 0 ( 0.542 hac 5.408 ) 1 exp
标定参数试验
——3种普通混合料，4种改性混合料， 3种轮压， 24˚C~70˚C，空隙率3.8%~7.5%，596个样本
系数 普通沥青混合料 改性沥青混合料 沥青混合料综合
a 3.132 2.239 2.766
b 1.480 1.088 1.355
c 0.468 0.300 0.373
d 0.784 0.961 0.888

损伤累积 土和材料力学性状的表征指标和测试方法 环境（温度和湿度）因素的影响 设计（或现有）路面结构的评定
沥青层疲劳损坏预估模型
以室内小梁试件弯曲疲劳试验为主建立模型 应用加速加载试验和长期使用性能观测数据 进行标定

沥青层疲劳损坏预估模型

室内疲劳试验（4点弯曲，常应变，618组）
1.589 N f 1.509 1016 3.973 S 0 VFA2.720
( R 2 0.710)

室内疲劳试验（4点弯曲，常应力，108组）
1.023 N f 5.465 1015 4.287 S 0 VFA1.980
( R 2 0.782)

室内综合疲劳方程
路床顶面回弹模量要求≥40MPa、60MPa或100MPa
沥青结合料类基层沥青路面组合方案
面层 磨耗层 联结层 基层 基层 底基层 路基 密级配沥青混凝土、SMA、OGFC、沥青表面处治 密级配沥青混凝土或缺失 密级配沥青碎石、半开级配沥青碎石、 开级配沥青碎石、沥青贯入碎石 级配碎（砾）石 水泥、石灰-粉煤灰或 石灰稳定碎（砾）石或土
沥青路面结构设计 ——力学经验法
姚 祖 康
2012.12.5
沥青路面结构设计 ——力学经验法



沥青路面设计指标体系 ——2002~2003 沥青路面设计指标和参数研究 ——2005~2007 基于多指标的沥青路面结构设计方法研究 ——2009~2011
背景

Leabharlann Baidu

沥青路面早期损坏与沥青碎石或 粒料基层的出场 1997版沥青路面设计规范的修订 美国力学经验法路面设计的研制 ——AASHTO-2002→MEPDG
沥青层永久变形

车辙量模型
——标定轮辙量模型的系数
T RD k1kh rd0 T 0
参数 拟合结果 k1 0.1179
1a
p p 0
技术方案


结构设计方法 ——经验法、力学-经验法 损坏类型和损坏标准 使用性能（损坏）预估模型 损伤累积 土和材料力学性状的表征指标和测试方法 环境（温度和湿度）因素的影响 设计（或现有）路面结构的评定
结构设计方法

经验法
——建立试验路面结构、轴载作用和 使用性能（损坏）三者的经验关系 ——CBR法、AASHTO法
无机结合料层疲劳开裂模型 水泥稳定类疲劳方程

lg N f 12.409 12.570 ( r / f r )

二灰稳定类疲劳方程
lg N f 14.064 12.480( r / f r )

无机结合料类综合疲劳方程
lg N f 13.237 12.525( r / f r )

使用性能（损坏）预估模型 损伤累积 土和材料力学性状的表征指标和测试方法 环境（温度和湿度）因素的影响 设计（或现有）路面结构的评定
路面结构层和材料类型

路面结构层
面层——表面功能为主 基层——承载为主 底基层——基层与路基间的过渡 特定功能层——排水层、防冻层、应力吸收层、 夹层、封层、隔离层等
R2 0.86 0.71 0.83
试件数 73 76 149
样本数 292 304 596
沥青层永久变形

轮辙量模型向车辙量模型转换
——MEPDG永久变形模型（3476个试件， 经28个州88LTPP路段387组数据验证） ——AC-16、AC-20普通，AC-13、AC-20改性， 5、10、18cm厚沥青层，22种路面结构， 15℃、20 ℃ 、25 ℃ 、30 ℃、 35 ℃， 100kN：200万、500万、1000万、1200万轴次， 共200个工况的沥青层永久变形量 ——4种相同混合料的轮辙仪试验，得到相应的轮辙量
无机结合料层疲劳开裂模型 室内小梁试件疲劳试验（3分点弯曲，148根试件） 室内疲劳开裂模型

混合料类型 水泥稳定砂砾 水泥稳 定碎石 悬浮密实 骨架密实 骨架空隙 水泥稳定土 二灰稳 定碎石 悬浮密实 骨架密实 0.77~0.57 0.7,0.55 0.7,0.6,0.55 0.85,0.8,0.7 应力比 0.7,0.6,0.55 样本数 15 19 19 14 20 20 19 22 疲劳关系式

结构层材料
沥青结合料类 无机结合料类 无结合料类
结构层组合方案

无机结合料类基层沥青路面 沥青结合料类基层沥青路面 无结合料（粒料）类基层沥青路面 复合式路面 底基层
——无底基层、粒料底基层、 无机结合料类底基层
无机结合料类基层沥青路面组合方案
面层 表面层 联结层 基层 基层 底基层 路基 密级配沥青混凝土、SMA、OGFC、沥青表面处治 密级配沥青混凝土或缺失 水泥或石灰-粉煤灰稳定碎石、贫混凝土 级配碎（砾）石、 填隙（水结）碎石 水泥、石灰-粉煤灰或 石灰稳定碎（砾）石或土

各层分配比例（非无机结合料类基层）
<50 30 15 45 10 50~100 70 15 10 5 101~200 80 10 5 5 >200 100 0 0 0
沥青层厚（cm) 沥青层（%） 粒料基层（%） 粒料底基层（%） 路基（%）
使用性能标准

低温缩裂分级：6级
一级 <1 优 二级 1~2 良 三级 50~36 >2~3 中 四级 35~26 >3~4 及格 五级 25~15 >4~7 六级 <15 >7
沥青层永久变形

机理
——固结变形、剪切变形
抗剪切变形性能评定（沥青混合料）
——马歇尔试验（稳定度，流值） ——三轴压缩试验（ｃ，φ） ——三轴静蠕变试验（流动时间） ——三轴反复加载蠕变试验（流动数） ——定高度反复加载单剪试验（G*，γ） ——轮辙仪试验（动稳定度）

车辙量控制（路面）
——永久变形量预估 ——混合料控制指标