沥青路面结构设计指标和参数成果-王秉纲

损坏模型
沥青层低温缩裂
基质沥青低温性能指标验证路段调查和测试
路段 平均 缝距 10m 路龄 6年 BBR (-12˚C) S(MPa) 453 366 392 417 m 0.37 0.34 0.35 0.41 BBR (-18˚C) S(MPa) 845 664 760 931 m 0.24 0.25 0.24 0.27 DT (-12˚C) DT(-18˚C) 临界开裂 温度(˚C) 应变(%) 应变(%) 2.53 2.45 2.14 2.21 0.46 0.31 0.45 0.64 -18.2 -17.9 -30.1 -18.7
分题报告
1 沥青路面的温度场和沥青面层的当量温度系数研 究 2 沥青混合料动态模量研究 3 沥青层疲劳开裂预估模型研究 4 沥青混合料和沥青面层抗永久变形预估 5 无机结合料稳定类基层模量及衰变规律 6 无机结合料稳定类基层疲劳损坏预估模型
7 路基与粒料层动态模量参数研究 8 路基湿度状况及模量调整系数研究
0.7,0.6,0.55
0.85,0.8,0.7
20
20 19
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 )
lg N 13.363 13.227 ( r / f r )
lg N 13.269 13.687( r / f r )
水泥稳 定碎石
悬浮密实
骨架密实 骨架空隙 0.7,0.55
19
19 14
lg N 11.618 10.421( r / f r )
水泥稳定土
二灰稳 定碎石 悬浮密实 骨架密实
损坏模型
沥青层永久变形
I 19.947 (4.460 0.226h 0.878a) lg S (0.395S 1.399) lg J 0.820 T
I—裂缝指数，h—层厚，a—路龄，S—劲度，J—路基类型，T—温度
验证路段沥青面层低温开裂量观测与预估
路段 哈尔滨西环 辽源椅山-1 辽源椅山-2 辽源椅山-3 路龄a 1年 4年 路基J 亚黏土-3 砂土-5 设计温度T（˚C） -40 -35 沥青层厚h（cm） 17 10 16 10 沥青劲度S（MPa） 85 50 预估 I 值 2.9 7.8 5.5 7.8 观测 I 值 2.8 5.2 4.4 9.9
3.21
3.42 2.67 2.75 2.66 3.78 3.29 5.37
0.64
0.74 0.55 0.59 0.52 0.93 1.04 1.33
-27.1
-25.0 -25.7 -26.8 -28.9 -28.0 -29.6 -
50m 70m
6年 4年 3年
238 141 131
损坏模型
沥青层低温缩裂 • 沥青层低温开裂量预估（Hass & Hajek)
路面损坏模型
沥青层疲劳开裂
• 室内疲劳试验（弯曲，常应变，618组）
1.589 N f 1.509 1016 3.973 S0 VFA2.720
ε—应变，SO ─弯曲劲度模量，VFA─沥青饱和度
• 弯曲模量转换压缩模量(Christensen)（31组试件）
S 0 0.66 E
0.994
4m
10cm
4m
15cm
15cm级 配碎石
10cm级 配碎石
20cm级配碎石
20cm级配碎石
注：在基层顶面撒铺透层油， 之后设置5mm稀浆封层
土基
2m
损坏模型
沥青层疲劳开裂 • ALF验证 • 轴载修正（160kN→100kN）
轴载系数 6.554
k1=1.368，k2= – 5.790
• 横向分布修正
横向分布系数 2.03
N f 5.314 10 1 e
17
• 疲劳开裂模型
5.790 MF 1

3.973 E 1.579VFA 2.720
损坏模型
无机结合料稳定层疲劳开裂 • 室内疲劳试验（弯曲，147根试件） • 室内疲劳开裂模型
混合料类型 水泥稳定砂砾 应力比 0.7,0.6,0.55 样本数 15 疲劳关系式
垫层（季冻区） 不易冻胀的粒料（细料含量小于6%~10%的 砾类土） 路基 路床顶面模量要求50MPa、80MPa或100MPa
2. 结构损坏类型
• 开裂类
沥青层疲劳开裂 无机结合料稳定层疲劳开裂 沥青面层低温缩裂 沥青面层反射裂缝 ⌂
• 变形类
沥青层永久变形
粒料层和路基永久变形
结构损坏类型
路面类 型 面层厚 度 厚 沥青类和粒料类基层 中厚 薄 无机结合料类基层 厚 中厚、 薄
损坏模型
沥青层低温缩裂 • 沥青低温性能指标
低温延度、低温针入度、当量脆点 * 低温蠕变劲度（弯曲梁流变仪BBR） （路面最低温度加10˚C ） S<300MPa * 蠕变曲线斜率（弯曲梁流变仪BBR） （路面最低温度加10˚C ） m>0.35 * 断裂应变（直接拉伸DT） （路面最低温度加10˚C ） ε>1% 临界开裂温度低于路面最低温度 * 为借鉴AASHTO沥青规范
T1 T2 T3 T4
T5
T6 Y1 Y2 Y3 T7 D X
20m
5年
266
245 294 278 288
0.39
0.39 0.35 0.35 0.35 0.43 0.40 0.39
550
546 526 522 540 523 346 314
0.28
0.28 0.29 0.30 0.29 0.33 0.30 0.32
沥青路面
设计指标和参数
研究成果介绍
2008.4
Hale Waihona Puke Baidu
沥青路面设计指标和参数 研究成果介绍
概述


路面结构组合
路面损坏模型 路面设计参数 路面设计指南 研究成果和建议
一、概述
研究概况 现行设计指标和参数 研究方案
1. 研究概况 ▪ 前言
▪
研究目的
建立适合我国特点、且与国际融合的沥青路面 设计指标、参数和方法，为沥青设计规范修订 工作提供依据。
损坏模型
无机结合料稳定层疲劳开裂
各种无机结合料稳定类基层疲劳方程汇总
1 应 力 比 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 1 3 logN 5 7 9
水泥稳定砂砾 水泥稳定碎石悬浮密实 结构 水泥稳定碎石骨架密实 结构 水泥稳定碎石骨架空隙 结构 二灰稳定碎石悬浮密实 结构 二灰稳定碎石骨架密实 结构 水泥稳定土 规范

• 疲劳关系式
N f 2.920 10 k1 1 e
16

k2 MF 1

3.973 E 1.579VFA 2.720
路面损坏模型
沥青层疲劳开裂
ALF验证试验
11.5m
加载带2 加载带1 LQPL1 LQPL3
LQPL2
4m
5cm AC20 级配碎石 土基
20cm级 配碎石
垫层（季冻区） 不易冻胀的粒料（细料含量小于6%~10%的 砾类土） 路基 路床顶面模量要求50MPa、80MPa或100MPa
沥青类基层
面 磨耗层 层 联结层 基 基层 层 底基层 热拌 沥青 混合 料 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 热拌沥青混合料、沥青贯入碎石 级配碎 石 水泥、石灰-粉煤灰或石灰 稳定碎（砾）石或土
■
层底拉应力
m R R k s s
k s aAc N eb
m ——计算点的层底拉应力（MPa） R、 s ——材料容许拉应力和劈裂强度（MPa） ks——材料疲劳应力系数； a——系数，沥青层0.09、无机结合料稳定粒料 0.35、 无机结合料稳定土0.45； b——系数，沥青层0.22，半刚性层0.11

柔性基层沥青路面的指标和参数有待补充 材料性质指标和测试方法未反映其力学特 性
应力依赖性、温度依赖性和湿度依赖性
3. 研究方案
• • • • • • • 遵循力学-经验法 针对不同损坏的多指标体系 建模以室内试验为主，ALF试验验证和修正 当量损坏法分析 材料参数选用力学指标和科学试验方法测定 参数采集按三层次要求 以国内外的前沿水平为基础
MF
A B
分析464个路面结构建立模式系数回归公式。
路面损坏模型
沥青层疲劳开裂
• 模式系数（MF）
MF 1.99 3.37 A
n
A hi 3 Si ;
i 1

B 0.00342B 0.004A 0.00153E

B hi 3 Ei
i 1 m
0

垫层（季冻区） 不易冻胀的粒料（细料含量小于6%~10%的 砾类土） 路基 路床顶面模量要求50MPa、80MPa或100MPa
无机结合料类基层
面 磨耗层 层 联结层 基 基层 层 底基层 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
级配碎（砾） 水泥、石灰-粉煤灰或石灰 石、填隙碎 稳定碎（砾）石或土 石
9 路基和粒料层抗永久变形性能预估
10 沥青面层低温缩裂研究 11 沥青路面结构设计指标的协调与平衡 12 加速加载试验验证
2. 现行设计指标和参数
■
路表回弹弯沉
l s ld ld 600N e0.2 Ac As Ab
ls和ld ——计算弯沉值和容许弯沉值（0.01mm） Ne ——设计车道的标准轴载（100kN）累计当量 轴次 Ac、As、Ab——公路等级、面层类型和基层类型系数
▪ 成果一览
构建设计指标体系
沥青层疲劳 无机结合料稳定层疲劳
路基永久变形
沥青层永久变形 沥青层低温开裂
共5个指标
成果一览
提出设计参数
路基和粒料层回弹模量
路基回弹模量调整系数
沥青混合料动态压缩模量
无机结合料弹性模量
共4个参数
成果一览
研究总报告 分题研究报告 12个 设计指南
二、路面结构组合
结构组合方案 结构损坏类型
1. 结构组合方案
材料类型
• 沥青结合料类
热拌沥青混合料、SMA、OGFC、 沥青贯入碎 石、沥青表面处治
• 无机结合料类
水泥或石灰-粉煤灰或石灰稳定碎石、砾石或土
• 粒料类
级配碎石、级配砾石、填隙碎石、未筛分碎石、 天然砂砾
粒料类基层
面 磨耗层 层 联结层 基 基层 层 底基层 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 级配碎石、填隙碎石 级配碎（砾） 水泥、石灰-粉煤灰或石灰 石、填隙碎 稳定碎（砾）石或土 石
■
材料参数
* 路基模量：承载板法
* 无机结合料稳定材料：压缩模量和劈裂强度
* 沥青混合料：15˚C或20˚C压缩模量15˚C劈裂强度
■
环境参数
* 温度对沥青混合料性质的影响 未考虑 * 湿度对模量的影响 未考虑
存在问题


结构设计控制指标路表弯沉
路表弯沉为综合性、表观性指标，具有非唯一性， 无法包容各种损坏，难以协调各单项损坏指标
主要损 坏
次要损 坏 冰冻地 区
永久变 形
（面层）
永久变形 疲劳开 裂 （粒料层和路基）
永久变 形 低温缩裂（面层）
疲劳开裂
疲劳开 裂
永久变 形
反射裂 缝
三、路面损坏模型
• • • • • 沥青层疲劳开裂 无机结合料层疲劳开裂 沥青层低温缩裂 沥青层永久变形 路基永久变形
路面损坏模型
▪ 分析国内外已有模型，比选出合适的模型模式 和自变量 ▪ 制定标准试验方法 ▪ 室内试验和试验路（ALF）试验， 标定模型参 数 ▪ 长期使用性能观测资料和设计实践 经验积累， 逐步验证和修正模型参数
辽源椅山-4
辽源外环-1 辽源外环-2 辽源外环-3 辽源外环-4 通化-1 通化-2 通化-3 通化-4 3年 2年
10
20 20 24 10 20 10 10 10
7.8
0.96 0.96 0.57 4.8 2.5 6.3 6.3 6.3
7.7
1.17 1.33 1.0 2.2 3.3 3.5 6.4 4.5
N f 2.920 1016 3.973 E 1.579VFA2.720
损坏模型
沥青层疲劳开裂
应变控制加载模式 适于厚度 ≤5cm 应力控制加载模式 适于厚度 ≥20cm 介于上述两种情况之间用Sigmoidal曲线过渡。
模式系数
A B MF——模式系数，应力控制MF=-1,应变控制MF=+1； A——劲度模量下降（％），应力变化（％）； B——劲度模量下降（％），应变变化（％）。