沥青路面设计指标和参数研究

1、沥青路面设计指标和参数研究报 告 简 本 现行规范的结构设计方法，以路表回弹弯沉值、沥青面层和半刚性层的层底拉应力作为控制路面结构总体刚度（承载能力）以及沥青层和半刚性层疲劳开裂损坏的设计指标。采用静态测试方法确定路基土和路面材料的模量值，以劈裂试验方法确定路面材料的强度值，并且未考虑温度和湿度变化对参数值的影响。这样的设计指标和参数值，不能如实反映路面结构的损坏现象和机理，也不能正确反映土和材料的力学性状。为了改善现行沥青路面结构设计的指标和参数，2005年初交通部立项开展研究，计划提出新的设计指标和相应的设计参数。 拟订沥青路面新指标和参数体系时，依据下述原则考虑：（1）仍遵循力学-经验法

2、的基本思路；（2）针对层状复合结构和损坏类型多样化的特点，采用多设计指标体系，各指标分别控制对应的损坏类型；（3）设计基准期内路面的累计损伤仍采用当量损坏法分析；（4）对设计参数的采集要求分为三个层次，分别规定不同精细或准确程度的方法；（5）材料性质参数应能反映行车荷载和环境因素对其性状的影响，并采用科学的试验方法测定；（6）各种损坏模型的建立以室内试验为基础，室外验证和修正以路面加速加载试验（ALF）为主；（7）在现有国内外前沿水平的基础上建立设计指标和参数的基本框架体系。1. 结构层组合方案和损坏类型沥青路面可以按基层材料类型的不同分为三大类结构层组合方案：（1）选用粒料做基层的粒料类基层

3、沥青路面；（2）选用沥青结合料类材料做基层的沥青类基层沥青路面；（3）选用无机结合料类材料做基层的无机结合料类基层沥青路面。而各大类中，又可以按底基层材料的不同分为粒料类底基层、无机结合料类底基层和沥青结合料类底基层三亚类。各种路面结构层组合方案具有不同的结构特性及损坏机理和形态特征。沥青路面的设计指标主要针对以下6类损坏：（1）沥青层的疲劳开裂；（2）无机结合料稳定层的疲劳开裂；（3）沥青面层的永久变形；（4）粒料层和路基的永久变形；（5）沥青面层的低温缩裂；（6）沥青面层的反射裂缝。各种沥青路面结构层组合方案在结构设计时所需考虑的损坏类型，汇总于表1。本项目研究前5项损坏，提出相应的设计指

4、标和相关的设计参数。表1 各种结构层组合方案需考虑的沥青路面损坏类型路面类型沥青类基层和粒料类基层无机结合料类基层面层厚度厚中厚薄厚中厚、薄主要损坏类型永久变形（面层为主）疲劳开裂永久变形（粒料层和路基）永久变形(面层)反射裂缝(面层)次要损坏类型疲劳开裂永久变形-疲劳开裂冰冻地区低温缩裂(面层)2. 沥青层疲劳损坏 选用矩形小梁4点弯曲疲劳试验进行沥青混合料室内疲劳性能的研究，并制订了标准试验方法。采用常应变加载控制模式，在15°C和10Hz条件下对各种沥青混合料进行了108次疲劳试验。在吸纳国外部分疲劳试验结果的基础上，对618有效组数据进行了回归分析，建立了常应变控制模式下的室

5、内疲劳寿命预估模型。通过各4m长的3个试验段（沥青层厚度为5、10和15cm）的路面加速试验（ALF），对室内疲劳模型进行修正，引入了模式系数、轮载横向分布系数和轴载载换算系数，并标定了室内模型的系数后，得到经过验证和修正后的沥青层疲劳寿命预估模型： （1） 选取了54个级配碎石基层沥青路面结构，对上述预估模型和美国力学-经验法的预估模型进行了疲劳寿命的对比分析。除了应变水平小于50的低应变路面结构外，其他路面的预估寿命基本接近，都在同一个数量级内。3. 无机结合料稳定层疲劳损坏 选用水泥稳定砂砾、水泥稳定碎石、水泥稳定土和水泥-石灰稳定碎石4类常用无机结合料稳定材料，进行了147次三分点加载

6、梁试件弯曲疲劳试验。按照Weibull分布回归得到各种混合料的7个疲劳关系式。其中，水泥稳定碎石的疲劳寿命预估模型为： （2） 在试件底面有支承和试件浸水的条件下分别进行了疲劳试验，与常规疲劳试验结果相比较，受支承时试件的疲劳寿命可以增加，浸水对水泥稳定土的疲劳寿命影响很大，但对水泥稳定碎石的影响则很小。4. 沥青面层低温缩裂损坏影响沥青层低温开裂的最重要的因素是沥青在低温时的蠕变劲度（或稠度）及其感温性。选用在该地区最低路面温度下不会变脆的沥青结合料是预防沥青面层低温开裂的关键。对3种基质沥青进行了各种性质指标的测定，将它们与临界开裂温度的关系进行关联分析的结果表明，我国规范采用的低温延度、

7、低温针入度和当量脆点与临界开裂温度的关联度都很小，因而，这些评价指标无法很好地表征沥青的低温性能。对吉林和黑龙江省4条公路的12个路段进行了裂缝调查，并对回收沥青进行了BBR试验和DT试验，计算了临界开裂温度。沥青性质与开裂程度相对应的验证结果表明，蠕变劲度S、劲度曲线斜率m和断裂应变，这3项沥青低温性能指标可以有效地判别沥青层抗低温性能的优劣，其标准值（当地路面最低温度加10°C时，S < 300 MPa、m > 0.30、破坏应变 > 1%）与路面的实际开裂程度相吻合。因而，可以采纳作为评定沥青低温性能的指标和标准。参照Hass和Hajek建立的模型提出了开裂量

8、预估模型。对吉林和黑龙江省4条公路的13个路段进行了沥青层开裂状况调查，并对沥青的性质和路面结构进行了测试。依据所取得的数据，按预估模型计算了各个路段的开裂量。与实际开裂量的对比表明，各路段的预估值与观测值都比较接近，偏差在可接受的范围内。因此，预估模型可以暂时用作沥青面层低温抗裂设计的参考。5. 沥青层永久变形 控制沥青层永久变形的主要途径是，按照交通荷载、温度状况和路面结构层组合的要求，正确、合理地设计沥青混合料的组成。选用轮辙仪试验和重复加载三轴蠕变试验作为研究对象，检验了它们判别沥青混合料抗永久变形性能优劣的可靠性，并分析了影响测试结果的各方面因素。在此基础上，制定出了标准试验方法。

9、以相对辙深和蠕变率作为应用轮辙仪试验评定沥青混合料抗永久变形性能的指标。选用3种密级配沥青混合料和4种4%SBS改性沥青混合料，在不同轮压和温度条件下进行轮辙试验。依据551个有效样本数据，进行多元回归分析后建立了相对辙深预估模型。在各4m长的3个试验段（沥青层厚8 cm）上通过ALF试验仪进行了车辙试验。利用车辙试验结果，对轮辙仪试验的相对辙深预估模型进行了轮压和作用次数的修正，并分析了车速对辙深的影响。以此修正后的相对辙深预估模型为基础，按各气候区的代表地区的月平均气温资料、累计标准轴次和沥青层位深度的不同，分别计算累计车辙深度。取沥青层的容许车辙深度为15mm，据此确定不同条件下轮辙试验

10、的相对辙深容许值，并进而按相对辙深与蠕变率之间的关系转换为蠕变率容许值，如表2所列。表2 沥青混合料轮辙试验蠕变率（次/mm）的要求（不小于）交通分级(×106轴次数)距路表深度(cm)温度分区I-1、I-2、I-3、I-4II-1II-2、II-3、II-4III-210101500（2400）600800600>1060060060060030103200（4500）10001500600>101000（1500）600600600120105500320045001500>10250010001500600 以流动数作为应用重复加载三轴蠕变试验评定沥青混合料抗

11、永久变形性能的指标。选用4种普通沥青混合料和1种改性沥青混合料，在3种轴向应力和3种温度条件下进行流动数测定。依据试验结果，建立了流动数与应力和温度之间的经验关系式，以及永久变形与应力和温度之间的经验关系式。利用ALF试验的3段车辙试验结果和沥青层中部（4cm处）的竖向应力分析，对上述经验关系式进行了验证，得到了修正后的车辙预估模型。6. 路基和粒料层永久变形利用室内动三轴试验系统对3种土和4种碎石粒料在不同含水量、压实度和偏应力级位条件下进行了永久变形试验，并以Tseng和Lytton模型为基础，分别建立了土和碎石的永久变形预估模型。应用此模型，按分层应变总和法计算分析了我国典型路面结构的路

12、基和粒料层的永久变形量。依据安定理论的概念，控制住传到路基顶面的应力水平，使它产生的永久变形累积可以最终达到平衡状态，使上面的路面结构不会产生由于路基的过量永久变形而引起的损坏。利用处于临界损坏状况的路面结构资料和达到该临界损坏状况时的标准轴载作用次数（即寿命），便可以反算出处于临界损坏状况时的路基顶面竖向压应变，并建立起路基顶面容许竖向压应变同标准轴载作用次数间的关系式。 利用以往设计规范的容许弯沉公式，为不同标准轴次数反演出符合容许弯沉要求的路面结构，再针对这些路面结构反算出相应的路基顶面竖向压应变。由此得到容许压应变与标准轴次之间的关系式： （3）选用了AASHO试验路的195种路面结构

13、，计算处于临界损坏状况（）时的路基顶面压应变和标准轴载（100kN）累计作用次数，以此对式（3）进行验证。二者相比较，共有117种AASHO路面结构在允许荷载作用次数下达到了临界损坏，采用式（3）进行设计的保证率为60。 此外，还同Shell方法的路基顶面容许压应变关系式进行了对比。式（3）的计算结果介于Shell50%保证率与85%保证率之间，表明所建立的路基顶面容许压应变公式是适用的。7. 路基和粒料层回弹模量 路基土和粒料是非线性弹塑性材料，其回弹模量值具有应力依赖性，并随其湿度和密实度状态变化。本研究选用由重复加载三轴压缩试验得到的回弹模量表征土和粒料的力学性状。通过比选和测试评价，制

14、定出了重复加载三轴压缩试验的回弹模量标准试验方法。选取了12种代表性土和3种碎石粒料进行了重复加载回弹模量试验，考察分析了相关因素对回弹模量值的影响。在此基础上，建立了土和粒料回弹模量的3参数本构模型，并通过与土和粒料物性参数的关联，建立了土和粒料物性参数与本构模型3 参数之间的关系式。按弯沉等效原则，通过三维有限元非线性力学分析和弯沉迭代反演，确定不同交通等级的路基和粒料层内的当量回弹模量和当量应力水平。依据土和粒料回弹模量预估模型和当量应力水平，提出了不同交通等级的各类路基和粒料层在标准条件下的回弹模量参考值。8. 无机结合料稳定材料弹性模量 对水泥稳定砂砾、水泥稳定碎石、水泥稳定土和石灰

15、-粉煤灰稳定碎石4种混合料进行了静态弯拉回弹模量和压缩回弹模量的测试，并建立了模量转换经验关系式。应用梁试件的疲劳试验和梁底拉应变的连续测定，对上述4种无机结合料稳定材料的动态弯拉模量衰变规律进行了试验研究。反复加载过程中，拉应变增长和动态模量衰变经历了下降较快、降速稳定和急剧下降三个阶段。各阶段所占疲劳寿命的比例分别为20%、60%和20%（水泥稳定类材料）或15%、75%和10%（二灰稳定类材料）。依据试验结果，提出了各种无机结合料稳定材料在不同模量衰变阶段的动态弯拉模量值。 无机结合料稳定类基层或底基层，由于湿度收缩和温度收缩作用，在开放交通之前或之初便会产生内应力，并由此而出现微裂隙。

16、这些微裂隙的存在，使材料的有效模量值降低。参照南非的经验，提出了无机结合料稳定类材料在收缩开裂后的弹性（回弹）模量参考值。9. 沥青混合料动态模量沥青混合料是弹粘性材料。沥青的劲度模量值具有温度和加载频率（时间）依赖性。本研究选用单轴压缩动态模量表征沥青混合料的力学性状。在分析比较国外各标准试验方法的差异性和优缺点的基础上，制定出了适合我国室内试验水平的沥青混合料单轴压缩动态模量试验标准和数据整理方法。在考察分析诸多影响因素的基础上，选取了8个影响变量，进行了168次动态模量测试和188次验证试验。在此基础上，建立了6个取用不同影响变量的沥青混合料动态模量预估模型，其中，含有沥青含量和空隙率变

17、量的3个多元非线性动态模量预估模型，与试验实测数据的拟合效果最好。利用所建立的沥青混合料动态模量预估模型，给出了我国3种常用沥青混合料（AC、AK、SMA）在20°C和10 Hz标准条件下，采用不同沥青类型、沥青用量和空隙率的动态模量参考值。10. 路基湿度状况依据路基的湿度来源和变迁特点，将路基的湿度状况分为3类：（1）受地下水位影响的潮湿类路基；（2）受大气湿度影响的干燥类路基；（3）兼受地下水位和大气湿度影响的中湿类路基。 采用滤纸法试验标定了12种土的Fredlund & Xing土-水特性曲线模型参数，分别建立了路基土含水量和基质吸力关系模型。 干燥类路基土的基质吸

18、力与大气湿度（以湿度指数TMI表征）和路基土性质（以塑性指数和细粒土含量表征）有关。在12个路段上采集了土样和湿度指数，测定了土的参数和基质吸力，并同Perera等的44个数据一起进行回归分析，建立了干燥类路基土的基质吸力预估模型。潮湿类路基土的基质吸力与距地下水位的距离成正比。应用土-水特性曲线和基质吸力预估模型，预估了干燥类湿度状况路基在不同大气湿度指数时的平衡湿度推荐值，以及潮湿类路基的不同土组平衡湿度推荐值。通过归并和插值，提出了中湿类路基在不同大气湿度指数时的不同土组平衡湿度推荐值。 对所选12个路段的土样进行不同含水量和压实度条件下的回弹模量测试。以最佳含水量时的回弹模量作为标准值

19、，不同含水量时的回弹模量与标准值之比称为回弹模量湿度调整系数。利用这些数据建立了回弹模量湿度调整系数模型。并进而由3类路基的湿度预估值推演出相应的非冰冻地区回弹模量湿度调整系数。季节性冰冻地区的路基土，经历着冰冻、融解、回复和正常4个季节性变化阶段。按各时段路基的湿度和回弹模量值以及对路面结构的损伤程度，进行加权总和后得到路基的有效回弹模量。有效模量与标准模量之比即为季节性冰冻地区路基回弹模量的综合调整系数。对12种土样进行了有效回弹模量的计算，得到季节性冰冻地区各类土在干燥、中湿和潮湿状态下的回弹模量综合调整系数。11. 路面温度状况沥青和沥青混合料的劲度和强度性质具有强烈温度依赖性，沥青层

20、的使用性能和使用寿命也就与路面的温度状况密切相关。沥青层内的温度在年、月、日内随着大气发生着周期性的变化。各地由于气候条件的不同，沥青层内的周期性温度变化具有不同的规律、图式和范围。因而，沥青路面结构响应分析时所采用的沥青层模量参数，应随沥青层内的温度状况而变化，带有地域和气候条件的特性。依据一维热传导偏微分方程和路表热流函数，采用有限差分法建立沥青路面的温度场模型，并通过北京和金华的路面温度观测站的测定数据对模型参数进行标定和对温度预估进行验证。利用所建温度场模型，对不同气候区的沥青路面进行温度场分析，提出各地区沥青路面的年温度分布频率。针对本项目所采用的结构性损坏的类型和指标（沥青层疲劳开裂、无机结合料稳定层疲劳开裂和路基永久变形），按照当量损耗的概念，为不同地区（即不同气候条件）和不同沥青层厚度的路面结构（粒料类基层和无机结合料类基层），分别计算分析达到相同损耗量时的温度当量值，并提出相应的温度换算系数供设计时采用。12. 结论和今后研究 1. 本项目构建了一个设计指标和参数体系，它为沥青路面设计规范的修订提供了基础，也为今后沥青路面结构和材料的研究和发展提供了平台。 2. 所构建的设计指标体系包括：沥青层的疲劳寿命、无机结合料稳定层的疲劳寿命、路基顶面的容许压应变、沥青混合料的蠕变率以及沥青的蠕变劲度、m和断裂应变，前3项主要与路面