土基与粒料汇报2011.6

1、 基于多指标的沥青路面结构设计方法研究基于多指标的沥青路面结构设计方法研究山东省交通科学研究所山东省交通科学研究所2011.62011.6研究背景与立题的意义半刚性基层由于具有较强的承载和荷载分布能力，路面的永久变形主要来源于沥青面层。 而粒料柔性基层的永久变形除了来源于沥青面层以外，还主要来源于粒料层和路基。美国各州公路工作者协会调查发现，粒料层和路基的永久变形可占整个路面结构永久变形的一半以上，粒料层永久变形量占路面总永久变形量的59%，路表车辙9是由于路基的永久变形所造成的。我国主要采用表面弯沉设计指标，但是弯沉设计指标并不能完全控制粒料层和路基的永久变形。研究背景与立题的意义因此控制粒

2、料基层和土基的永久变形，是当前路面设计中迫切需要解决的问题。 本课题作为交通运输部西部交通建设科技项目“基于多指标的沥青路面结构设计方法研究”专题之一，主要针对土基与粒料基层的永久变形开展研究，目的是提出控制土基与粒料基层永久变形的设计指标，并建立相应的控制模型，以便在路面设计中得到应用。课题研究的总体思路选择控制土基与粒料基层永久变形的设计指标拟定损坏标准建立控制模型国内外研究现状路基顶面竖向压应变法是一种适应设计使用的近似方法，目前已被很多国家所采用作为柔性路面的基本设计指标。 其建立过程：一种以AASHO试验路为基础，进行路面结构反算，建立临界状态下路基顶面压应变与荷载作用次数的回归公式

3、；另一种是结合本土路面的实际损坏状况，拟定损坏标准，并结合路面结构反算，建立土基顶面压应变控制模型国内外研究现状粒料基层的永久变形所取得的研究成果，除了建立粒料基层永久变形量的预估模型以外，其研究的理论基础与方法大多是建立在安定理论基础上的，但是粒料基层的永久变形仅处于理论和试验研究阶段，在各国的粒料基层沥青路面设计方法中还没有提出控制粒料基层永久变形的设计指标与控制模型。 一、土基永久变形设计指标与控制模型研究方案：（1）以AASHO试验路为基础，提出控制土基永久变形的土基顶面压应变设计指标，以PSI=2.5时为损坏标准，建立控制模型。 （2）以我国1978年柔性路面设计规范为基础，提出土基

4、顶面压应变设计指标，并参照1978年规范弯沉调查时提出的路面损坏标准建立土基顶面压应 变 控制模型。基于AASHO试验路的土基顶面压应变控制模型AASHO试验路调研：不同车道路面结构组合，不同车道运行的车辆类型以及相应的荷载作用次数，路面施工时所用原材料的基本性能参数；轴载换算：借助于AASHTO路面结构设计法中的轴载换算系数，把AASHO试验路不同路段车型的荷载作用次数换算为美国80kN标准轴载的作用次，然后再换算成我国标准轴载的荷载作用次数；基于AASHO试验路的土基顶面压应变控制模型材料参数的选取：首先进行材料参数对土基顶面压应变的敏感性分析，只有土基模量的变化对土基顶面压应变数值影响较

5、大 。根据前一阶段动态材料参数的研究成果并结合敏感性分析结果，选取的动态材料参数如下：基于AASHO试验路的土基顶面压应变控制模型不同路面结构的土基顶面压应变计算：利用弹性层状体系计算程序Basar3.0计算不同路面结构的土基顶面压应变。每一种路面结构对应着一个土基顶面压应变计算结果和荷载作用次数。把土基顶面压应变计算结果与对应的荷载作用次数按照幂指数形式进行统计回归。基于AASHO试验路的土基顶面压应变控制模型统计回归过程：基于AASHO试验路的土基顶面压应变控制模型2285. 021076. 0Nz得到基于AASHO试验路的动态材料参数土基顶面压应变控制模型如下：7812. 02R基于AA

6、SHO试验路的土基顶面压应变控制模型 同时进行了路面静态材料参数下的土基顶面压应变控制模型的建立，其建立过程与动态材料参数下的建立过程相同，不再详述。仅列出选取的材料参数与回归结果。基于AASHO试验路的土基顶面压应变控制模型选取的材料参数基于AASHO试验路的土基顶面压应变控制模型根据静态材料参数下不同路面结构的计算结根据静态材料参数下不同路面结构的计算结果，以及相应的荷载作用次数进行数学统计果，以及相应的荷载作用次数进行数学统计回归，得到路基土顶面压应变控制模型如下回归，得到路基土顶面压应变控制模型如下：)6946. 0(1039. 122366. 02RNZ基于1978年设计规范的土基压

7、应变控制模型的建立调研1978年常用柔性基层路面结构1978年常用路面材料参数的调研拟定典型路面结构计算各路面结构的土基顶面压应变与表面理论弯沉值1978年弯沉综合修正系数公式建立土基顶面压应变与表面弯沉修正值之间的回归公式代入到1978年设计弯沉计算公式进行推导建立土基顶面压应变控制模型基于1978年设计规范的土基压应变控制模型的建立选取1978年规范作为研究基础的原因： 我国1978年沥青路面设计规范对路面结构的使用状况提出了明确的路面等级使用标准，并提出了明确的路面结构损坏标准，在此基础上建立了容许弯沉设计指标的控制模型。因此为土基顶面压应变设计指标控制模型的建立提供了明确的路面结构损坏

8、标准。而后期规范主要是我国1978年规范的基础上继承与发展。因此我国的1978年柔性路面设计规范是后续各版本设计规范的基础。路面结构的调研：两种柔性基层路面结构形式，16种路面结构基于1978年设计规范的土基压应变控制模型的建立基于1978年设计规范的土基压应变控制模型的建立路面材料参数 的选取：首先调研了我国1978年柔性路面结构设计规范推荐的路面结构材料参数；当时主要是采用静态材料参数，因此最后选取的路面结构材料参数也为静态材料参数，各个路面结构层的材料参数 基于1978年设计规范的土基压应变控制模型的建立计算方法： 对每一种路面结构，把材料参数进行排列组合，粒料基层路面结构共有540种，

9、沥青碎石路面结构共有324种。利用弹性层状体系计算程序basar3.0分别计算土基顶面压应变和面层双轮系中心点处的理论弯沉值，计算结果共有864组数据。基于1978年设计规范的土基压应变控制模型的建立弯沉修正： 利用我国1978年弯沉综合修正系数公式： 对计算出的面层双轮系中心点处的理论弯沉值进行综合修正，将理论弯沉值转化为实际弯沉值，计算结果见报告。 基于1978年设计规范的土基压应变控制模型的建立土基顶面压应变与表面弯沉修正值之间的回归关系 ： 对土基顶面压应变与路表实测弯沉值共540组数据按照幂指数形式进行数学统计回归 ，得到土基顶面压应变与路表实际弯沉值之间的回归关系式：基于1978年

10、设计规范的土基压应变控制模型的建立统计回归过程：基于1978年设计规范的土基压应变控制模型的建立土基顶面压应变控制模型的建立: 将我国1978年弯沉设计公式 代入到 得到包含粒料基层与底基层沥青路面的土基顶面压应变控制模型如下 ：2 . 0/7 .13NlR基于1978年设计规范的土基压应变控制模型的建立包含沥青稳定碎石基层与粒底基层的土基顶面压应变控制模型建立方法与此相同，不再详述，只列出结果。282. 10287. 0lZ9178. 02R基于1978年设计规范的土基压应变控制模型的建立（含粒料底基层与沥青碎石基层） 将我国1978年弯沉设计公式代入上述公式，得到土基顶面压应变设计公式如下

11、：2 . 0/7 .13NlR2564. 021030. 4NZ建立土基顶面压应变与路表实际弯沉值建立土基顶面压应变与路表实际弯沉值之间的回归公式：之间的回归公式：二、粒料基层永久变形设计指标与控制模型研究的总体框架：理论基础：安定理论研究手段：室内重复荷载三轴试验结果表现形式：选取弹性设计指标，拟定损坏标准，建立控制模型，用于路面设计安定理论与路面设计的关系安定理论(Shakedown)是塑性理论的一个分支，探讨结构在重复荷载作用下的不可回复响应。 Werkmeister等实验结果花岗闪长岩碎石粒料在不同重复偏应力作用的花岗闪长岩碎石粒料在不同重复偏应力作用的 轴向永久应变（侧限应力轴向永久

12、应变（侧限应力40kPa） 竖向回弹应变随作用次数的变化竖向回弹应变随作用次数的变化（花岗闪长岩，侧限应力（花岗闪长岩，侧限应力140kPa）Werkmeister等总结以上试验结果和分析后认为，粒料的永久变形性状可以更恰当地分为三种类型：（1）塑性安定（A区）：当材料承受的荷载很小时会发生小量的塑性变形，但随着荷载作用次数的增加塑形变形将稳定在一个固定值，随后结构体的变形表现为回弹变形；（2）塑性蠕变（B区）：当材料承受的荷载变大时结构体会发生塑性变形，塑形变形随着荷载作用次数的增加而逐渐变大，但塑性变形率（塑性变形与荷载作用次数的比值）会保持一恒定值；（3）增量性破坏（C区）。当材料承受的

13、荷载很大时，结构体会发生塑性变形并且塑性变形率随荷载作用次数的增加而逐渐增加。安定理论在路面设计中的应用在路面设计时，如果路面处于A区（塑性安定区），可以认为路面结构是安定的可以接受的；如果处于B区（塑性蠕变区），路面在一定的使用期内是安全的，需要根据路面破坏准则计算路面使用年限；如果处于C区（增量破坏区），这说明路面是不安全的，这在路面设计中是不允许的，且需要重新设计路面结构。用安定理论指导粒料层的永久变形试验(研究手段)粒料层的重复荷载三轴试验实验设备：UTM-100万能材料综合测试仪器级配碎石组成设计集料类型：石灰岩轧制碎石，集料规格分别为0-5mm、5-10mm,10-20mm和20-

14、30mm四种。级配类型选用公路沥青路面设计规范JTG D50-2006中通常推荐的2号连续型级配范围。筛孔尺寸（mm）合成级配1（通过率，%）合成级配2（通过率，%）规范级配范围2-3cm：1-2 cm：0.5-1 cm：0.0-0.5cm=7:33:34:262-3cm：1-2 cm：0.5-1 cm：0.0-0.5cm=16:33:27:2431.599.598.910026.597.093.5901001987.379.175951680.071.5668813.273.865.259829.565.757.146714.7540.435.730552.3626.423.418401.1

15、819.317.113320.613.612.09250.39.68.56200.157.76.83130.0756.45.607合成级配（根据孔隙率不同选择两种）合成级配（根据孔隙率不同选择两种）级配曲线图 级配碎石混合料的击实结果级配碎石混合料的击实结果 级配组成最佳含水量，%最大干密度g/cm32-3cm：1-2 cm：0.5-1 cm：0.0-0.5cm=7:33:34:265.682.2232-3cm：1-2 cm：0.5-1 cm：0.0-0.5cm=16:33:27:243.952.255试验加载条件的确定力学分析模型（弹性层状体系理论）x22zpyh1h2hn-1ER1, R1

16、ER2, R2ERn-1, Rn-1ER0, R0路面结构类型1) 级配碎石上基层+半刚性基层/沥青处治基层(+垫层)2) 半刚性基层/沥青处治基层(AM/ATB)+级配碎石或砂砾/填隙碎石/未筛分碎石/天然砂砾底基层(+垫层)3) 级配碎石基层+粒料底基层(+垫层)具体计算中，共选出了141个沥青路面结构(实际工程结构67个，各地区拟定的典型结构74个)。试验加载条件的计算结果 粒料基层内的典型应力水平为：1=100200kPa，3=050kP；在513组数据中，比例约占53%； 在粒料上基层及基层内，主应力比1/3在1.27.9之间变化，主要分布在1.45.1之间。在519组数据中，比例约

17、占89%。 试验加载条件： 根据计算结果，每一种级配碎石加载围压均采用30kPa、50kPa和70kPa;可以满足所计算围压的应力范围要求。 为了寻找安定区域（A区、B区和C区）主应力比分别选用7.06.56.05.55.04.54.03.53.0，依次按照由大到小的顺序进行试验 。实验试件尺寸、制备试件尺寸：直径100mm，高度200mm的圆柱体试件试件的室内制备：振动成型方法实验参数设置加载波形：半正弦波，加载时间 0.1 秒，间歇时间0.9秒; 加载次数：10万次（一个试件需要27小时46分钟） 考虑到数据文件的大小和数据处理时的方便性，每5秒钟采集一个数据点，在5次重复荷载间歇期的末尾

18、处进行数据采集，这样可以采集2万个数据点 。实验数据的采集实验数据的采集 实际采集的永久变形数据 截取的荷载作用时间从60s至65s的实际竖向位移波形曲线，数据采集频率为每0.001s采集一个数据。从图中可以看出，每整秒采集的数据均为永久变形数据，因此频率为每5秒采集的数据点也为永久变形数据。粒料重复荷载三轴试验结果及数据处理粒料重复荷载三轴试验结果及数据处理 对于每一种级配，加载围压均采用30kPa、50kPa和70kPa三种类型，在每一种围压下，又采用不同的应力加载路径（小于最大临界应力比范围内）进行试验。试验试件个数共为102个。并按照3个平行试件试验结果的相近程度以及试验曲线的发展趋势

19、是否具有合理性为原则，对试验结果的合理性与有效性进行了评价 。 在进行试验数据处理时，把荷载作用的前100次试验数据舍弃，同时根据试验结果的评价，把试验结果不合理试件的试验数据剔除，然后把试验结果有效试件的试验数据取平均值作为每一个应力比下的最终试验结果。实验结果分析实验结果分析 (最大临界应力比确定，即寻找C区)（以级配以级配1作用围压作用围压50kPa为例）为例）在围压50kPa和主应力比5.5作用下的永久变形曲线 说明在围压说明在围压50kPa下的应力加载路径中下的应力加载路径中，主应力比，主应力比5.5为最为最大临界应力比，对应大临界应力比，对应着安定理论中的着安定理论中的C区区，即增

20、量性破坏阶段，即增量性破坏阶段，这是不允许出现的，这是不允许出现的情况，实验必须在应情况，实验必须在应力比小于力比小于5.5的情况的情况下进行下进行围压围压50kPa50kPa主应力比小于主应力比小于5.55.5时不同应力时不同应力比下的永久变形曲线（比下的永久变形曲线（C C区以下的实验区以下的实验结果）结果）粒料永久变形随荷载作用次数的变粒料永久变形随荷载作用次数的变化关系曲线化关系曲线说明对于同一级说明对于同一级配，同一围压作配，同一围压作用下，主应力比用下，主应力比越大，永久变形越大，永久变形也就越大也就越大永久变形应变速率发展规律分析永久变形应变速率发展规律分析 （50kPa50kP

21、a为例）为例）应变速率与荷载作用次数关系曲线（对数坐标刻度） 说明主应力说明主应力比越大，永比越大，永久变形速率久变形速率也越大也越大 根据上图得出结论：随着主应力比的根据上图得出结论：随着主应力比的增大，竖向永久变速率也越大；同时荷增大，竖向永久变速率也越大；同时荷载作用次数的增加，永久应变速率均减载作用次数的增加，永久应变速率均减小，但是不同主应力比作用下的永久应小，但是不同主应力比作用下的永久应变速率减小的快慢不同，主应力比越小，变速率减小的快慢不同，主应力比越小，永久应变速率减小的速度越快，很快达永久应变速率减小的速度越快，很快达到永久变形的稳定状态；相反，如果主到永久变形的稳定状态；

22、相反，如果主应力比越大，永久应变速率减小的速度应力比越大，永久应变速率减小的速度越慢。越慢。不足之处在于：在试验曲线中无法分别出安定理论中的A区、B区。基于安定理论的永久变形设计指标与控制模型建立过程 永久变形试验的最大加载次数为永久变形试验的最大加载次数为1010万次万次，与路面实际中的荷载作用次数并不相符。，与路面实际中的荷载作用次数并不相符。由于实际加载次数远远小于基层承受的荷载由于实际加载次数远远小于基层承受的荷载作用次数，为了探讨各永久变形曲线的发展作用次数，为了探讨各永久变形曲线的发展趋势，就必须采用数学统计回归方法，将实趋势，就必须采用数学统计回归方法，将实验曲线进行外延，在此基

23、础上选定设计指标验曲线进行外延，在此基础上选定设计指标，建立控制粒料基层永久变形的控制模型。，建立控制粒料基层永久变形的控制模型。试验曲线外延性验证拟合曲线的发展趋势与现实情况是否一致，还有待进一步验证，也就是说，有必要进行远远大于10万次加载次数的试验以判断在加载次数加大的情况下是否可以区分出A区和B区 。为此，进行了加载100万次的试验尝试（限于试验条件，只能加载到100万次），以便验证在10万次加载条件下对试验曲线统计回归和外延的可能性。验证试验采用级配1，应力加载路径为围压30kPa、主应力比6.0，加载次数100万次，共历时12天 试验曲线外延性验证结果（曲线发展规律）试验曲线外延性

24、验证结果 根据上述图形可以看出，即使加载到100万次，虽然永久应变速率在减小，也就是说粒料永久变形量的增加幅度在减小，但粒料的永久变形绝对量仍然在增加，并未因加载次数的增加而发生破坏，同时也无法判断处于安定状态时的A区和B区。曲线发展变化规律与10万次加载所得曲线发展规律相同。从而证明，利用数学统计回归方法，对加载次数为10万次的试验结果进行外延以了解曲线发展变化趋势的方法在实践上是可行的。永久变形曲线拟合 拟合公式形式：Perez，I.等的安定理论模型 ：Perez，I.等的模型由累计轴向永久应变、荷载作用次数N和主应力与围压应力之比组成，公式形式如下：)exp1)(ENBpDCNAN231

25、1aaA2311bbB2311ccC2311ddD2311eeE曲线拟合结果（级配1 围压30kPa，主应力比5.0为例） 由该图可以由该图可以看出，拟合的看出，拟合的曲线和试验数曲线和试验数据几乎完全重据几乎完全重合。合。曲线拟合结果（级配1，围压30kPa）曲线拟合的相关系数较高，均在曲线拟合的相关系数较高，均在0.900.90以上，证明以上，证明利用所拟合的曲线况进行外延在理论上是可行的。利用所拟合的曲线况进行外延在理论上是可行的。损坏标准的建立选定设计指标建立控制模型必须有损坏标准，采用两种方案：应变速率标准：Werkmeister 提出了当应变速率为110-5，此时处于安定理论的A区

26、与B区的分界线，在路面结构设计中，此时路面结构处于最安全的状态，此标准较为理想。永久变形损坏标准：根据路面基层永久变形量的计算结果，拟定临界永久变形量，不足之处在于此结果主观性较大。应变速率标准Werkmeister的实验结果是当应变速率为110-5时，荷载作用次数均在1万次左右，本研究的实验结果却在几百次左右，两者达到同一应变速率损坏标准的荷载作用次数差别较大，相差两个数量级。其原因在于采用的实验条件差别较大，导致所得实验结果不同，因此此标准舍弃。决定采用临界永久变形量标准。路面实际临界永久变形量标准 根据国内外已建高速公路、一级、二级及二级以下公路资料的调研，拟定了162种典型路面结构，这

27、些结构基本上涵盖了所有常见的粒料基层沥青路面结构。然后利用经过标定的2008年版美国力学-经验设计法中粒料层的永久变形量预估模型和分层应变总和法计算粒料基层在我国设计标准轴载作用次数下的永久变形量（因为设计轴载的不同，涉及到荷载作用次数的换算问题，）。美国力学美国力学- -经验设计法中粒料层的经验设计法中粒料层的永久变形量预估模型永久变形量预估模型)(0GB)()(NrvpeN22015. 0)10(09eercW017638. 061119. 0log199)10(189285. 410不同路面结构粒料层的永久不同路面结构粒料层的永久变形量计算结果变形量计算结果 因为共有162种路面结构，所以共有162个粒料基层永久变形