重交通沥青路面设计新理念和新方法

孙立军教授，长江学者同济大学交通运输工程学院重交通沥青路面设计的新理念和新方法国内外背景损坏特征重载下的受力特点一体化设计框架设计小结结束语国内外背景半刚性基层沥青路面沥青层厚度1980年代：12cm1990年代中后期之前：15cm1990年代中后期-2005年前后：18cm之后：18－26cm～30cm2023/2/52ljsun@沥青国产沥青~进口沥青~优质沥青改性沥青70年代末-90年代初：研发阶段90年代初-90年代末：推广应阶段90年代末-今：大规模应用阶段2002年后：从单层改性到双层改性国内外背景2023/2/53ljsun@

沥青混合料1990年代初：LH1990年代中期：AK混合料1990年代后期：Superpave,SMA试用阶段2000年后：SMA，Superpave大量使用，Bailey法目前：SMA，AC-C（Superpave

），AC-F，SAC，Bailey法，大粒径折断型级配国内外背景2023/2/54ljsun@进口沥青改性沥青双层改性LH,AKSuper,SMASuper,SMA,Bailey,提高压实功国内外背景2023/2/55ljsun@国内外背景目前的方法AASHTO方法SHELL方法AI方法SUPERPAVE方法法国方法比利时方法澳大利亚方法AASHTO2002我国方法损坏认识与设计考虑形成于60、70、80、90年代疲劳开裂、车辙和低温开裂是主要损坏形式疲劳开裂首先产生于沥青层底面，并向上发展路基变形是车辙产生的主要原因设计指标：PSI、、l2023/2/56ljsun@国内外背景力学法N<Nf厚度设计方法，材料设计另外考虑来自力学分析2023/2/57ljsun@国内外背景Superpave方法N<Nf结构分析作为输入，材料设计作为归宿Nf=SF*Nf’(T,)来自室内试验2023/2/58ljsun@国内外背景ME（AASHTO2002）方法自下而上、自上而下的开裂指标Miner定律路面永久变形估计基于弹性应变的传统估计方法2023/2/59ljsun@国内外背景长寿命路面设计40-50年的寿命自上而下的损坏2023/2/510ljsun@国内外背景我国方法弯沉起控制作用，层底应力一般不起控制作用厚度设计方法，材料设计另外考虑来自力学计算2023/2/511ljsun@国内外背景沿用1986年的标准对半刚性基层，弯沉减小1.6倍将末期弯沉转化为初期弯沉，减小1.2倍半刚性材料的模量严重低估，弯沉修正不能反应实际情况路面的实际弯沉在0.10~0.15mm，小于水泥混凝土路面弯沉后果是：沥青路面，其设计重点不是沥青层，而是基层2023/2/512ljsun@斑状泛油重交路面损坏特征

2023/2/513ljsun@内部松散重交路面损坏特征

2023/2/514ljsun@新型翻浆重交路面损坏特征

2023/2/515ljsun@新型沉陷重交路面损坏特征

2023/2/516ljsun@坑洞重交路面损坏特征

2023/2/517ljsun@车辙重交路面损坏特征

2023/2/518ljsun@纵向平行裂缝重交路面损坏特征

2023/2/519ljsun@鸡爪形不规则裂缝重交路面损坏特征

2023/2/520ljsun@Top-Down损坏重交路面损坏特征

2023/2/521ljsun@重交路面损坏特征

2023/2/522ljsun@沥青在表面层内重新分布前后沥青表面层沥青含量沥青含量前后重交路面损坏特征

2023/2/523ljsun@目前的损坏产生于路面使用初期与结构的整体抗力无正相关性重载的影响明显损坏起于面层，开裂向下传播雨水具有明显的影响发展速度很快传统的损坏产生于长期使用后与整体抗力关系明显雨水的影响明显开裂产生于结构层底部，向上发展损坏随累计ESAL增加缓慢增加伴随非荷载型损坏重交路面损坏特征

2023/2/524ljsun@实测的水压2023/2/525ljsun@动水压力路表水的影响首次发现的沥青迁移现象沥青含量沿深度分布水上层中层下层前后2023/2/526ljsun@路表水的影响沥青的迁移2023/2/527ljsun@路表水的影响动水头翻浆的过程2023/2/528ljsun@路表水的影响翻浆与沉陷2023/2/529ljsun@路表水的影响空隙率与损坏2023/2/530ljsun@路表水的影响沥青混合料质量变异性与集料最大粒径的关系2023/2/531ljsun@沥青混合料质量路表水的影响2023/2/532ljsun@沥青混合料质量路表水的影响均匀的材料才有性能可言2023/2/533ljsun@路表水的影响2023/2/5341996年以来,交通量和轴载大小迅速增大货车比例平均为36％，相当比例的胎压超过0.7MPa∑ESALs(100kN)=2000万－1亿轴次，最大达4亿轴次重载下的受力特点810kpa/1328kg

810kpa/2500kg

810kpa/5000kg

典型测试结果：11.00-20走向花纹轮胎接地压力分布实测各花纹条走向压力分布接地面中心点处横断面压力分布d)1050kpa/1900kg半刚性基层e)1050kpa/2500kg半刚性基层f)1050kpa/6250kg半刚性基层2023/2/535ljsun@重载下的受力特点典型测试结果：11.00-20横向花纹轮胎接地压力分布实测810kpa/1900kg

810kpa/2500kg

810kpa/5000kg

810kpa/1900kg

810kpa/2500kg

810kpa/5000kg

各花纹块走向压力分布接地面中心点处横断面压力分布2023/2/536ljsun@重载下的受力特点重载下的受力特点基于弯沉、弯拉的判断：a>b>c重载下的受力特点基于剪切应力的判断：b>c>a重载下的受力特点重载下的受力特点2023/2/541ljsun@重载下的受力特点2023/2/542ljsun@重载下的受力特点2023/2/543ljsun@重载下的受力特点自上而下的开裂过程2023/2/544ljsun@重载下的受力特点应该为纵向开裂图22成重高速剪应力等值线图图23京津塘高速剪应力等值线图2023/2/545ljsun@重载下的受力特点应该为网状开裂图14平西高速SX等值线图图15平西高速SY等值线图2023/2/546ljsun@重载下的受力特点2023/2/547ljsun@重载下的受力特点2023/2/548ljsun@重载下的受力特点传统的龟裂Down-Top新龟裂（剪切）Top-Down2023/2/549ljsun@重载下的受力特点弯拉疲劳剪切疲劳2023/2/550ljsun@重载下的受力特点车辙产生于10cm深度温度的耦合作用2023/2/551ljsun@重载下的受力特点温度累积作用2023/2/552ljsun@重载下的受力特点温度累积作用2023/2/553ljsun@重载下的受力特点2023/2/554重交通作用下出现了许多新的损坏现象ljsun@重载下的受力特点力学分析小结当荷载荷载的非均布效应时，路面结构内的力学分布十分复杂当轻型车辆超载时，即便总轴重小于标准荷载，但对路面的损伤更为严重对目前的半刚性基层沥青路面，不能简单地认为弯沉小意味者强度高剪切指标的分析为我们带来了路面考虑的新视角，是我们在传统的路面分析中忽略了的因素。该指标的引入，为从力学的角度进行路面结构组合设计提供了理论指导剪切破坏可能是重交通沥青路面的主要损坏原因，是联系材料与结构的纽带，是一个好的设计指标重载下的受力特点荷载的变化，导致传统的路面认识偏差很大，许多结论不再适用荷载影响的范围增大路面损坏的机理发生了变化人们严重低估了重交通路面的复杂性，采用将轻交通路面的设计方法简单外延至重交通路面的设计，结构设计与材料设计是分离的，与使用性能无关2023/2/556ljsun@重载下的受力特点2023/2/557传统的理论无法给予明确的指导，结构组合设计存在盲目性，对重交通路面设计需要新的思路重新认识力学在路面分析和设计中的作用关注结构与材料的相互作用，根据使用性能将结构设计与材料设计一体化将路面设计变为科学ljsun@重载下的受力特点2023/2/558

设计框架低温或反射裂缝剪切有关的损坏弯曲疲劳开裂水或均匀性损坏ljsun@弯曲疲劳，自下而上的破坏剪切疲劳，自上而下的破坏剪应力拉应变拉应力压应变

设计框架2023/2/559ljsun@上述两种模式尚不能反映全部问题，还需综合考虑路面使用性能典型衰减模式3412PCIYears

设计框架2023/2/560ljsun@设计框架按性能设计+按力学验算2023/2/561ljsun@设计框架PI：输入阶段输入影响路面设计的所以因素，包括交通、环境、材料、路基土质和施工能力等PII：概念设计阶段通过剪切分析进行路面结构材料（模量）组合设计，确定各结构层材料选择原则分析路表水和地下水的影响，决定水的处理措施确定材料设计参数2023/2/562ljsun@PII:基层模量的范围设计框架2023/2/563ljsun@2023/2/564PII:基层模量的范围沥青层底面的拉应变与顶部的剪应力形成了双向制约，以此确定基层的模量基层模量不应偏离沥青层模量太远沥青层基层底基层ljsun@设计框架路面使用性能典型衰减模式3412PCIYears2023/2/565ljsun@

PIII基于性能的厚度设计设计框架α,β的工程意义，与性能变化一一对应路面结构行为方程2023/2/566PCI

αβyrs(α,63)ljsun@设计框架2023/2/567ljsun@设计框架α=Krα·Kmα·λ·[1-exp(-(η/l0)ζ)]

λ=a1·hb1·ESALc1

η=a2·hb2·ESALc2

ζ=a3·hb3·ESALc3

β=Krβ·Kmβ·a4·hb4·ESALc4·l0d

úúûùêêëé-=

øöççèæ-bayePCIPCI102023/2/568ljsun@设计框架使用年数PCI面层厚度设计框架2023/2/569ljsun@使用年数PCI弯沉设计框架2023/2/570ljsun@PCI使用年数环境因素的影响设计框架2023/2/571ljsun@改性沥青的影响PCI设计框架2023/2/572ljsun@PCIY/aAB最低可接受水平分析期或寿命周期ABAcceptableLevelAnalysisperiodHMLPIII:全寿命费用分析全寿命费用分析方法2023/2/573ljsun@设计框架厚度设计诺谟图(LevelL)沥青层总厚度(cm)半刚性基层厚度(cm)2023/2/574ljsun@设计框架厚度设计诺谟图(LevelM)沥青层总厚度(cm)半刚性基层厚度(cm)2023/2/575ljsun@设计框架厚度设计诺谟图(LevelH)沥青层总厚度(cm)半刚性基层厚度(cm)2023/2/576ljsun@设计框架设计厚度的比较图10-40TRRL设计曲线日累计轴次80012001600200024002800图9-13（低标准，12年）11141617.518.519.5图9-15（中标准，12年）1417.52021.52324.5图9-17（高标准，12年）2023.5262829.530.5图10-40（DBM50）25272829.53030.5图9-16（中标准，15年）2226.529.532.535.537图10-40（DBM）29313334.535362023/2/577ljsun@设计框架2023/2/578PIV:基于力学的材料设计和检验转换函数TF剪应力拉应变拉应力压应变ljsun@N疲劳检验抗剪切检验（车辙检验）设计框架为什么不采用应力而采用应变沥青层底面的应力不是表征沥青层疲劳的准确指标

设计框架2023/2/579ljsun@

连续滑动深度（mm）应变应力应变应力0-109.98-0.202-138.50-0.272-13.3-76.88-0.188-97.67-0.239-26.7-47.20-0.173-60.74-0.205-40-23.20-0.158-30.04-0.171-7011.73-0.12218.99-0.096-10028.29-0.09149.34-0.026-15036.46-0.05383.160.082-20036.09-0.025118.330.196-25034.70-0.001174.590.340路面底面为压伸应变：应变优于应力设计框架2023/2/580ljsun@2023/2/581抗剪切检验对表面层和中面层，进行抗剪切检验以控制车辙车辙沥青混合料的抗剪切强度与车辙有强相关性，对车辙有显著影响有必要控制沥青混合料的抗剪切强度车辙深度vs抗剪强度抗剪强度芯样高度ljsun@设计框架2023/2/582抗剪切检验，车辙模型ljsun@设计框架2023/2/583ljsun@设计框架2023/2/584概念模型模型形式比较和选择yzljsun@应力深度剪应力压应力设计框架2023/2/585Source:HuaJF,2000ConcavedeformationLp=隆起系数车辙模型ljsun@设计框架法国LCPC轮辙仪德国HWTD轮辙仪

PurWheel单轮试验仪美国佐治亚州轮辙仪GLWT2023/2/586ljsun@设计框架简单剪切试验蠕变试验2023/2/587ljsun@设计框架低估了路面试验的复杂性相似性差蠕变试验，简单剪切，三轴试验，APA等基本不能反映路面中材料的实际情况变异性大各种轮辙试验相似程度不高2023/2/588ljsun@设计框架单轴贯入试验(UPT)测定抗剪强度压头直径：42mm试件尺寸：Φ150mm×100mm抗剪强度系数：0.352023/2/589ljsun@设计框架实际路面与贯入试验应力分布的比较2023/2/590ljsun@设计框架变异性比较车辙试验20%左右贯入试验5%左右2023/2/591ljsun@设计框架示例13000万次10mm0.8901.0000.70015mm0.7440.8360.58520mm0.6600.7420.519下面层中面层上面层要求的最小抗剪强度（MPa）允许车辙深度∑ESALs(100kN)2023/2/592ljsun@设计框架示例2N为5000万轴次RD0（mm）设计年限（年）抗剪强度（MPa）综合抗剪强度表面层中面层底面层15150.763①0.750.920.50②0.950.750.50③0.770.750.78100.702④0.750.770.50⑤0.780.750.502023/2/593ljsun@设计框架材料设计2023/2/594ljsun@设计框架集料对路面变形特性影响很大级配、形状和棱角性、纹理材料设计2023/2/595ljsun@设计框架粗集料棱角性的影响2023/2/596ljsun@设计框架细集料棱角性的影响2023/2/597ljsun@设计框架沥青的影响2023/2/598ljsun@设计框架接触压力的影响2023/2/599ljsun@设计框架接触压力的影响2023/2/5100ljsun@设计框架路面结构行为方程力学分析，层底应变计算r,εzNrN2023/2/5101ljsun@桥渡原理疲劳检验设计框架Shanghai2023/2/5102ljsun@设计框架设计标准

低中

高

拉应变压应变路面现场疲劳方程:上海示例2023/2/5103ljsun@设计框架转换函数：从试验室到实际路面原路面材料的疲劳方程

实际路面的