1、 國外瀝青路面結構設計簡介 豐富我國現有路面結構類型的必要性 永久性瀝青路面簡介 國外瀝青路面結構設計方法介紹 CBR設計法(加州承載比法) 美國各州公路工作者協會(AASHTO)設計法 shell(殼牌 )設計法 豐富我國現有路面結構類型的必要性 我國高速公路路面的早期損壞嚴重： 瀝青路面建成不久，當年或者23年后，瀝青路面就發生不同程度的開裂、車轍、坑槽等早期損壞。 另外的早期損壞是指所修建的路面普遍達不到路面的設計年限。路面的大修經常是“開膛破肚”式的。 張春賢部長 在全國交通工作會議上指出 “要有針對性地引進國外成熟的技術、標準和規范。科研成果是實踐經驗的總結，是人類文明的結晶，我們要

2、善于借鑒一切先進的科研成果。在公路建設和管理領域、國與國之間 的技術問題及解決方法具有很多共性。發達國家研究早、實踐早、積累了豐富的經驗，許多技術、標準和規范屬于政府所有，沒有知識產權的障礙，我們要把技術引進作為公路交通實現新的跨越式發展的重要手段” 204030402040204030404030403050設計年限澳大利亞加拿大日本南非法國英國德國美國（AASHTO93）國家 國外瀝青路面結構的設計年限 部分國家使用的主要瀝青路面結構 中國加拿大德國日本（中、輕交通）美國(貧水泥混凝土)（中、輕交通）英國(水穩碎石)法國薄瀝青層 厚粒料基層厚瀝青層下臥底基層半剛性基層混合式全厚式粒料基層主

3、要路面結構國家俄羅斯法國比利時諾丁漢大學南非日本澳大利亞SHELL補強AI路表彎沉永久變形粒料層剪切應力路基頂面壓應變穩定粒料層拉應力瀝青層疲勞機構 部分國家或單位采用的設計指標國外常見瀝青路面結構組成國外常見瀝青路面結構組成 永久性瀝青路面永久性瀝青路面產生的背景永久性瀝青路面的特點永久性瀝青路面經濟性永久性瀝青路面對結構層材料的要求永久性瀝青路面設計方法永久性瀝青路面產生的背景 重載交通對歐洲瀝青路面的挑戰 軸載增加和重載交通量的快速增長； 慢速交通產生了更大的路面應力； 高壓輪胎引起作用應力的增加； 道路磨光加速。永久性路面的特點 在總費用上：初期建設費很高，日常養護費和使用費較少，總費

4、用效益比最大 在設計年限上：至少40年 在損壞模式上：路面的損壞只發生在表面層，如表面開裂，不存在結構性破壞 在養護維修上：只需要日常養護，不需要進行結構性大修瀝青路面周期費用經濟分析永久性瀝青路面經濟性 永久性路面能夠承受更大的交通量和更重的交通荷載，雖然其初期建設費用較高，但是如果評價整個使用周期的總費用，永久性路面較傳統的瀝青路面更經濟，降低了使用周期內的維修費用，同時極大降低了道路使用者的使用費用（交通延誤及事故費用）。最大拉應變路面基礎（Pavement Foundation）高模量抗車轍材料（聯結層）柔性抗疲勞材料 3 - 4”（HMA基層） 1.5 - 3” SMA, OGFC

5、或 Superpave （表面層 ） 4”to6”高壓應力區 永久性瀝青路面對結構層材料的要求 要求面層應具有足夠的抗車轍能力、抗滲性及抗磨耗性能； 要求中間層（聯結層）具有較強的抗車轍性能； 要求基層具有足夠的抗疲勞及耐久性能。 要求路面結構的基礎可以為路面結構的鋪筑提供穩定的施工平臺，其在服務期內的性能指標不會隨季節的改變而發生較大的變化。 瀝青路面較厚 = 應變較小 應變低于疲勞閾值 = 疲勞壽命無限長壓應變拉應變應變疲勞壽命疲勞壽命無限長瀝青基層的抗疲勞性能 有效瀝青含量較高的混合料= 混合料具有較高的應變能力 改性瀝青 =混合料具有較高的應變能力疲勞壽命應變高瀝青含量低瀝青含量疲勞壽

6、命無限長瀝青基層的抗疲勞性能 影響永久性路面抗車轍性能的因素 集料級配； 瀝青等級及改性劑的添加； 施工過程中混合料的密度（空隙率）； 選擇適宜的表面層材料。 瀝青層厚度 (mm)車轍率(mm/msa)01002003004000.11101001000車轍率與瀝青層厚度的關系永久性瀝青路面設計方法路面力學模型材料性能指標(模量值)路面反應 (應力、應變等） 轉換函數路面壽命是否滿足要求？最終設計面層底部大于70 me的拉應變出現的可能性最??；路基頂部大于 200 me的壓應變出現的可能性最?。挥谰眯月访嬖O計標準標準當量軸載限制彎拉應變 70me限制豎向壓應變 8”)基層 (按要求確定)路基

7、永久性路面設計目標 反復彎曲產生疲勞開裂反復變形產生車轍HMA基層路基 國外瀝青路面設計方法介紹CBR 設計法 AASHTO 設計法 SHELL設計法 CBR設計法 該方法是上世紀二十年代美國加州使用的一種方法。該法根據多年實測結果得到一條土基承載值與路面總厚度的關系曲線。而土基的承載值用標準碎石承載能力的百分比（稱為加州承載比，記為CBR值）表示。所以這種方法也稱為CBR法。提出的CBR指標已被作為路面材料的一種參數指標得到了廣泛應用。 AASHTO方法 AASHTO法提出了路面現時服務能力指數PSI的概念，以反映路面狀況與質量的指標。通過對相同路段的主觀評價與客觀評價，建立了PSI與路面狀

8、況的關系。 AASHTO設計方法提出以使用年限末的路面現時服務能力指數Pt作為設計控制標準，使路面結構設計和路面使用期末的性能聯系起來。 路面現時服務能力指數PSI（路面耐用性指數）PSI=5.03-1.91lg式中： 兩邊輪跡帶上的平均坡度變化 C已發展成網裂者m2/92.9m2 P修補面積m2/92.9m2 車轍深度cm AASHTO1972版 結構數表示路面結構強弱的指標，反映了路面各結構層層位、材料及厚度與路面結構強度之間對應關系 D1瀝青面層厚度； 1熱拌瀝青混凝土0.44 D2基層厚度； 2級配碎石0.14 D3底基層厚度； 3天然沙礫0.11 車輛的當量換算按耐用性指數P=2.5

9、等效原則，提出了各種單軸和雙軸換算為18千磅（80KN）單軸荷載的換算系數（標準軸載） 1基本設計條件 最終耐用性指數，主要干線公路p=2.5 輕交通公路 p=2.0 設計交通量 設計期（20年）換算為18千磅軸載累計作用次數AASHTO1972版設計法2路面結構數確定 路面設計方程 C0道路試驗中平均起始耐用性指數，4.2 C1道路試驗中最終耐用性指數，1.5 P設計的最終耐用性指數，主干道2.5 次要公路2.03路面結構厚度確定 由 根據得到幾種路面結構組合，最后根據地區條件、施工條件及經濟分析確定路面結構路面設計方程+2.32lgMR-8.7 式中： ZR保證率系數 S0估計交通量的標準

10、差，一般為0.40.5 最初耐用性指數4.2 最終耐用性指數2.0（低交通）、2.5（主干道）AASHTO1986版 MR有效路基土回彈模量 按下列方法加權處理 1劃分季節段（一般按月劃分） 2計算每月模量的損壞值34根據平均損壞值 反算Mr?？紤]路面排水的結構數SN= AASHT086版給出了未處治的材料的m值（m值為0.4-1.4，排水質量越好，浸水時間越短，m值越大） AASHT086版的路面設計過程中，還增加了路面膨脹與凍脹和分期修建的考慮。路基膨脹或凍脹考慮路基膨脹或凍脹造成PSI的損失。 每一個特定地區給出了膨脹或凍脹造成的PSI損失隨時間的變化曲線（PSISVt PSIFH t

11、）設計方法：估計路面使用年限（年） 查圖得出相應 PSI SV、FH 從設計總服務能力損失(PSI ）中扣除 PSISV、FH，得到完全由交通荷載引起的PSITR PSIIR查AASHTO路面設計圖得到累計交通量（ESAL） 根據交通量隨時間變化圖得到允許的使用年限 ,與初始估計的使用年限相比，兩者相差1年則可，否則重新計算，直至收斂。 分期修建： 關鍵是根據總可靠度的要求，分別計算分期修建的可靠度。 例如：總可靠度為95%，則每一期的可靠度為 AASHTO設計指南存在問題 AASHTO試驗路沒有包括路面的維修改造內容。 AASHTO試驗路是在特定的一個地點鋪筑的，預測氣候條件對路面使用性能的

12、影響是困難的。 AASHTO試驗路是在一種相同的路基條件下鋪筑的，很難預測路基情況對路面使用性能的影響。 AASHTO試驗路的基層材料基本上都是粒料基層，所以指南沒有包括其他基層。 AASHTO設計指南存在問題 AASHTO試驗路試驗用的車輛是20世紀50年代后期的車輛，與現在情況相比，在軸重、軸的形式、輪胎尺寸和花紋等方面都顯得太陳舊了。 路面結構設計方法、路面材料、施工方法都代表當時的水平，已經顯得落后了。例如試驗路沒有完善的排水設施。 AASHTO試驗路只進行了兩年，設計指南關于設計壽命的計算也是推算得到的，沒有考慮路面受氣候影響發生老化的情況。 AASHTO設計指南存在問題 當時試驗路

13、使用的車輛軸載與現在的車輛有很大不同，道路試驗時使用這種汽車行駛了一百萬次，僅相當于現在一年左右交通量的作用。現在使用的設計方法的基礎是由當時試驗數據回歸分析得到的計算式，利用這些公式預測現在的交通量的作用，只能是對回歸分析的結果外延，其結果很可能是設計不足或者設計過分。 AASHTO設計指南存在問題 當時的設計方法是把路面的使用性能建立在與路面厚度的關系上?？墒怯性S多路面損壞并不能簡單地歸結為厚度問題，例如車轍、低溫開裂等，經常是需要維修的原因。AASHTO試驗路設計方法的核心是以路面使用性能作為基礎，而路面使用性能將舒適性列為首要因素。實際上路面維修并不都是行車舒適性不足引起的，還有其他諸

14、多路面損壞情況。AASHTO（200 x修訂版）的修訂要點 對瀝青路面、水泥混凝土路面、復合路面提供一個通用的設計方法；反映了交通、氣候環境、路基、可靠性的共同的設計要求。 適用于新建和重建路面的結構設計，設計項目包括計算路面結構各層的厚度、重建的方法、地下排水設施、路基改善等等。 將使用周期效益成本分析的方法作為該設計方法的一個子程序。 AASHTO（2002修訂版）的內容 以力學-經驗設計為基礎，提供能夠模擬各地不同設計條件的路面結構設計方法； 提供給設計人員一系列方便實用的計算機軟件及相關的資料； 提供為掌握設計指南及計算機軟件的培訓計劃和教材； 提供新設計指南推廣應用的戰略措施。 交通

15、量分析路基氣候材料性能更改設計初步設計否滿足性能標準？累計損傷損傷預估模型輸入分析施工可行性研究方案比選壽命周期內經濟分析確定方案方案選擇是路面力學響應模型AASHTO力學經驗設計方法流程圖1輸入參數 交通量：考慮了各類貨車的軸載類型和出現頻率及其交通量的增長率。 材料：實測或按經驗公式得到瀝青混合料的動彈模及無結合料基層與路基的彈性模量。 氣候：路面處于不同氣候條件（溫度、濕度），荷載對路面造成的損傷是不相同的，其破壞程度按Miner累計損傷原理計算。AASHT0200X版設計方法例如疲勞損傷式中： k不同水平的荷載 i時間（季節） ni第k級荷載在i季節段作用的累計次數 在i季節段，按疲勞

16、公式計算所得結構層所能承受的最大疲勞 作用次數 路基：Mr有效路基土回彈模量2損壞預估模型 損壞類型：永久變形（車轍）、疲勞開裂、溫度開裂、平整度(1)永久變形（車轍）預測模型 路面總車轍量PD=PDAC+PDGB+PDSG瀝青層車轍計算模型 式中： 回彈應變 T溫度（F） 累計塑性應變 N荷載作用次數K1考慮瀝青層總厚度ha與計算點深度z的系數粒料層或路基車轍模型 式中： 粒料層或路基在標準軸載作用下，N次后的塑性變形( in) N荷載重復作用次數 z 實驗室的回彈應變 h層厚（in） 由力學模型得到的平均豎向回彈應變 材料屬性參數 UB 修正系數，粒料層2.0，路基8（2）疲勞開裂預測模型

17、 瀝青混合料疲勞方程式中： C瀝青體積率Vb和空隙率Va的系數， C=10MM=4.84 E 瀝青混合料的動彈模（MPA） 瀝青層底的彎拉應變 K1開裂形式的修正系數 自下而上開裂 （Buttou-Up Crack） 瀝青層厚度自上而下開裂（Top-Down Crack）(3)溫度開裂預測模型 溫度開裂預估模型建立分五步進行: 瀝青混合料性能試驗（蠕變柔度通用曲線及10間接拉伸強度） 計算降溫過程中瀝青層內不同時刻、不同位置的溫度應力 計算裂縫尖端應力強度因子 應用斷裂力學Paris定律建立裂縫 擴度模型 開裂量預估模型 通過野外標定得到溫度裂縫數量與開裂量之間的關系（4）平整度（IRI）預測

18、模型 路面平整度很大程度上受車轍、車轍深度和疲勞開裂的影響，其它一些破壞，例如坑洞、網裂、縱向裂縫等對平整度也都有影響。預測平整度（IRI）的模型按不同類型基層而不一樣。例如：瀝青穩定基層 IRI= IRI0 +0.0099947(Age)+0.00051(FI)+0.00235(FC)T+18.36+0.9694(p)H式中： IRI0初始IRI（m/km） Age使用年限（年） FI年冰凍指數平均值 （ day） (FC)T輪跡處的疲勞裂縫數量（占整個車道的百分數） (TCs)H高嚴重度的橫向裂縫的平均間距（m） (P)H高嚴重度的坑洞的面積（占整個車道的百分數） Shell（殼牌）設計方

19、法 Shell石油公司提出的一套瀝青路面的設計方法 路面結構分三層：路基、基層和瀝青層 設計壽命：標準軸載（ 、單軸雙輪、壓應力 接地半徑 ）在設計年限內的累計使用次數 設計標準：瀝青層底面的容許拉應變（控制路面開裂）、路 基頂面的容許壓應變（控制路面的車轍）應滿足路面設計壽命的要求 Shell（殼牌）設計方法 Shell方法設計步驟： 1、初擬瀝青層厚度 2、由月平均氣溫（MMAT）計算加權年平均氣溫（W- MAAT） 3、確定路面的設計壽命 4、確定瀝青的勁度 5、確定瀝青混合料的勁度 Shell（殼牌）設計方法 6、確定路基及基層動態模量 7、確定路面結構模型 8、BISAR程序計算路面

20、應變及壽命 9、根據設計壽命確定路面結構層厚度 10、瀝青層車轍深度的預測 Shell（殼牌）設計方法 一、初擬瀝青層的厚度 通常初擬瀝青層厚度為0.05-0.6m 二、確定月平均氣溫(MMAT）、加權年平均氣溫（W-MAAT）及瀝青混合料的有效溫度（Tmix）。MMAT很容易從氣象資料中找到。 根據每個月的MMAT查溫度加權系數曲線得到加權系數 根據12個月的平均加權系數再查溫度加權系數曲線得加權年平均氣溫（W-MAAT） Shell（殼牌）設計方法 根據加權年平均氣溫（W-MAAT）及瀝青層厚度查W-MAAT同瀝青混合料有效溫度（Tmix）諾模圖得到瀝青混合料的有效溫度Tmix。 三、確定

21、路面的設計壽命 每天每車道各軸載組的軸次換算為標準軸載的換算系數按下式計算： 繼而計算每個車道在設計年限內標準軸載的累計使用次數路面的設計壽命 Shell（殼牌）設計方法四、瀝青勁度模量Sbit 按照Van der Poel諾模圖確定瀝青的勁度模量Sbit 查閱參數 1、瀝青的溫度，即瀝青混合料的有效溫度Tmix 2、軟化點溫度TR&B 3、針入度指數PI 4、加載時間t（一般取0.02秒;反映車輛的行駛速度） Shell（殼牌）設計方法五、瀝青混合料的勁度模量Smix 瀝青混合料的勁度模量Smix與瀝青的勁度模量Sbit及混合料的體積組成（結合料的體積比Vbit與礦料體積比Vagg）有關。

22、根據瀝青勁度模量Sbit、結合料的體積比Vbit 及礦料體積比Vagg查瀝青混合料勁度模量Smix諾 得到瀝青混合料的勁度模量Smix Shell（殼牌）設計方法六、確定路基、基層的動態模量 路基的動態模量E3可通過現場動態彎沉（FWD）測定。也可以根據CBR、承載板試驗的回彈模量查路基及無機結合料層動態模量諾模圖確定 基層、底基層的動態模量E2可根據路基的動態模量E3、無機結合料層的總厚度h2按下列經驗公式確定 （2k4） Shell（殼牌）設計方法七、確定路面結構模型 1、路面結構模型為彈性三層體系（瀝青層、無機結合料基層及路基） 2、計算標準軸載作用下，瀝青層底部和路基頂部的輪中心下和輪

23、隙中心下的應力、應變值 Shell（殼牌）設計方法八、BISAR程序計算路面應變及壽命 BISAR程序可以計算上述路面結構模型在標準軸 載作用下，瀝青層底部和路基頂面的輪中心下及輪隙中心下的應變值（ fat、sub） 1、瀝青層的應變與疲勞壽命 Shall為可采用下列關系式，并給出相應的疲勞諾模圖 Shell（殼牌）設計方法其中： 瀝青的體積比 瀝青混合料的勁度 疲勞損壞時，疲勞應變的作用次數根據本式或疲勞諾模圖 Shell（殼牌）設計方法2、路基的應變及路面壽命 在標準軸載作用下，路基容許壓變sub與荷載重復作用次數N的關系，根據AASHO的實驗結果獲得： 當PSI降到2.5時 上述關系來自

24、現場實測，因此車輛橫向分布影響已考慮 Shell（殼牌）設計方法九、根據計算壽命確定路面結構層厚度 BISAR程序會根據初擬路面結構及厚度，計算路基及瀝青層的應變，并換算成路面壽命，同設計壽命相比較，誤差小于5%.初擬厚度即為結構層設計厚度，否則，程序會自動變更厚度，再次計算，直至滿足要求為止 Shell（殼牌）設計方法十、瀝青層車轍深度預測 1、瀝青層亞層劃分 一般將瀝青層劃分為三亞層： 按照瀝青層的實際組合劃分亞層 2、瀝青的有效粘度 根據月平均氣溫MMAT、瀝青亞層厚度 查瀝青層的月有效溫度或年有效溫度同MMAT或W-MAAT的關系諾模圖求瀝青亞層月有效溫度 （Tmeff）1-i Shell（殼牌）設計方法 查Van Der Poel 諾模圖，得到瀝青勁度Sbit并根 據牛頓定律： 得到該亞層瀝青的月有效粘度（VISCmeff）1-i 通過取12個月瀝青有效