国内外沥青路面设计方法综述

收稿日期:2007-01-10国内外沥青路面设计方法综述周󰀁利,蔡迎春,杨泽涛(郑州大学环境与水利学院,郑州󰀁450002)摘󰀁要:当前世界各国众多的沥青路面设计方法,可概括地分为2类:一类是以经验或试验为依据的经验法;一类是以力学分析为基础,考虑环境、交通条件以及材料特性为依据的力学-经验法。简要介绍目前国内外典型设计方法(CBR法、AASHTO法、SHELL法、AI法及国内方法),并比较其优缺点,针对现行设计方法,特别是我国设计方法,提出改进意见。关键词:沥青路面;设计方法;综述文章编号:1009-6477(2007)04-0036-04󰀁󰀁󰀁中图分类号:U416.217󰀁󰀁󰀁文献标识码:BSummaryofDomestic&OverseasAsphaltPavementDesignMethodZhouLi,CaiYingchun,YangZetao󰀁󰀁沥青路面是在柔性基层、半刚性基层上,铺筑一定厚度的沥青混合料作为面层的路面结构。以沥青路面为主的柔性路面设计理论与方法研究已有近百年的历史,其发展历程经历了古典法、经验法和力学-经验法3个阶段。当前世界各国众多的沥青路面设计方法大体为后面2种,即以工程使用经验或试验为依据的经验法和以力学分析为基础,考虑环境、交通条件以及材料特性为依据的力学-经验法。为了更好地借鉴前人的研究成果,有助于指导今后设计方法的研究,本文简要介绍目前国内外几种典型的设计方法:(1)经验法的代表方法:CBR法和AASHTO法;(2)力学-经验法的典型代表:AI法和SHELL法;(3)我国2004规范(报批稿)采用的设计方法,并作简单评价。1󰀁国外沥青路面设计方法国外的沥青路面设计方法,可分为经验法和力学-经验法2大类[1]。1.1󰀁经验法经验法主要通过对试验路或使用道路的实验观测,建立路面结构、荷载和路面性能三者间的经验关系。最为著名的经验设计方法有美国加州承载比(CBR)法和美国各州公路和运输工作者协会(AASHTO)柔性路面设计法。1.1.1󰀁CBR法[2-3]CBR法是以CBR值作为路基土和路面材料(主要是粒料)的性质指标,通过对已损坏或使用良好的路面的调查和CBR测定,建立起路基土CBR-轮载-路面结构层厚度3者之间的经验关系。利用此关系曲线,可以按设计轮载和路基土CBR值确定所需的路面层总厚度。路面各结构层的厚度,按各层材料的CBR值进行当量厚度换算。不同轮载的作用按等弯沉的原则换算为设计轮载的当量作用。此方法设计过程简单、概念明确,适用于重载、低等级的路面设计,所提出的CBR指标已作为路面材料的一种参数指标得到了广泛应用。如日本的路面设计经验法(TA法)就是以CBR法为基础制定的。1.1.2󰀁AASHTO法[2,4-5]AASHTO法是在1958󰀂1962年间AASHO试验路的基础上建立的。整理试验路的试验观测数据,得到了路面结构-轴载-使用性能三者间的经验关系式。路面结构中的路基土采用回弹模量表征其性质,路面结构层按各层材料性质的不同转换为用一个结构数(SN)表征。AASHTO方法提出了现时服务能力指数(PSI)的概念,以反映路面的服务质量。PSI是一个由评分小组进行主观评定后得到的指标,它与路面实际状况(坡度变化、裂缝面积、车辙深度、修补面积)之间建立经验关系式,提出了轴载换算的概念和公式,考虑了结构的可靠度和排水条件的影响,这些思想对后来世界各国的设计思想产生了很大的影响。1.2󰀁力学-经验法力学-经验法首先分析路面结构在荷载和环境作用下的力学响应(应力、应变、位移),利用在力学公路交通技术󰀁2007年8月󰀁第4期󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁TechnologyofHighwayandTransport󰀁Aug.2007󰀁No.4响应与路面性能(各种损坏模式)之间建立的性能模型,按设计要求设计路面结构。最著名的是美国沥青协会(AI)法和壳牌石油公司柔性路面设计(Shell)法。1.2.1󰀁Shell设计法[6-9]Shell设计方法是由英、荷壳牌石油公司研究所研究、发展和完善起来的设计方法。在该设计方法中,路面结构分为3层,即路基、基层和沥青层,各层材料以动态模量󰀁劲度表征,以厚度、模量和泊松比表示路面特征。混合料的粘弹性性质以其劲度模量体现,其值取决于沥青含量、沥青劲度和沥青混合料的空隙率。路基模量受应力影响,路基动态模量可以通过现场的动态弯沉试验在道路实际湿度条件和荷载条件下测定,也可在室内通过三轴仪测定。当有困难时,也可根据CBR或承载板试验结合工程经验选择。无机结合料基层模量依赖于它的受力状态,其值取决于路基模量和基层厚度。环境因素的影响以温度对沥青混合料材料特性的影响来表征。此方法中交通荷载以标准双轮轴载次数为代表,设计年限内的累计轴次即为设计寿命。临界荷位的应力应变由计算机程序BISAR计算。标准轴载为单轴双轮,轴重80kN,单轮轴载为20kN,双圆接地半径R=105mm,轮际间距315mm。在计算中,沥青层、无机结合料基层及路基的泊松比都为0.35,计算应力与应变的最不利位置都取2处,即沥青层底部和路基顶部的轮中心下及轮际中心下。Shell设计法考虑了2项主要设计标准和2项次要设计标准。2项主要设计标准是控制疲劳开裂的沥青层底面的容许水平拉应变󰀁fat和控制永久变形的路基顶面的容许竖向压应变󰀁z。控制标准分别如下式:Nf=|[(0.856Vbit+S-0.36mix)]󰀁󰀁r|5Nf=(a󰀁󰀁z)4式中,Nf为累计标准荷载作用次数;Vbit为结合料的体积比;Smix为沥青的劲度模量。可靠度为50%时,a取0.028;可靠度为85%时,a取0.021;可靠度为95%时,a取0.018。2项次要标准是水泥稳定类材料底面的弯拉应力和路表面的永久变形。水泥稳定类材料底面的弯拉应力采用下式控制:󰀂r2=󰀂r1(1-0.075lgNf)式中,󰀂r2为容许弯拉应力;󰀂r1为材料的极限弯拉强度。由于沥青层具有粘弹性特性,因此会产生永久变形。为了控制所设计的路面结构在使用中不出现过大车辙,即高速公路不超过10mm,普通道路不高于30mm,SPDM建立了基于静态蠕变试验的车辙预估模型-沥青层厚度、沥青层平均应力、沥青混合料劲度模量的函数。沥青层永久变形公式如下式: h1-i=Cm h1-i (Z !0)󰀁Sm-i式中,Z为应力分布系数;!0为轴载压应力,标准轴载80kN的为6 105Pa;Sm-i为i层沥青混合料的单轴静态蠕变劲度模量;Cm为动态修正系数,反映动态轮辙试验及静态蠕变试验的差异,同混合料类型有关。将各层的永久变形相加即为沥青层的永久变形,沥青层永久变形同基层与路基变形之和即为车辙。1.2.2󰀁美国地沥青协会(AI)法[2,6-7,10]AI设计法也把路面看成多层弹性体系,材料特性主要包括土基、粒料基层和沥青层的回弹模量和泊松比。路基土的泊松比假设为0.45,其它材料的泊松比假设为0.35。路基土的回弹模量的确定可由室内重复三轴抗压试验确定,或根据其与CBR(或R)的关系式估计而得;粒料材料的回弹模量与应力水平相关,其值可根据多变量回归的预测方程计算;热拌沥青混合料的动态模量由室内60种不同的沥青混合料试验得到的计算公式确定。环境的影响通过面层温度对沥青混合料劲度值的影响来体现,以面层厚1󰀁3深处的温度作为沥青层的设计温度,由月平均气温和路面温度的关系式计算得到。沥青混凝土面层、沥青混凝土(全厚式)或乳化沥青基层采用3层弹性层状连续体系,当其下还有粒料基层时,采用4层弹性层状连续体系。荷载模型为双圆垂直荷载,不考虑水平荷载,以80kN单轴荷载为标准轴载,单圆当量圆半径为!=11.43cm,两轮中心间距为3!,力学计算须计算各层沥青层底、路基土顶面以下单圆中心点,单圆内侧边缘、双圆间隙中心点3个点的最大应力、应变值。AI法采用的设计标准与Shell法相同,即控制疲劳开裂的沥青层底部的水平拉应变󰀁∀和控制永久变形的土基表面的竖向压应变󰀁z。(1)疲劳准则AI法建立了标准混合料(沥青体积为11%,空372007年󰀁第4期󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁周󰀁利,等:国内外沥青路面设计方法综述隙率为5%)的疲劳方程,该方程考虑了实验室与野外条件的差异。Nf=0.00115(󰀁∀)-3.291|E*|-0.854式中,Nf为控制疲劳开裂的允许荷载重复作用次数;|E*|为沥青混合料的动模量,MPa。AASHO道路试验所选路段的观察表明,应用上式所得到的疲劳开裂占总面积的20%。对于非标准混合料,根据试验室的疲劳试验结果,上式可表示为:Nf=0.00115(󰀁∀)-3.291|E*|0.854C式中,C是沥青混合料空隙率Va和沥青体积率Vb的函数。c=10MM=4.84[Vb󰀁(Va+Vb)-0.6875](2)永久变形准则根据AASHO试验数据整理结果得出,控制永久变形的允许荷载重复作用次数可用Nd=1.365 10-9(󰀁z)-4.477计算。SHELL和AI设计法是公认的力学-经验法的典型代表,很多国家都借鉴了SHELL法和AI法的研究成果。如澳大利亚的沥青混合料疲劳方程采用的就是Shell1978年提出的室内疲劳试验关系式,预估野外疲劳寿命时,乘以修正系数5[11];日本的疲劳破坏标准采用的是AI的破坏标准。但这2种方法都没有考虑湿度对路面设计的影响,也没有考虑低温断裂问题。世界上很多国家(如澳大利亚、日本、南非、法国等)的路面设计都有自己的力学-经验法,且大部分的力学-经验法都是以裂缝和永久变形作为设计标准的。现在AASHTO正在研究制定的采用力学-经验法的新设计指南AASHTO200X将考虑疲劳开裂、永久变形、低温断裂和不平整度4种损坏模型[1,6]。其中沥青混合料的疲劳方程是在AI疲劳方程的基础上根据不同开裂方式(自上向下和自下向上开裂)进行修正得到的。永久变形是分别考虑各结构层永久变形的总和而得到路表面的永久变形(车辙),这将使以后的路面设计更加完善。2󰀁国内沥青路面设计方法我国沥青路面设计采用的是力学-经验法。其路面模型借鉴了SHELL的理论设计法[12],把路面作为一种多层弹性体系。材料特性以弹性模量和泊松比表征,土基回弹模量可根据现场实测法、查表法、室内试验法或换算法求得。各层材料统一采用圆柱体试件测定抗压回弹模量和劈裂模量。弯沉指标计算时,沥青混合料用20!抗压回弹模量;层底弯拉应力计算采用15!抗拉强度与弯拉回弹模量,也可以采用劈裂强度与抗压回弹模量[13-15]。交通荷载以双轮组单轴载100kN为标准轴载。轮胎接地压强0.70MPa,单轮当量圆直径d为21.3cm,两轮中心距为1.5d。路表弯沉计算时须计算双圆均布荷载的轮隙中心点的弯沉。验算沥青混凝土层和半刚性材料层的底部拉应力时,须计算单圆荷载中心、轮隙中心处拉应力并取其较大值[16-17]。设计标准是以2004规范规定的设计弯沉和层底拉应力为设计标准。设计弯沉是表征路面整体刚度大小的指标,是路面厚度计算的主要依据。其计算式为:ld=600N-0.2eAcAsAb其中,Ne为设计年限内一个车道上的累计当量轴次;Ac、As、Ab分别为公路等级系数、面层类型系数和基层类型系数。路面结构层容许拉应力󰀂R是指路面结构在行车荷载重复作用下达到疲劳临界状态时容许的最大拉应力。其计算式为:󰀂R=󰀂S󰀁Ks其中,󰀂S为沥青混凝土或半刚性材料在规定条件下(沥青混凝土:15!;水泥稳定类材料:90d龄期;二灰稳定类、石灰稳定类材料:180d龄期)的极限抗拉强度,MPa;Ks为抗拉强度结构系数,沥青混凝土面层Ks=0.09N0.2e󰀁Ac;无机结合料稳定集料类Ks=0.35N0.11e󰀁Ac;无机结合料稳定细粒土类Ks=0󰀁45N0.11e󰀁Ac。对于季节性冰冻地区的高级和次高级路面,还应进行防冻层厚度验算。我国路面设计方法虽然比以前有了很大的改进,但仍存在不足:(1)不少分析和实践证明,我国的设计指标和相关参数在半刚性基层沥青路面设计计算中起不到控制作用。如不少半刚性路面即使在出现损坏后,实测弯沉也远小于设计弯沉[12]。而我们在进行计算时也经常会发现沥青面层底面的应力一般为压应力,故层底拉应力验算就形同虚设。(2)没有考虑控制车辙的土基顶面压应变与重复荷载作用次数之间的关系。(3)没有考虑控制沥青面层和半刚性基层的疲劳开裂的拉应变与荷载作用次数的关系。38󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁公󰀁路󰀁交󰀁通󰀁技󰀁术󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁2007年