瀝青路面設計指標和參數研究

1、瀝青路面設計指標和參數研究報 告 簡 本 現行規(guī)范的結構設計方法，以路表回彈彎沉值、瀝青面層和半剛性層的層底拉應力作為控制路面結構總體剛度（承載能力）以及瀝青層和半剛性層疲勞開裂損壞的設計指標。采用靜態(tài)測試方法確定路基土和路面材料的模量值，以劈裂試驗方法確定路面材料的強度值，并且未考慮溫度和濕度變化對參數值的影響。這樣的設計指標和參數值，不能如實反映路面結構的損壞現象和機理，也不能正確反映土和材料的力學性狀。為了改善現行瀝青路面結構設計的指標和參數，2005年初交通部立項開展研究，計劃提出新的設計指標和相應的設計參數。 擬訂瀝青路面新指標和參數體系時，依據下述原則考慮：（1）仍遵循力學-經驗法

2、的基本思路；（2）針對層狀復合結構和損壞類型多樣化的特點，采用多設計指標體系，各指標分別控制對應的損壞類型；（3）設計基準期內路面的累計損傷仍采用當量損壞法分析；（4）對設計參數的采集要求分為三個層次，分別規(guī)定不同精細或準確程度的方法；（5）材料性質參數應能反映行車荷載和環(huán)境因素對其性狀的影響，并采用科學的試驗方法測定；（6）各種損壞模型的建立以室內試驗為基礎，室外驗證和修正以路面加速加載試驗（ALF）為主；（7）在現有國內外前沿水平的基礎上建立設計指標和參數的基本框架體系。1. 結構層組合方案和損壞類型瀝青路面可以按基層材料類型的不同分為三大類結構層組合方案：（1）選用粒料做基層的粒料類基層

3、瀝青路面；（2）選用瀝青結合料類材料做基層的瀝青類基層瀝青路面；（3）選用無機結合料類材料做基層的無機結合料類基層瀝青路面。而各大類中，又可以按底基層材料的不同分為粒料類底基層、無機結合料類底基層和瀝青結合料類底基層三亞類。各種路面結構層組合方案具有不同的結構特性及損壞機理和形態(tài)特征。瀝青路面的設計指標主要針對以下6類損壞：（1）瀝青層的疲勞開裂；（2）無機結合料穩(wěn)定層的疲勞開裂；（3）瀝青面層的永久變形；（4）粒料層和路基的永久變形；（5）瀝青面層的低溫縮裂；（6）瀝青面層的反射裂縫。各種瀝青路面結構層組合方案在結構設計時所需考慮的損壞類型，匯總于表1。本項目研究前5項損壞，提出相應的設計指

4、標和相關的設計參數。表1 各種結構層組合方案需考慮的瀝青路面損壞類型路面類型瀝青類基層和粒料類基層無機結合料類基層面層厚度厚中厚薄厚中厚、薄主要損壞類型永久變形（面層為主）疲勞開裂永久變形（粒料層和路基）永久變形(面層)反射裂縫(面層)次要損壞類型疲勞開裂永久變形-疲勞開裂冰凍地區(qū)低溫縮裂(面層)2. 瀝青層疲勞損壞 選用矩形小梁4點彎曲疲勞試驗進行瀝青混合料室內疲勞性能的研究，并制訂了標準試驗方法。采用常應變加載控制模式，在15°C和10Hz條件下對各種瀝青混合料進行了108次疲勞試驗。在吸納國外部分疲勞試驗結果的基礎上，對618有效組數據進行了回歸分析，建立了常應變控制模式下的室

5、內疲勞壽命預估模型。通過各4m長的3個試驗段（瀝青層厚度為5、10和15cm）的路面加速試驗（ALF），對室內疲勞模型進行修正，引入了模式系數、輪載橫向分布系數和軸載載換算系數，并標定了室內模型的系數后，得到經過驗證和修正后的瀝青層疲勞壽命預估模型： （1） 選取了54個級配碎石基層瀝青路面結構，對上述預估模型和美國力學-經驗法的預估模型進行了疲勞壽命的對比分析。除了應變水平小于50的低應變路面結構外，其他路面的預估壽命基本接近，都在同一個數量級內。3. 無機結合料穩(wěn)定層疲勞損壞 選用水泥穩(wěn)定砂礫、水泥穩(wěn)定碎石、水泥穩(wěn)定土和水泥-石灰穩(wěn)定碎石4類常用無機結合料穩(wěn)定材料，進行了147次三分點加載

6、梁試件彎曲疲勞試驗。按照Weibull分布回歸得到各種混合料的7個疲勞關系式。其中，水泥穩(wěn)定碎石的疲勞壽命預估模型為： （2） 在試件底面有支承和試件浸水的條件下分別進行了疲勞試驗，與常規(guī)疲勞試驗結果相比較，受支承時試件的疲勞壽命可以增加，浸水對水泥穩(wěn)定土的疲勞壽命影響很大，但對水泥穩(wěn)定碎石的影響則很小。4. 瀝青面層低溫縮裂損壞影響瀝青層低溫開裂的最重要的因素是瀝青在低溫時的蠕變勁度（或稠度）及其感溫性。選用在該地區(qū)最低路面溫度下不會變脆的瀝青結合料是預防瀝青面層低溫開裂的關鍵。對3種基質瀝青進行了各種性質指標的測定，將它們與臨界開裂溫度的關系進行關聯(lián)分析的結果表明，我國規(guī)范采用的低溫延度、

7、低溫針入度和當量脆點與臨界開裂溫度的關聯(lián)度都很小，因而，這些評價指標無法很好地表征瀝青的低溫性能。對吉林和黑龍江省4條公路的12個路段進行了裂縫調查，并對回收瀝青進行了BBR試驗和DT試驗，計算了臨界開裂溫度。瀝青性質與開裂程度相對應的驗證結果表明，蠕變勁度S、勁度曲線斜率m和斷裂應變，這3項瀝青低溫性能指標可以有效地判別瀝青層抗低溫性能的優(yōu)劣，其標準值（當地路面最低溫度加10°C時，S < 300 MPa、m > 0.30、破壞應變 > 1%）與路面的實際開裂程度相吻合。因而，可以采納作為評定瀝青低溫性能的指標和標準。參照Hass和Hajek建立的模型提出了開裂量

8、預估模型。對吉林和黑龍江省4條公路的13個路段進行了瀝青層開裂狀況調查，并對瀝青的性質和路面結構進行了測試。依據所取得的數據，按預估模型計算了各個路段的開裂量。與實際開裂量的對比表明，各路段的預估值與觀測值都比較接近，偏差在可接受的范圍內。因此，預估模型可以暫時用作瀝青面層低溫抗裂設計的參考。5. 瀝青層永久變形 控制瀝青層永久變形的主要途徑是，按照交通荷載、溫度狀況和路面結構層組合的要求，正確、合理地設計瀝青混合料的組成。選用輪轍儀試驗和重復加載三軸蠕變試驗作為研究對象，檢驗了它們判別瀝青混合料抗永久變形性能優(yōu)劣的可靠性，并分析了影響測試結果的各方面因素。在此基礎上，制定出了標準試驗方法。

9、以相對轍深和蠕變率作為應用輪轍儀試驗評定瀝青混合料抗永久變形性能的指標。選用3種密級配瀝青混合料和4種4%SBS改性瀝青混合料，在不同輪壓和溫度條件下進行輪轍試驗。依據551個有效樣本數據，進行多元回歸分析后建立了相對轍深預估模型。在各4m長的3個試驗段（瀝青層厚8 cm）上通過ALF試驗儀進行了車轍試驗。利用車轍試驗結果，對輪轍儀試驗的相對轍深預估模型進行了輪壓和作用次數的修正，并分析了車速對轍深的影響。以此修正后的相對轍深預估模型為基礎，按各氣候區(qū)的代表地區(qū)的月平均氣溫資料、累計標準軸次和瀝青層位深度的不同，分別計算累計車轍深度。取瀝青層的容許車轍深度為15mm，據此確定不同條件下輪轍試驗

10、的相對轍深容許值，并進而按相對轍深與蠕變率之間的關系轉換為蠕變率容許值，如表2所列。表2 瀝青混合料輪轍試驗蠕變率（次/mm）的要求（不小于）交通分級(×106軸次數)距路表深度(cm)溫度分區(qū)I-1、I-2、I-3、I-4II-1II-2、II-3、II-4III-210101500（2400）600800600>1060060060060030103200（4500）10001500600>101000（1500）600600600120105500320045001500>10250010001500600 以流動數作為應用重復加載三軸蠕變試驗評定瀝青混合料抗

11、永久變形性能的指標。選用4種普通瀝青混合料和1種改性瀝青混合料，在3種軸向應力和3種溫度條件下進行流動數測定。依據試驗結果，建立了流動數與應力和溫度之間的經驗關系式，以及永久變形與應力和溫度之間的經驗關系式。利用ALF試驗的3段車轍試驗結果和瀝青層中部（4cm處）的豎向應力分析，對上述經驗關系式進行了驗證，得到了修正后的車轍預估模型。6. 路基和粒料層永久變形利用室內動三軸試驗系統(tǒng)對3種土和4種碎石粒料在不同含水量、壓實度和偏應力級位條件下進行了永久變形試驗，并以Tseng和Lytton模型為基礎，分別建立了土和碎石的永久變形預估模型。應用此模型，按分層應變總和法計算分析了我國典型路面結構的路

12、基和粒料層的永久變形量。依據安定理論的概念，控制住傳到路基頂面的應力水平，使它產生的永久變形累積可以最終達到平衡狀態(tài)，使上面的路面結構不會產生由于路基的過量永久變形而引起的損壞。利用處于臨界損壞狀況的路面結構資料和達到該臨界損壞狀況時的標準軸載作用次數（即壽命），便可以反算出處于臨界損壞狀況時的路基頂面豎向壓應變，并建立起路基頂面容許豎向壓應變同標準軸載作用次數間的關系式。 利用以往設計規(guī)范的容許彎沉公式，為不同標準軸次數反演出符合容許彎沉要求的路面結構，再針對這些路面結構反算出相應的路基頂面豎向壓應變。由此得到容許壓應變與標準軸次之間的關系式： （3）選用了AASHO試驗路的195種路面結構

13、，計算處于臨界損壞狀況（）時的路基頂面壓應變和標準軸載（100kN）累計作用次數，以此對式（3）進行驗證。二者相比較，共有117種AASHO路面結構在允許荷載作用次數下達到了臨界損壞，采用式（3）進行設計的保證率為60。 此外，還同Shell方法的路基頂面容許壓應變關系式進行了對比。式（3）的計算結果介于Shell50%保證率與85%保證率之間，表明所建立的路基頂面容許壓應變公式是適用的。7. 路基和粒料層回彈模量 路基土和粒料是非線性彈塑性材料，其回彈模量值具有應力依賴性，并隨其濕度和密實度狀態(tài)變化。本研究選用由重復加載三軸壓縮試驗得到的回彈模量表征土和粒料的力學性狀。通過比選和測試評價，制

14、定出了重復加載三軸壓縮試驗的回彈模量標準試驗方法。選取了12種代表性土和3種碎石粒料進行了重復加載回彈模量試驗，考察分析了相關因素對回彈模量值的影響。在此基礎上，建立了土和粒料回彈模量的3參數本構模型，并通過與土和粒料物性參數的關聯(lián)，建立了土和粒料物性參數與本構模型3 參數之間的關系式。按彎沉等效原則，通過三維有限元非線性力學分析和彎沉迭代反演，確定不同交通等級的路基和粒料層內的當量回彈模量和當量應力水平。依據土和粒料回彈模量預估模型和當量應力水平，提出了不同交通等級的各類路基和粒料層在標準條件下的回彈模量參考值。8. 無機結合料穩(wěn)定材料彈性模量 對水泥穩(wěn)定砂礫、水泥穩(wěn)定碎石、水泥穩(wěn)定土和石灰

15、-粉煤灰穩(wěn)定碎石4種混合料進行了靜態(tài)彎拉回彈模量和壓縮回彈模量的測試，并建立了模量轉換經驗關系式。應用梁試件的疲勞試驗和梁底拉應變的連續(xù)測定，對上述4種無機結合料穩(wěn)定材料的動態(tài)彎拉模量衰變規(guī)律進行了試驗研究。反復加載過程中，拉應變增長和動態(tài)模量衰變經歷了下降較快、降速穩(wěn)定和急劇下降三個階段。各階段所占疲勞壽命的比例分別為20%、60%和20%（水泥穩(wěn)定類材料）或15%、75%和10%（二灰穩(wěn)定類材料）。依據試驗結果，提出了各種無機結合料穩(wěn)定材料在不同模量衰變階段的動態(tài)彎拉模量值。 無機結合料穩(wěn)定類基層或底基層，由于濕度收縮和溫度收縮作用，在開放交通之前或之初便會產生內應力，并由此而出現微裂隙。

16、這些微裂隙的存在，使材料的有效模量值降低。參照南非的經驗，提出了無機結合料穩(wěn)定類材料在收縮開裂后的彈性（回彈）模量參考值。9. 瀝青混合料動態(tài)模量瀝青混合料是彈粘性材料。瀝青的勁度模量值具有溫度和加載頻率（時間）依賴性。本研究選用單軸壓縮動態(tài)模量表征瀝青混合料的力學性狀。在分析比較國外各標準試驗方法的差異性和優(yōu)缺點的基礎上，制定出了適合我國室內試驗水平的瀝青混合料單軸壓縮動態(tài)模量試驗標準和數據整理方法。在考察分析諸多影響因素的基礎上，選取了8個影響變量，進行了168次動態(tài)模量測試和188次驗證試驗。在此基礎上，建立了6個取用不同影響變量的瀝青混合料動態(tài)模量預估模型，其中，含有瀝青含量和空隙率變

17、量的3個多元非線性動態(tài)模量預估模型，與試驗實測數據的擬合效果最好。利用所建立的瀝青混合料動態(tài)模量預估模型，給出了我國3種常用瀝青混合料（AC、AK、SMA）在20°C和10 Hz標準條件下，采用不同瀝青類型、瀝青用量和空隙率的動態(tài)模量參考值。10. 路基濕度狀況依據路基的濕度來源和變遷特點，將路基的濕度狀況分為3類：（1）受地下水位影響的潮濕類路基；（2）受大氣濕度影響的干燥類路基；（3）兼受地下水位和大氣濕度影響的中濕類路基。 采用濾紙法試驗標定了12種土的Fredlund & Xing土-水特性曲線模型參數，分別建立了路基土含水量和基質吸力關系模型。 干燥類路基土的基質吸

18、力與大氣濕度（以濕度指數TMI表征）和路基土性質（以塑性指數和細粒土含量表征）有關。在12個路段上采集了土樣和濕度指數，測定了土的參數和基質吸力，并同Perera等的44個數據一起進行回歸分析，建立了干燥類路基土的基質吸力預估模型。潮濕類路基土的基質吸力與距地下水位的距離成正比。應用土-水特性曲線和基質吸力預估模型，預估了干燥類濕度狀況路基在不同大氣濕度指數時的平衡濕度推薦值，以及潮濕類路基的不同土組平衡濕度推薦值。通過歸并和插值，提出了中濕類路基在不同大氣濕度指數時的不同土組平衡濕度推薦值。 對所選12個路段的土樣進行不同含水量和壓實度條件下的回彈模量測試。以最佳含水量時的回彈模量作為標準值

19、，不同含水量時的回彈模量與標準值之比稱為回彈模量濕度調整系數。利用這些數據建立了回彈模量濕度調整系數模型。并進而由3類路基的濕度預估值推演出相應的非冰凍地區(qū)回彈模量濕度調整系數。季節(jié)性冰凍地區(qū)的路基土，經歷著冰凍、融解、回復和正常4個季節(jié)性變化階段。按各時段路基的濕度和回彈模量值以及對路面結構的損傷程度，進行加權總和后得到路基的有效回彈模量。有效模量與標準模量之比即為季節(jié)性冰凍地區(qū)路基回彈模量的綜合調整系數。對12種土樣進行了有效回彈模量的計算，得到季節(jié)性冰凍地區(qū)各類土在干燥、中濕和潮濕狀態(tài)下的回彈模量綜合調整系數。11. 路面溫度狀況瀝青和瀝青混合料的勁度和強度性質具有強烈溫度依賴性，瀝青層

20、的使用性能和使用壽命也就與路面的溫度狀況密切相關。瀝青層內的溫度在年、月、日內隨著大氣發(fā)生著周期性的變化。各地由于氣候條件的不同，瀝青層內的周期性溫度變化具有不同的規(guī)律、圖式和范圍。因而，瀝青路面結構響應分析時所采用的瀝青層模量參數，應隨瀝青層內的溫度狀況而變化，帶有地域和氣候條件的特性。依據一維熱傳導偏微分方程和路表熱流函數，采用有限差分法建立瀝青路面的溫度場模型，并通過北京和金華的路面溫度觀測站的測定數據對模型參數進行標定和對溫度預估進行驗證。利用所建溫度場模型，對不同氣候區(qū)的瀝青路面進行溫度場分析，提出各地區(qū)瀝青路面的年溫度分布頻率。針對本項目所采用的結構性損壞的類型和指標（瀝青層疲勞開裂、無機結合料穩(wěn)定層疲勞開裂和路基永久變形），按照當量損耗的概念，為不同地區(qū)（即不同氣候條件）和不同瀝青層厚度的路面結構（粒料類基層和無機結合料類基層），分別計算分析達到相同損耗量時的溫度當量值，并提出相應的溫度換算系數供設計時采用。12. 結論和今后研究 1. 本項目構建了一個設計指標和參數體系，它為瀝青路面設計規(guī)范的修訂提供了基礎，也為今后瀝青路面結構和材料的研究和發(fā)展提供了平臺。 2. 所構建的設計指標體系包括：瀝青層的疲勞壽命、無機結合料穩(wěn)定層的疲勞壽命、路基頂面的容許壓應變、瀝青混合料的蠕變率以及瀝青的蠕變勁度、m和斷裂應變，前3項主要與路面