重交通瀝青路面設(shè)計(jì)新理念和新方法

孫立軍教授，長江學(xué)者同濟(jì)大學(xué)交通運(yùn)輸工程學(xué)院重交通瀝青路面設(shè)計(jì)的新理念和新方法國內(nèi)外背景損壞特征重載下的受力特點(diǎn)一體化設(shè)計(jì)框架設(shè)計(jì)小結(jié)結(jié)束語國內(nèi)外背景半剛性基層瀝青路面瀝青層厚度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@瀝青國產(chǎn)瀝青~進(jìn)口瀝青~優(yōu)質(zhì)瀝青改性瀝青70年代末-90年代初：研發(fā)階段90年代初-90年代末：推廣應(yīng)階段90年代末-今：大規(guī)模應(yīng)用階段2002年后：從單層改性到雙層改性國內(nèi)外背景2023/2/53ljsun@

瀝青混合料1990年代初：LH1990年代中期：AK混合料1990年代后期：Superpave,SMA試用階段2000年后：SMA，Superpave大量使用，Bailey法目前：SMA，AC-C（Superpave

），AC-F，SAC，Bailey法，大粒徑折斷型級(jí)配國內(nèi)外背景2023/2/54ljsun@進(jìn)口瀝青改性瀝青雙層改性LH,AKSuper,SMASuper,SMA,Bailey,提高壓實(shí)功國內(nèi)外背景2023/2/55ljsun@國內(nèi)外背景目前的方法AASHTO方法SHELL方法AI方法SUPERPAVE方法法國方法比利時(shí)方法澳大利亞方法AASHTO2002我國方法損壞認(rèn)識(shí)與設(shè)計(jì)考慮形成于60、70、80、90年代疲勞開裂、車轍和低溫開裂是主要損壞形式疲勞開裂首先產(chǎn)生于瀝青層底面，并向上發(fā)展路基變形是車轍產(chǎn)生的主要原因設(shè)計(jì)指標(biāo)：PSI、、l2023/2/56ljsun@國內(nèi)外背景力學(xué)法N<Nf厚度設(shè)計(jì)方法，材料設(shè)計(jì)另外考慮來自力學(xué)分析2023/2/57ljsun@國內(nèi)外背景Superpave方法N<Nf結(jié)構(gòu)分析作為輸入，材料設(shè)計(jì)作為歸宿Nf=SF*Nf’(T,)來自室內(nèi)試驗(yàn)2023/2/58ljsun@國內(nèi)外背景ME（AASHTO2002）方法自下而上、自上而下的開裂指標(biāo)Miner定律路面永久變形估計(jì)基于彈性應(yīng)變的傳統(tǒng)估計(jì)方法2023/2/59ljsun@國內(nèi)外背景長壽命路面設(shè)計(jì)40-50年的壽命自上而下的損壞2023/2/510ljsun@國內(nèi)外背景我國方法彎沉起控制作用，層底應(yīng)力一般不起控制作用厚度設(shè)計(jì)方法，材料設(shè)計(jì)另外考慮來自力學(xué)計(jì)算2023/2/511ljsun@國內(nèi)外背景沿用1986年的標(biāo)準(zhǔn)對(duì)半剛性基層，彎沉減小1.6倍將末期彎沉轉(zhuǎn)化為初期彎沉，減小1.2倍半剛性材料的模量嚴(yán)重低估，彎沉修正不能反應(yīng)實(shí)際情況路面的實(shí)際彎沉在0.10~0.15mm，小于水泥混凝土路面彎沉后果是：瀝青路面，其設(shè)計(jì)重點(diǎn)不是瀝青層，而是基層2023/2/512ljsun@斑狀泛油重交路面損壞特征

2023/2/513ljsun@內(nèi)部松散重交路面損壞特征

2023/2/514ljsun@新型翻漿重交路面損壞特征

2023/2/515ljsun@新型沉陷重交路面損壞特征

2023/2/516ljsun@坑洞重交路面損壞特征

2023/2/517ljsun@車轍重交路面損壞特征

2023/2/518ljsun@縱向平行裂縫重交路面損壞特征

2023/2/519ljsun@雞爪形不規(guī)則裂縫重交路面損壞特征

2023/2/520ljsun@Top-Down損壞重交路面損壞特征

2023/2/521ljsun@重交路面損壞特征

2023/2/522ljsun@瀝青在表面層內(nèi)重新分布前后瀝青表面層瀝青含量瀝青含量前后重交路面損壞特征

2023/2/523ljsun@目前的損壞產(chǎn)生于路面使用初期與結(jié)構(gòu)的整體抗力無正相關(guān)性重載的影響明顯損壞起于面層，開裂向下傳播雨水具有明顯的影響發(fā)展速度很快傳統(tǒng)的損壞產(chǎn)生于長期使用后與整體抗力關(guān)系明顯雨水的影響明顯開裂產(chǎn)生于結(jié)構(gòu)層底部，向上發(fā)展損壞隨累計(jì)ESAL增加緩慢增加伴隨非荷載型損壞重交路面損壞特征

2023/2/524ljsun@實(shí)測的水壓2023/2/525ljsun@動(dòng)水壓力路表水的影響首次發(fā)現(xiàn)的瀝青遷移現(xiàn)象瀝青含量沿深度分布水上層中層下層前后2023/2/526ljsun@路表水的影響瀝青的遷移2023/2/527ljsun@路表水的影響動(dòng)水頭翻漿的過程2023/2/528ljsun@路表水的影響翻漿與沉陷2023/2/529ljsun@路表水的影響空隙率與損壞2023/2/530ljsun@路表水的影響瀝青混合料質(zhì)量變異性與集料最大粒徑的關(guān)系2023/2/531ljsun@瀝青混合料質(zhì)量路表水的影響2023/2/532ljsun@瀝青混合料質(zhì)量路表水的影響均勻的材料才有性能可言2023/2/533ljsun@路表水的影響2023/2/5341996年以來,交通量和軸載大小迅速增大貨車比例平均為36％，相當(dāng)比例的胎壓超過0.7MPa∑ESALs(100kN)=2000萬－1億軸次，最大達(dá)4億軸次重載下的受力特點(diǎn)810kpa/1328kg

810kpa/2500kg

810kpa/5000kg

典型測試結(jié)果：11.00-20走向花紋輪胎接地壓力分布實(shí)測各花紋條走向壓力分布接地面中心點(diǎn)處橫斷面壓力分布d)1050kpa/1900kg半剛性基層e)1050kpa/2500kg半剛性基層f)1050kpa/6250kg半剛性基層2023/2/535ljsun@重載下的受力特點(diǎn)典型測試結(jié)果：11.00-20橫向花紋輪胎接地壓力分布實(shí)測810kpa/1900kg

810kpa/2500kg

810kpa/5000kg

810kpa/1900kg

810kpa/2500kg

810kpa/5000kg

各花紋塊走向壓力分布接地面中心點(diǎn)處橫斷面壓力分布2023/2/536ljsun@重載下的受力特點(diǎn)重載下的受力特點(diǎn)基于彎沉、彎拉的判斷：a>b>c重載下的受力特點(diǎn)基于剪切應(yīng)力的判斷：b>c>a重載下的受力特點(diǎn)重載下的受力特點(diǎn)2023/2/541ljsun@重載下的受力特點(diǎn)2023/2/542ljsun@重載下的受力特點(diǎn)2023/2/543ljsun@重載下的受力特點(diǎn)自上而下的開裂過程2023/2/544ljsun@重載下的受力特點(diǎn)應(yīng)該為縱向開裂圖22成重高速剪應(yīng)力等值線圖圖23京津塘高速剪應(yīng)力等值線圖2023/2/545ljsun@重載下的受力特點(diǎn)應(yīng)該為網(wǎng)狀開裂圖14平西高速SX等值線圖圖15平西高速SY等值線圖2023/2/546ljsun@重載下的受力特點(diǎn)2023/2/547ljsun@重載下的受力特點(diǎn)2023/2/548ljsun@重載下的受力特點(diǎn)傳統(tǒng)的龜裂Down-Top新龜裂（剪切）Top-Down2023/2/549ljsun@重載下的受力特點(diǎn)彎拉疲勞剪切疲勞2023/2/550ljsun@重載下的受力特點(diǎn)車轍產(chǎn)生于10cm深度溫度的耦合作用2023/2/551ljsun@重載下的受力特點(diǎn)溫度累積作用2023/2/552ljsun@重載下的受力特點(diǎn)溫度累積作用2023/2/553ljsun@重載下的受力特點(diǎn)2023/2/554重交通作用下出現(xiàn)了許多新的損壞現(xiàn)象ljsun@重載下的受力特點(diǎn)力學(xué)分析小結(jié)當(dāng)荷載荷載的非均布效應(yīng)時(shí)，路面結(jié)構(gòu)內(nèi)的力學(xué)分布十分復(fù)雜當(dāng)輕型車輛超載時(shí)，即便總軸重小于標(biāo)準(zhǔn)荷載，但對(duì)路面的損傷更為嚴(yán)重對(duì)目前的半剛性基層瀝青路面，不能簡單地認(rèn)為彎沉小意味者強(qiáng)度高剪切指標(biāo)的分析為我們帶來了路面考慮的新視角，是我們?cè)趥鹘y(tǒng)的路面分析中忽略了的因素。該指標(biāo)的引入，為從力學(xué)的角度進(jìn)行路面結(jié)構(gòu)組合設(shè)計(jì)提供了理論指導(dǎo)剪切破壞可能是重交通瀝青路面的主要損壞原因，是聯(lián)系材料與結(jié)構(gòu)的紐帶，是一個(gè)好的設(shè)計(jì)指標(biāo)重載下的受力特點(diǎn)荷載的變化，導(dǎo)致傳統(tǒng)的路面認(rèn)識(shí)偏差很大，許多結(jié)論不再適用荷載影響的范圍增大路面損壞的機(jī)理發(fā)生了變化人們嚴(yán)重低估了重交通路面的復(fù)雜性，采用將輕交通路面的設(shè)計(jì)方法簡單外延至重交通路面的設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與材料設(shè)計(jì)是分離的，與使用性能無關(guān)2023/2/556ljsun@重載下的受力特點(diǎn)2023/2/557傳統(tǒng)的理論無法給予明確的指導(dǎo)，結(jié)構(gòu)組合設(shè)計(jì)存在盲目性，對(duì)重交通路面設(shè)計(jì)需要新的思路重新認(rèn)識(shí)力學(xué)在路面分析和設(shè)計(jì)中的作用關(guān)注結(jié)構(gòu)與材料的相互作用，根據(jù)使用性能將結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與材料設(shè)計(jì)一體化將路面設(shè)計(jì)變?yōu)榭茖W(xué)ljsun@重載下的受力特點(diǎn)2023/2/558

設(shè)計(jì)框架低溫或反射裂縫剪切有關(guān)的損壞彎曲疲勞開裂水或均勻性損壞ljsun@彎曲疲勞，自下而上的破壞剪切疲勞，自上而下的破壞剪應(yīng)力拉應(yīng)變拉應(yīng)力壓應(yīng)變

設(shè)計(jì)框架2023/2/559ljsun@上述兩種模式尚不能反映全部問題，還需綜合考慮路面使用性能典型衰減模式3412PCIYears

設(shè)計(jì)框架2023/2/560ljsun@設(shè)計(jì)框架按性能設(shè)計(jì)+按力學(xué)驗(yàn)算2023/2/561ljsun@設(shè)計(jì)框架PI：輸入階段輸入影響路面設(shè)計(jì)的所以因素，包括交通、環(huán)境、材料、路基土質(zhì)和施工能力等PII：概念設(shè)計(jì)階段通過剪切分析進(jìn)行路面結(jié)構(gòu)材料（模量）組合設(shè)計(jì)，確定各結(jié)構(gòu)層材料選擇原則分析路表水和地下水的影響，決定水的處理措施確定材料設(shè)計(jì)參數(shù)2023/2/562ljsun@PII:基層模量的范圍設(shè)計(jì)框架2023/2/563ljsun@2023/2/564PII:基層模量的范圍瀝青層底面的拉應(yīng)變與頂部的剪應(yīng)力形成了雙向制約，以此確定基層的模量基層模量不應(yīng)偏離瀝青層模量太遠(yuǎn)瀝青層基層底基層ljsun@設(shè)計(jì)框架路面使用性能典型衰減模式3412PCIYears2023/2/565ljsun@

PIII基于性能的厚度設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)框架α,β的工程意義，與性能變化一一對(duì)應(yīng)路面結(jié)構(gòu)行為方程2023/2/566PCI

αβyrs(α,63)ljsun@設(shè)計(jì)框架2023/2/567ljsun@設(shè)計(jì)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

úú?ùêê?é-=

????è?-bayePCIPCI102023/2/568ljsun@設(shè)計(jì)框架使用年數(shù)PCI面層厚度設(shè)計(jì)框架2023/2/569ljsun@使用年數(shù)PCI彎沉設(shè)計(jì)框架2023/2/570ljsun@PCI使用年數(shù)環(huán)境因素的影響設(shè)計(jì)框架2023/2/571ljsun@改性瀝青的影響PCI設(shè)計(jì)框架2023/2/572ljsun@PCIY/aAB最低可接受水平分析期或壽命周期ABAcceptableLevelAnalysisperiodHMLPIII:全壽命費(fèi)用分析全壽命費(fèi)用分析方法2023/2/573ljsun@設(shè)計(jì)框架厚度設(shè)計(jì)諾謨圖(LevelL)瀝青層總厚度(cm)半剛性基層厚度(cm)2023/2/574ljsun@設(shè)計(jì)框架厚度設(shè)計(jì)諾謨圖(LevelM)瀝青層總厚度(cm)半剛性基層厚度(cm)2023/2/575ljsun@設(shè)計(jì)框架厚度設(shè)計(jì)諾謨圖(LevelH)瀝青層總厚度(cm)半剛性基層厚度(cm)2023/2/576ljsun@設(shè)計(jì)框架設(shè)計(jì)厚度的比較圖10-40TRRL設(shè)計(jì)曲線日累計(jì)軸次80012001600200024002800圖9-13（低標(biāo)準(zhǔn)，12年）11141617.518.519.5圖9-15（中標(biāo)準(zhǔn)，12年）1417.52021.52324.5圖9-17（高標(biāo)準(zhǔn)，12年）2023.5262829.530.5圖10-40（DBM50）25272829.53030.5圖9-16（中標(biāo)準(zhǔn)，15年）2226.529.532.535.537圖10-40（DBM）29313334.535362023/2/577ljsun@設(shè)計(jì)框架2023/2/578PIV:基于力學(xué)的材料設(shè)計(jì)和檢驗(yàn)轉(zhuǎn)換函數(shù)TF剪應(yīng)力拉應(yīng)變拉應(yīng)力壓應(yīng)變ljsun@N疲勞檢驗(yàn)抗剪切檢驗(yàn)（車轍檢驗(yàn)）設(shè)計(jì)框架為什么不采用應(yīng)力而采用應(yīng)變?yōu)r青層底面的應(yīng)力不是表征瀝青層疲勞的準(zhǔn)確指標(biāo)

設(shè)計(jì)框架2023/2/579ljsun@

連續(xù)滑動(dòng)深度（mm）應(yīng)變應(yīng)力應(yīng)變應(yīng)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路面底面為壓伸應(yīng)變：應(yīng)變優(yōu)于應(yīng)力設(shè)計(jì)框架2023/2/580ljsun@2023/2/581抗剪切檢驗(yàn)對(duì)表面層和中面層，進(jìn)行抗剪切檢驗(yàn)以控制車轍車轍瀝青混合料的抗剪切強(qiáng)度與車轍有強(qiáng)相關(guān)性，對(duì)車轍有顯著影響有必要控制瀝青混合料的抗剪切強(qiáng)度車轍深度vs抗剪強(qiáng)度抗剪強(qiáng)度芯樣高度ljsun@設(shè)計(jì)框架2023/2/582抗剪切檢驗(yàn)，車轍模型ljsun@設(shè)計(jì)框架2023/2/583ljsun@設(shè)計(jì)框架2023/2/584概念模型模型形式比較和選擇yzljsun@應(yīng)力深度剪應(yīng)力壓應(yīng)力設(shè)計(jì)框架2023/2/585Source:HuaJF,2000ConcavedeformationLp=隆起系數(shù)車轍模型ljsun@設(shè)計(jì)框架法國LCPC輪轍儀德國HWTD輪轍儀

PurWheel單輪試驗(yàn)儀美國佐治亞州輪轍儀GLWT2023/2/586ljsun@設(shè)計(jì)框架簡單剪切試驗(yàn)蠕變?cè)囼?yàn)2023/2/587ljsun@設(shè)計(jì)框架低估了路面試驗(yàn)的復(fù)雜性相似性差蠕變?cè)囼?yàn)，簡單剪切，三軸試驗(yàn)，APA等基本不能反映路面中材料的實(shí)際情況變異性大各種輪轍試驗(yàn)相似程度不高2023/2/588ljsun@設(shè)計(jì)框架單軸貫入試驗(yàn)(UPT)測定抗剪強(qiáng)度壓頭直徑：42mm試件尺寸：Φ150mm×100mm抗剪強(qiáng)度系數(shù)：0.352023/2/589ljsun@設(shè)計(jì)框架實(shí)際路面與貫入試驗(yàn)應(yīng)力分布的比較2023/2/590ljsun@設(shè)計(jì)框架變異性比較車轍試驗(yàn)20%左右貫入試驗(yàn)5%左右2023/2/591ljsun@設(shè)計(jì)框架示例13000萬次10mm0.8901.0000.70015mm0.7440.8360.58520mm0.6600.7420.519下面層中面層上面層要求的最小抗剪強(qiáng)度（MPa）允許車轍深度∑ESALs(100kN)2023/2/592ljsun@設(shè)計(jì)框架示例2N為5000萬軸次RD0（mm）設(shè)計(jì)年限（年）抗剪強(qiáng)度（MPa）綜合抗剪強(qiáng)度表面層中面層底面層15150.763①0.750.920.50②0.950.750.50③0.770.750.78100.702④0.750.770.50⑤0.780.750.502023/2/593ljsun@設(shè)計(jì)框架材料設(shè)計(jì)2023/2/594ljsun@設(shè)計(jì)框架集料對(duì)路面變形特性影響很大級(jí)配、形狀和棱角性、紋理材料設(shè)計(jì)2023/2/595ljsun@設(shè)計(jì)框架粗集料棱角性的影響2023/2/596ljsun@設(shè)計(jì)框架細(xì)集料棱角性的影響2023/2/597ljsun@設(shè)計(jì)框架瀝青的影響2023/2/598ljsun@設(shè)計(jì)框架接觸壓力的影響2023/2/599ljsun@設(shè)計(jì)框架接觸壓力的影響2023/2/5100ljsun@設(shè)計(jì)框架路面結(jié)構(gòu)行為方程力學(xué)分析，層底應(yīng)變計(jì)算r,εzNrN2023/2/5101ljsun@橋渡原理疲勞檢驗(yàn)設(shè)計(jì)框架Shanghai2023/2/5102ljsun@設(shè)計(jì)框架設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

低中

高

拉應(yīng)變壓應(yīng)變路面現(xiàn)場疲勞方程:上海示例2023/2/5103ljsun@設(shè)計(jì)框架轉(zhuǎn)換函數(shù)：從試驗(yàn)室到實(shí)際路面原路面材料的疲勞方程

實(shí)際路面的