沥青路面结构设计方法的简介

沥青路面结构设计方法的简介

摘要：针对沥青路面结构设计方法进行调研，重点对AASHTO沥青路面设计法、壳牌( SHELL)设计法和我国沥青路面结构设计法进行深入分析.对沥青路面结构设计方法的形成及发展、各沥青路面设计方法

的特点进行评述、

关键词：沥青路面:结构设计:AASHTO:路面力学模型

1 引言

沥青路而设计方法随着路而技术、交通状况及人们对路而破坏状态认识的变化而不断发展，经历了古典理论法、经验设计法和理论分析法三个阶段。

2沥青路面设计方法的形成及发展

从1901年美国麻省道路委员会第八次年会上提出的第一个路而设计方法的公式，至1940年的Goldbeck公式，沥青路而设计法均属于古典理论法，其特点是以土基顶而的应力大小为依据设计路而厚度。随着路而结构形式、施工技术水平、以及路而力学理论和计算手段的发展，古典理论法逐渐被淘汰。经验法和理论分析法是目前常用的路而设计方法。

经验法是建立在大量实际道路和试验路调查基础上的设计方法，典型的有AASHTO沥青路而设计法、CBR设计法等。经验法通过路而调查提出路而破坏标准、设计指标以及交通作用与设计指标的关系，以此为基础进行厚度计算。经验法建立在实践的基础上，因此在路而设计因素变化不大的情况下，经验法的设计结果比较容易接近实际要求。但是，由于经验法设计曲线或设计公式是由一定时期的路而调查得到的，随着路而结构、材料、施工养护以及交通情况的变化，其对以后路而设计的适用性往往受到限制，需要根据各种影响因素的变化不断修订，但由于其参数、指标有很大的主观性，理论基础模糊，修订工作比较困难。

随着路而力学和计算技术的发展逐渐产生了理论分析法。理论分析法典型的有壳牌(SHELL)法、美国地沥青协会(TAI)法等，我国沥青路而设计法也属于理论法的范畴。当然，沥青路而设计中任何理论分析法都不是纯理论的，都必须与路而调查、室内试验结论相结合，包含有经验法的部分成果。理论分析法的特征是通过路而力学模型计算结构层厚度，其优点是理论基础清晰，便于修订更新，缺点是路而模型对实际路而的大量简化会引起一些误差，而误差的修正系数与经验法的指标一样，是比较模糊的，带有一定的经验性。同经验法一样，理论分析法也要随着路而实践的发展而修订。

近年来，随着人们对路而破坏特性认识的深入，逐渐产生了长寿命路而的设计思想。长寿命路而的设计思路是:保证路而足够的整体强度，把病害限制在路而表层，通过定期(10 -20年)的表而修复，防比表而病害影响路而结构安全，保证路而在相当长的设计年限内不发生结构性损坏(40年以上)。以下针对国内外主流的沥青路而设计方法做介绍。

3美国AASHT093沥青路面设

计方法

3.1 AASHT093沥青路而设计方法简介

AASHT093设计方法是在20世纪50年代美国AASHTO试验路成果的基础上提出的路而设计指南。AASHTO于1961及1962年分别提出柔性路而与水泥混凝土路而的中期设计指南，1972年出版第一版《AASHTO路而中期设计指南》，经过1986年和1993年两次修改，正式推出《AASHTO 路而设计指南》(1993)，开始推广应用。

3.2 AASHT093路而设计方法的主要优点

首次将耐用性指数引进路而设计方法，而且提出不同道路等级应有不同的设计标准，使路而设计与使用要求形成密切联系。

建立了不同轴载间的等效关系，使轴载轻、重与交通量多寡对路而的作用建立了合理的关系，解决了过去设计方法中一直未能解决的交通荷载问题。

提出了路而结构数SN与加权轴载通过次数N之间关系的基本方程，此结果是AASHO方法的精华。

3.3 AASHT093路而设计方法的主要不足

缺少科学合理的材料强度指标。AASHO试验路而而层材料采用高稳定性的厂拌沥青混凝土，底基层用的是砂砾料，基层则用4种基本材料:碎石、砾石、水泥稳定砾石、沥青稳定砾石。经过研究提出结构数5、的结构层系数，后来AASHO设计委员会又推广到其他材料，提出建议值。

路面各层材料的结构层系数反映各层材料的相对强度或相对耐久性，是一个比较模糊的概念，缺少定量的研究。当各层材料本身的材质、组成及施工工艺发生变化时，材料的强度、耐久性都会发生变化时，结构层系数也应随之变化，但材料的强度或耐久性与其结构层系数之间的关系并不明确。这样，AASHTO设计法就缺少了对新材料、新工艺、新结构的适应性。

AASHT093路而设计方法是以AASHTO 试验路为基础，经过多次改进后提出的设计方法，AASHT093设计方法在交通量(ESAL)、土基强度、设计可靠度与路而结构系数之间的模型，是建立在50年代交通量及试验路所在地区气候特点基础上，存在很大的局限性，同时AASHT093设计方法对路而结构缺乏理论分析计算、缺乏对路而破损模型的预测，是一种经验性的设计方法。

近年来.AASHTO将力学分析引入经验法的设计过程，实现了经验、理论法的融合，与以前的纯经验法相比有如下优点: 1可以模拟荷载条件变化对路而的影响;

2可以对现实中实际存在和使用的材料与其将来的使用性能建立联系;

3在预测路而使用性能时能考虑材料老化的影响;

4路而结构设计性能预估与沥青混合料性能评价联系起来;

5可以预估环境因素对路而性能的影响。

4 Shell设计法

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劫度表征，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(BR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80 kN ，单轮轴载为20 kN ，双圆接地半径R -105 mm ，轮际间距315 mm 。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 ε，和控制永久变形的路基顶面的容许竖向压应变z ε。控制标准分别如下式:

式中，N f 为累计标准荷载作用次数;V bit

为结合料的体积比;S mix 为沥青的劲度模量。

可靠度为50%时，a 取0.028;可靠度为8500时，a 取0.021;可靠度为95%时，a 取0.0180

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:

式中，σ

r2

为容许弯拉应力; σ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10 mm ，普通道路不高于30 mm 。SPDM 建立了基于静态蠕变试验的车辙预估模型一沥青层厚度、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:

式中，Z 为应力分布系数;δ为轴载压应力，标准轴载80 kN 的为6×105Pa; S m-i 为i 层沥青混合料的单轴静态蠕变劲度模量;C m 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。

5美国地沥青协会AI 法

Al 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(BR (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80 kN单轴荷载为标准轴载，单圆当量圆半径为δ=11. 43 cm,两轮中心间距为3δ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

ε。

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Shell 1978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；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AASHTO 200X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。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。

6我国沥青路而设计方法

我国沥青路而设计方法是一种以理论分析为基础的设计方法，其主要是针对半刚性基层沥青路而提出的。在设计参数、路而模型等方而存在一些不足，表现为: 1路而是多层次复合结构，可以由不同的结构层组合，选择不同类型的材料组成，具有不同的应力和应变状况和相应的损坏形态，因而，路而结构设计宜采用多个单项指标，分别针对和控制相应的特定损坏类型;

2路表弯沉是一项整体性、综合性和表观性的指标，对于结构层组合和材料类型多样化的路而结构，采用路表弯沉作为主要设计指标，无法反映和包容路而结构的多样性及各种损坏类型，也难以协调平衡各单项设计指标;

3沥青而层底而或半刚性基层底而的应力状况和大小，主要随上下层的刚度比和层间接触条件而变，它们受路表弯沉大小的影响很小;因而，路表弯沉指标无法控制而层底而或基层底而的应力状况和大小;

4半刚性基层上的沥青路而，在层间接触为连续的情况下，沥青而层底而的应力处于受压状态;在层间接触为滑动的情况下，沥青而层底而的应力虽有可能处于受拉状态，但沥青而层的疲劳寿命仍大于半刚性基层，因而，沥青而层底而拉应力验算指标在设计中不会起控制作用，对于半刚性基层沥青路而结构厚度起控制作用的是半刚性基层底而的拉应力指标;

5柔性基层上沥青路而结构的而层底而拉应力验算指标，由于现行规范公式概念和推演上的不正确，须重新建立;

6路表弯沉指标的作用主要在于控制路基顶而的竖向压应变(永久变形)，但二者并不能在不同路而结构组合时完全对应，因而，不如直接采用路基顶而的竖向压应变作为设计指标。

7结语

我国目前高等级公路的路而结构型式千篇一律采用半刚性基层的沥青路而结构，但多年来的半刚性基层路而实际使用

表明，众多的半刚性基层沥青路而耐久性不满意，达不到设计年限。半刚性基层沥青路而的设计年限是以基层的疲劳寿命作为设计年限，即使半刚性基层沥青路而的使用寿命能满足设计要求，半刚J哇基层路而在使用过程中基层的强度、模量会不断衰减，而且会受干湿循环和冻融循环的影响而衰减，冻融循环10次，强度只剩下10%-20%，达到设计寿命就意味着基层需要重新修建。

高等级公路在达到设计使用年限，甚至使用寿命没有达到设计年限，就需要进行大修和重建，这将引起极大的社会负而影响，而且从建设资金投入、道路使用及建设材料逐渐减少等方而，也是不允许的。这就要求我国道路工作者，不但要确保路而的使用寿命达到设计要求，而且要尽量延长路而的使用寿命。目前国内已经开始着手进行沥青碎石基层的应用研究，部分省市已开展了长寿命沥青路而的科研课题的研究，但目前还未形成系统的研究成果和研究结论。

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