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柔性路面結(jié)構(gòu)設(shè)計方法
一、
設(shè)計方法說明 對路面設(shè)計的最基本要求是耐久、 平整、 抗滑。
耐久是指有足夠長的使用壽命， 這要求整個路面結(jié)構(gòu)具有足夠的強度和抗變形能力。
事實上， 迄今為止所有的設(shè)計方法都是圍繞著耐久性這個核心而提出的。
平整性要求是為了 保證路面的行駛舒適性， 對高等級公路/道路， 由于車速高， 保證平整度尤為必要。
要做到路面平整， 就必須有正確的厚度設(shè)計、 正確的材料設(shè)計和正確的施工方法。抗滑是對路面表面特性的要求， 傳統(tǒng)上不屬于路面結(jié)構(gòu)設(shè)計的內(nèi)容， 主要通過表面層材料的選擇和材料的設(shè)計予以保證。
因此， 要使路面達(dá)到預(yù)期的使用性能和用戶要求的滿意度， 必須圍繞著耐久性這一個核心， 進(jìn)行精心設(shè)計何計算。
迄今為止， 我國交通部分別于 1958、 1966、 1978、 1986 和 1997 年頒布了柔性或瀝青路面設(shè)計規(guī)范， 目前廣泛使用的是 1997 年頒布的規(guī)范。
該規(guī)范使用了路表彎沉、 整體性基層底面彎拉應(yīng)力作為路面設(shè)計指標(biāo)。
理論上說， 這個規(guī)范可以設(shè)計不同基層的路面結(jié)構(gòu)， 但由于力學(xué)計算中采用了 連續(xù)體系的假設(shè)， 并且未能給出瀝青基層的明確要求； 加上當(dāng)時認(rèn)識上的誤區(qū)使得實踐中使用的幾乎全部是半剛性基層結(jié)構(gòu)， 所以我國的路面結(jié)構(gòu)十分單調(diào)。
根據(jù)分析， 97 年規(guī)范雖然采用了多指標(biāo)設(shè)計方法， 但真正起控制作用的指標(biāo)在絕大部分場合只是路面彎沉指標(biāo)， 其他指標(biāo)不起控制作用。
雖然采用現(xiàn)行規(guī)范可以驗算面層底面的彎拉指標(biāo)， 但柔性基層上瀝青路面結(jié)構(gòu)的面層底面采用的是彎拉應(yīng)力指標(biāo)。
影響彎拉應(yīng)力的因素十分復(fù)雜， 規(guī)范中考慮的比較簡單； 疲勞規(guī)律的可靠性也需要進(jìn)一步驗證。
所以， 采用規(guī)范方法設(shè)計柔性基層的重交通路面的可靠性是需要進(jìn)一步研究的。
本課題擬根據(jù)國外瀝青路面設(shè)計方法和實踐現(xiàn)狀， 以國內(nèi)外的道路實踐為基礎(chǔ)， 總結(jié)提出適用于柔性基層瀝青路面的結(jié)構(gòu)設(shè)計方法框架， 供適用時參考。
二、
結(jié)構(gòu)設(shè)計考慮 長期以來， 我國的路面結(jié)構(gòu)組合設(shè)計都是根據(jù)路面的設(shè)計和使用經(jīng)驗進(jìn)行
的， 至今沒有十分明確的設(shè)計原則， 更沒有定量的結(jié)構(gòu)組合設(shè)計方法。
由于我國以前交通量較小、 瀝青價格相對昂貴， 加之瀝青中含蠟量高， 高溫穩(wěn)定性能差， 出于節(jié)省投資和避免車轍的考慮， 一直采用“強基薄面” 的路面結(jié)構(gòu)組合設(shè)計思想。
并且， 這種設(shè)計思想一直成功地指導(dǎo)著我國的路面結(jié)構(gòu)組合設(shè)計，取得了很大的成績。
然而， 近幾年來， 隨著道路等級和車速的不斷提高、 交通量的增長、 軸載的加重， 路面損壞現(xiàn)象不論是在時間上還是在類型或原因上都與以往有所不同， 損壞期提前（初期損壞）， 損壞類型或原因增多， 產(chǎn)生的原因同以往相比也有所不同， 高速、 高溫、 多雨和重交通軸載是產(chǎn)生這些損壞現(xiàn)象的主要原因。
所以， 從設(shè)計上引入新的設(shè)計方法是必要的。
路面的損壞具有各種類型和各種形態(tài)。
一般而言， 高等級公路的路面損壞包括變形（車轍）、 開裂（疲勞開裂、 低溫開裂和反射裂縫）
等損壞類型。
過多的路面損壞即意味著路面壽命的終結(jié)， 限制和延遲這些損壞的發(fā)生是路面設(shè)計的主要任務(wù)。
通過路面使用性能的宏觀表現(xiàn)， 分析路面結(jié)構(gòu)的問題所在， 從而為路面組合設(shè)計提供進(jìn)一步的指導(dǎo)。
而且， 僅從力學(xué)角度考慮路面結(jié)構(gòu)厚度選擇，不能指導(dǎo)路面結(jié)構(gòu)組合的定量設(shè)計， 因此， 很難優(yōu)化設(shè)計路面的結(jié)構(gòu)組合。
況且， 路面設(shè)計不應(yīng)僅考慮一次修建， 僅計及初期修建費和該路面結(jié)構(gòu)的使用壽命， 而應(yīng)考慮預(yù)定分析期內(nèi)可能采用的各種維修費用和養(yǎng)護(hù)費用。
路面的過早損壞意味著路面的耐久性不足。
路面設(shè)計中所考慮的路面損壞類型， 如疲勞開裂、 車轍等都可以歸結(jié)為“疲勞” 損壞， 即結(jié)構(gòu)的彎曲疲勞和變形累積（疲勞）， 都與荷載的長期使用有關(guān)； 控制了 這些損壞的出現(xiàn)， 也就等于控制了路面的壽命。
控制這些損壞就是本方法的主要出發(fā)點。
目前的各種路面厚度設(shè)計一般考慮兩個內(nèi)容， 一是路面總厚度或總剛度的控制， 所采用的控制指標(biāo)是路基頂面的壓應(yīng)變、 路基 CBR 或彎沉等指標(biāo)； 二是面層厚度的控制， 在基于力學(xué)的設(shè)計方法中采用面層底面的彎拉疲勞應(yīng)變作為指標(biāo)控制。
這種做法可以作為建立本設(shè)計方法的借鑒。
本方法中， 關(guān)于路面結(jié)構(gòu)的定義如圖 2-1 所示。
面層：
瀝青材料， 包括表層和聯(lián)結(jié)層， 可以是 AC， AK， SMA， SAC
面層
基層
墊層
土基 圖 2-1 典型路面結(jié)構(gòu)
基層：
瀝青材料， 可以是 AC， AM
級配碎石， 級配粒料 墊層：
半剛性材料
可以這樣提， 但要從功能上明確其作用 ， 比如調(diào)整改善路床
碎礫石材料
強度， 抗凍、 排水等
孟書濤注 土基：
各類符合壓實標(biāo)準(zhǔn)的土基 瀝青層：
指所有由瀝青材料組成的層次， 可能僅指面層（當(dāng)基層為非瀝青類材料時）， 也可能指面層和基層（當(dāng)基層為瀝青類材料時）。
三、
荷載考慮 本方法仍然只考慮常規(guī)荷載的作用， 而不考慮超載的作用。
路面軸載采用單軸標(biāo)準(zhǔn)軸載表示， 標(biāo)準(zhǔn)軸載采用 10 噸， 其他荷載的作用可以換算為標(biāo)準(zhǔn)荷載的作用。
路面結(jié)構(gòu)類型選擇的關(guān)鍵在于正確估計設(shè)計交通量， 設(shè)計交通量是結(jié)構(gòu)設(shè)計期間最大車道累積等效標(biāo)準(zhǔn)軸次。
設(shè)計時首先要進(jìn)行交通荷載的調(diào)查， 以掌握準(zhǔn)確的第一手荷載資料； 調(diào)查內(nèi)容包括軸載譜、 橫向分布狀況等。
調(diào)查最好采用稱重儀進(jìn)行， 沒有條件時也可以采用目測方法進(jìn)行， 或者采用公開的觀測結(jié)果、 運輸規(guī)劃模型或查表法。
平均日等效交通量計算公式為：
ADE=∑tj×Fj 其中 tj為各種確定軸載的重復(fù)次數(shù)； Fj為不同荷載等效系數(shù)。
理想的交通量數(shù)據(jù)應(yīng)通過長期觀測得到以減少不利影響， 但這往往難以做到， 采用年均日標(biāo)準(zhǔn)軸次可對交通流各種變化予以修正， 將每車道每年總標(biāo)準(zhǔn)軸次除以 365 得到年均日 標(biāo)準(zhǔn)軸次， 無論交通量數(shù)據(jù)來自最新調(diào)查還是歷史信息，確定年均日標(biāo)準(zhǔn)軸次考慮以下修正因素：
平日與休息日的變化 異常環(huán)境與平常期的變化 季節(jié)性變化 交通量增長率考慮兩個影響因素， 即重車交通量增長； 重車荷載增長， 可按以下方法確定：
歷史增長率； 南非鄉(xiāng) 村道路交通模型。
設(shè)計者應(yīng)慎重確定增長指數(shù)， 考慮其可靠性及是否符合當(dāng)?shù)貤l件， 包括：
區(qū)域內(nèi)重車數(shù)量額外增長是否可能；
經(jīng)濟(jì)增長如何；
變更運輸模型的可能性；
政府政策影響如何（鼓勵或限制車載等）；
有多少交通量轉(zhuǎn)移至所計劃的新路；
增長率可否為負(fù)。
上述確定 AADE 的時間一般早于設(shè)計開始期， 設(shè)計初年交通量應(yīng)考慮增長系數(shù)如下：
gx=(1+i%)x
x：
確定交通量與設(shè)計開始期間年限。
故設(shè)計初年交通量由下式確定：
AADE（初）
= AADE×gx
路面設(shè)計期內(nèi)可采用不同交通量增長率， 計算設(shè)計初年 AADE 采用增長系數(shù)gx， 各個增長期的累計標(biāo)準(zhǔn)軸次計算采用增長系數(shù) fy， 最后累加得到設(shè)計期標(biāo)準(zhǔn)軸次。
四、
設(shè)計指標(biāo)
根據(jù)國外的經(jīng)驗和“瀝青路面設(shè)計指標(biāo)體系研究” 課題的建議， 采用的設(shè)計指標(biāo)為：
主要設(shè)計指標(biāo)：
瀝青層底面的彎拉應(yīng)變rε ， 路基頂面的壓應(yīng)變z ε
次要設(shè)計指標(biāo)：
整體性墊層底面的彎拉應(yīng)變trε 。
1、
瀝青層底面的彎拉應(yīng)變r ε
實際上， 瀝青層可以當(dāng)作一個整體看待。
即便瀝青層處于基層的位置， 它仍然可以和面層形成一個整體， 考慮層間連續(xù)， 此時的瀝青層包括結(jié)構(gòu)中的面層和基層部分。
若基層為非瀝青材料， 則此時的瀝青層僅指面層。
瀝青層底面的彎拉應(yīng)變指標(biāo)是各種力學(xué)-經(jīng)驗設(shè)計方法中普遍采用的指標(biāo)，該指標(biāo)的目的是保證瀝青層本身不會產(chǎn)生疲勞破壞， 以確保瀝青層的壽命不小于路面的使用壽命。
目前規(guī)范中采用限制瀝青層底面彎拉應(yīng)力作為驗算指標(biāo)， 以控制瀝青層的疲勞開裂破壞。
實際上， 重復(fù)荷載作用下瀝青面層底面的彎拉應(yīng)力取決于瀝青面層的彎曲變形量， 而后者則同瀝青層與下臥層的剛度比以及層間接觸條件有關(guān)。
在本項目 中， 采用瀝青層底面的彎拉應(yīng)變r ε 而不是彎拉應(yīng)力作為結(jié)構(gòu)的設(shè)計指標(biāo)， 而不是驗算指標(biāo)。
即做了兩個改變， 一是變驗算指標(biāo)為設(shè)計指標(biāo)， 一是變彎拉應(yīng)力指標(biāo)為彎拉應(yīng)變指標(biāo)。
2、
路基頂面的壓應(yīng)變z ε
路基頂面的壓應(yīng)變是各種力學(xué)-經(jīng)驗設(shè)計方法中普遍采用的另一個指標(biāo)， 其主要目的是控制路面的總變形量。
在我國目前的規(guī)范中， 控制總變形量的指標(biāo)是路面彎沉， 根據(jù)國外的經(jīng)驗和“瀝青路面設(shè)計指標(biāo)體系研究” 課題的分析、 建議，這里采用路基頂面的壓應(yīng)變z ε 作為控制指標(biāo)。
3、
整體性墊層底面的彎拉應(yīng)變trε
如果墊層采用半剛性材料， 則需要驗算其層底的彎拉應(yīng)變trε ， 所以這里要求驗算整體性材料底面的彎拉應(yīng)變trε 。
五、
設(shè)計指標(biāo)值
1、
指標(biāo)設(shè)計值計算—層間接觸條件 采用彈性多層體系分析計算路面結(jié)構(gòu)的應(yīng)變值。
計算條件是：
所有瀝青層----不管是面層還是基層----之間的接觸條件都假定為連續(xù)， 瀝青層與其他材料層----不管是級配碎石還是半剛性材料----之間接觸條件均假定為滑動， 以此計算路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部的應(yīng)變數(shù)值。
2、
指標(biāo)容許值計算 指標(biāo)的容許計算涉及的是材料的現(xiàn)場疲勞方程問題， 這是整個涉及方法的核心， 也是最難以確定的因素。
不同設(shè)計方法的主要區(qū)別就在于此。
本方法中采用的疲勞考慮如下。
① 瀝青層底面的彎拉應(yīng)變rε 與路面壽命之間的關(guān)系 瀝青層底面彎拉應(yīng)變與路面壽命間的關(guān)系0246810-4. 5-4-3. 5-3-2. 5-2-1. 5-1LOG（彎拉應(yīng)變）LOG（路面壽命）
上圖是根據(jù)上海地區(qū)資料導(dǎo)得的瀝青層底面彎拉應(yīng)變與路面壽命的關(guān)系， 可用下式表示：
2897. 3−51082488. 2−⋅⋅=rfNε 需要與國外比較其適用性， 根據(jù)四川和青海試驗路材料進(jìn)行室內(nèi)試驗驗證 ② 路基頂面的壓應(yīng)變z ε 與路面壽命之間的關(guān)系
路基頂面壓應(yīng)變與路面壽命的關(guān)系024681012-5-4-3-2-1LOG（路基壓應(yīng)變）LOG（路面壽命）
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十分接近。
可見本研究提出的方程是可靠的， 同時也說明， 不同國家的路面疲勞特性也是很接近的。
不過， 我國的路面疲勞壽命較長， 可能是路面設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)偏低的緣故。
各國疲勞方程的比較0246810121416-4. 5-3. 5LOG（路基壓應(yīng)變）-2. 5-1. 5LOG（路面壽命）SHELL50SHELL85SHELL95AI諾丁漢10諾丁漢20比利時澳大利亞新西蘭法國（重交）法國本研究線性 (本研究)
從上圖可以看出， 澳大利亞、 新西蘭的結(jié)果與其他國家相差較大， 其他國家的結(jié)果則比較接近。
本研究提出的疲勞方程位于其他幾個國家的中間， 尤其與比利時、 AI、 法國和 SHELL（保證率為 85%）
的結(jié)果吻合得非常好。
六、
結(jié)構(gòu)設(shè)計 對于重交通路面， 完整的瀝青層包括 3 個層次， 即表層、 聯(lián)結(jié)層和基層。
表層相當(dāng)于目前的上面層， 主要起功能性和抗車轍能力； 聯(lián)結(jié)層相當(dāng)于目 前的中面層， 主要作用應(yīng)該具有高溫性能； 而基層應(yīng)該能夠具有抵抗疲勞的能力。
對于輕交通路面， 可以采用級配碎石基層， 此時瀝青層僅包括表層和聯(lián)結(jié)層。
表層
表層是要求最高的層次， 其主要功能是：
① 在足夠長的時間內(nèi)提供平整的行駛表面；
② 在要求的時間內(nèi)提供足夠的抗滑性能。
要實現(xiàn)這些功能， 表面層必須具有足夠的耐久性， 并滿足以下要求：
① 集料具有足夠的紋理深度， 面層具有適當(dāng)?shù)臉?gòu)造深度；
② 具有很強的高溫抗變形能力；
③ 具有足夠的低溫韌性；
④ 具有足夠的強度， 具有擴(kuò)散荷載的能力， 能夠抵抗荷載的重復(fù)剪切作用和其他疲勞作用；
⑤ 具有很強的抗水作用能力。
聯(lián)結(jié)層
聯(lián)結(jié)層的主要功能是：
① 抗車轍；
② 抗低溫縮裂；
③ 抗?jié)B。
要實現(xiàn)這些功能， 中面層必須滿足以下要求：
① 具有很強的高溫抗變形能力；
② 具有足夠的低溫韌性；
③ 具有很高的強度， 以抵抗荷載的重復(fù)作用；
④ 具有很強的抗水作用能力；
⑤ 具有很強的耐久性。
基層 ① 抗疲勞；
② 抗?jié)B或排水。
要實現(xiàn)這些功能， 底面層必須滿足以下要求：
① 具有很高的強度， 以抵抗荷載的重復(fù)疲勞作用；
② 具有較強的抗水作用能力；
③ 具有足夠的耐久性。
七、
材料參數(shù)
基本采用現(xiàn)在的參數(shù)值 在進(jìn)行分析時， 目前采用的材料參數(shù)是采用路面設(shè)計規(guī)范中的數(shù)值， 即瀝青材料的模量采用 1200MPA， 路基模量范圍在 15-80MPA 之間。
瀝青基層材料的組成雖與面層有較大區(qū)別， 但起力學(xué)性能不應(yīng)有大的差別，而應(yīng)基本一致。
材料設(shè)計仍然可以采用現(xiàn)行的原則， 尤其是表層材料， 設(shè)計成抗車轍、 抗滑的材料。
級配碎石基層應(yīng)提供足夠的強度， 除滿足設(shè)計指標(biāo)要求以外， 還應(yīng)具有足夠的模量值和穩(wěn)定性， 估計應(yīng)在 600-800MPA 以上。
半剛性材料的設(shè)計可按現(xiàn)行準(zhǔn)則進(jìn)行。