长寿命沥青路面结构及其设计方法研究(1)

全柔式长寿命沥青路面结构及其设计方法研究张起森教授/博导张起森教授/博导主要研究内容概述设计指标与标准结构应力分析及其层位划分结构组合设计材料组合设计可靠度设计方法及其优化设计方法验证性分析结论张起森教授/博导我国沥青路面现状–建设速度快–半刚性基层沥青路面成为主要型式，基层强度达3MPa以上–沥青层较薄，普遍采用沥青面层三层总厚度为15cm－18cm的结构–实际使用寿命偏短，达不到设计寿命–维修养护成本高※路面耐久性差、使用寿命短的问题已成为阻碍我国道路建设发展的主要问题之一。张起森教授/博导我国沥青路面结构设计方法设计理论–采用层状体系理论，以设计年限内的换算当量轴载作为交通量指标，按照路面损伤等效原理确定容许弯沉和破坏应力，利用疲劳破坏的模式设计结构层厚度。设计理念–假定一个沥青层厚度，以基层作为承重层设计其厚度。张起森教授/博导现设计方法存在的问题设计观念–路面设计使用寿命与道路分析年限等同–以基层作为承重层设计其厚度设计方法或体系–设计模型单一–设计指标单一–对其它路面结构型式的限制–路面材料设计参数与实际路用性能缺乏关联性张起森教授/博导长寿命沥青路面(LLAP)只需定期更换路面表层(把破坏限制在路面上层)，而不需进行结构性修复或重建，且使用寿命大于40年的沥青路面。–Full-depthasphaltpavement（全厚式路面）–Deepstrengthasphaltpavement（高强度路面）–Long-lifeasphaltpavement（长寿命路面）张起森教授/博导LLAP产生背景道路荷载不断增加–交通量增长–重载车比例增加，轮胎压力提高路面提前破坏，大修影响交通已建道路中，部分使用寿命较长张起森教授/博导国外LLAP研究现状–20世纪以来，长寿命路面成为世界各国沥青路面最为热门的研究内容，在美国、欧洲、加拿大、澳大利亚甚至南非都在广泛研究。–LLAP是国际道路工程界提出的一项新技术，代表了国外高等级公路路面结构选择和设计的新趋势，具有一定的合理性，在国外已经有一定的研究与实践。–国外各国研究的设计方法和指标等并未统一，且大部分研究工作还处于进展阶段，有待进一步深入研究。张起森教授/博导目前LLAP结构类型柔性基层式（全厚式、粒料基层式）半刚性基层式刚性基层式罩面式（复合基层式）其中绝大多数采用柔性基层式张起森教授/博导半刚性基层式37mm浇注沥青砼面层150mm稳定底基层路基1977年德国A5高速公路沥青砼面层半刚性基层路基路面结构模型200mm浇注沥青砼面层张起森教授/博导柔性基层式－粒料类35mm浇注沥青砼面层265mm浇注沥青砼基层150mm级配砂砾路基德国汉堡高速公路(1937)沥青砼面层柔性基层路基路面结构模型防冻层张起森教授/博导柔性基层式－全厚式40mm排水沥青砼面层220mm浇注沥青砼面层路基法国巴黎Peripherique道路沥青砼面层柔性基层路基路面结构模型张起森教授/博导刚性基层式38mm浇注沥青砼68mm粗粒式沥青砼63mm热压式沥青砼路基英国高速公路M6沥青砼面层刚性基层路基路面结构模型190mm贫热混凝土200mm级配砂砾张起森教授/博导罩面式（复合基层式）25mm排水沥青砼面层200mm浇注沥青砼面层路基美国洛杉矶I-710道路沥青砼面层A原路面结构层路基路面结构模型原200mmPCC路面结构组合张起森教授/博导国外LLAP研究现状长寿命路面结构类型并不单一，其共同点为均采用厚沥青混凝土面层；目前最为广泛的长寿命路面结构模型为：厚沥青层＋柔性基层＋良好路面基础；长寿命路面结构适合任何等级道路。张起森教授/博导国内研究现状对LLAP的研究还处于引进和消化阶段部分省市还修建了LLAP的试验路段2005年由沙庆林院士主持的“重载交通LLAP关键技术研究”立项LLAP结构试验路段代表性有:–广深高速公路路面结构–山东滨州长寿命路面试验路张起森教授/博导广深高速公路路面结构张起森教授/博导山东滨州长寿命路面结构石灰稳定土石灰稳定土石灰稳定土普通路基HMA底层用改性沥青深度in张起森教授/博导研究主体选择研究主体：全柔式长寿命沥青路面结构（FullFlexible-LongLifeAsphaltPavement,FF-LLAP）定义：柔性基层、底基层的LLAP结构。理由：–目前国际上应用最为广泛的LLAP结构模型–具有大量的实践经验–丰富我国路面结构型式张起森教授/博导主要研究内容FF-LLAP结构设计指标与标准结构组合设计结构设计方法验证材料组合设计结构可靠度设计结构应力分析及其结构层位划分张起森教授/博导主要研究方法分析理论：–线弹性多层体系理论–正交设计理论–可靠度设计理论数据来源：–前人研究数据–室内外试验数据–力学计算数据相关软件应用–BISAR3.0–ORIGN7.0–SPASS13–ANSYS10.0张起森教授/博导主要研究内容概述设计指标与标准结构应力分析及其层位划分结构组合设计材料组合设计可靠度设计方法及其优化设计方法验证性分析结论张起森教授/博导国内外结构与设计指标国内p厚沥青层20cm底基层路基限制弯拉应变60～70με限制压应变200με（根据需要设置）国外p沥青层基层路基限制各沥青层底弯拉应力σr限制各半刚性层底弯拉应力σr限制路表弯沉lr张起森教授/博导国内外设计指标对比国内路表开裂指标–弯拉应力刚度指标–路表弯沉国外路表开裂指标–弯拉应变刚度指标–土基顶面压应变张起森教授/博导FF-LLAP设计指标确定原则针对性强：各设计指标应能够明确控制路面的主要损坏类型可操作性强：各设计指标应该能通过试验进行测试全面合理：设计指标对主要损坏类型的控制不顾此失彼张起森教授/博导FF-LLAP设计指标开裂指标–弯拉应变永久变形指标–路表弯沉综合指标–沥青层剪应力设计轴载轮压–100kN、0.7MPa疲劳极限累计轴载作用次数–500百万次张起森教授/博导极限弯拉应变存在性国际零散的研究综合表明：–疲劳极限存在的可能性较大–现有研究对HMA疲劳极限值给出不一致论证方法–低应变的室内疲劳试验分析–LTPP数据库中相关使用性能数据分析张起森教授/博导低应变的室内疲劳试验张起森教授/博导测试结果试件编号空隙率/％初始模量/MPa应变/με荷载作用次数/次初始模量降低50%时荷载作用次数/次平均荷载作用次数/次16.6517580060006000637726.846868007130713037.445228006000600046.8515340024622024622025213657.0523940057000267808167.0586840024238024238076.6517520026029000260290002044592287.264352001293000014537186297.462402002077158020771580106.74519170347245003472450066942707116.85645170600000009.92E+073126.76602100500000003.64E+1231.14E+13137.45059100500000001.92E+133张起森教授/博导疲劳极限预估方法幂模型对数模型指数模型Weibull函数模型预估值试件7试件9400万次1000万次400万次1000万次实测26029000260290002077158020771580指数模型60120551365787049355889876585对数模型25381147022826296906583900279317265901幂模型380482893253431243954441927274591780688228Weibull函数33078629559244601441463719080795张起森教授/博导LTPP数据测试断面从LTPP项目厚HMA层数据库中随机选择，进行存活性分析。张起森教授/博导研究结论室内疲劳试验和LTPP数据研究表明：–HMA具有疲劳极限的特征；–疲劳极限随HMA类型不同而改变；–HMA疲劳极限确定应进行低应变疲劳试验确定；对数模型较适合预估疲劳寿命低于50百万次的情况；Weibull函数最适合预估疲劳寿命接近或大于50百万次以及试验应变高于疲劳极限的情况。张起森教授/博导极限弯沉确定方法提出依据：–国外全厚式沥青路面弯沉标准–国内弯沉计算形式计算方法：2.0552edNl30.00096.0750ENlel实际理论500百万次累计轴载，土基模量45Mpa时Ld=10.1(0.01mm);ll=35.0(0.01mm)张起森教授/博导剪应力分布规律a)路面结构分析模型图b)平面计算点位分布图图2-15路面结分析模型与计算点位分布图张起森教授/博导剪应力分布规律7.f=0.5,H1=188.f=0.5,H1=279.f=0.5,H1=331.f=0.1,H1=182.f=0.1,H1=273.f=0.1,H1=334.f=0.3,H1=185.f=0.3,H1=276.f=0.3,H1=33张起森教授/博导路面结构参数与剪应力0.240.260.280.300.320.342001000180026003400面层模量/MPa最大剪应力/MPa张起森教授/博导剪应力分布规律小结最大剪应力均出现在距路表3cm深度以内，变化主要在10cm深度以内；水平力系数的大小决定最大剪应力值与位置；面层、基层模量与面层泊松比在规范规定的范围内时，对剪应力值影响较大，对其出现的位置没有明显影响。张起森教授/博导HMA路面剪应力路面结构层位沥青层厚度cm18(常用)21(常用)25(长寿命)38(长寿命)18(最不利)21(最不利)编号123456水平力系数f最大剪应力MPa上面层0-4cm0.10.1360.1290.2140.2130.3750.3260.30.2140.2140.3020.3010.4700.4130.50.3560.3570.4590.4580.5790.518中面层4-10cm0.10.1300.1180.2020.2020.2560.2380.30.1630.1580.1790.1790.3020.2820.50.2040.2000.1690.1690.3480.327下面层10cm-0.10.1260.1240.1510.1520.2010.1880.30.1480.1460.1320.1340.2180.2070.50.1700.1670.1150.1160.2350.226注：长寿命路面：沥青层低弯拉应变65με，基层顶压应变200με最不利：国内高等级公路常用的和参数范围内最不利组合进行计算常用结构为：18cm(21)HMA(E1=1500,V1=0.25)+36cm基层(E2=1000,v2=0.30)+土基(E0=45,v0=0.35)张起森教授/博导HMA抗剪强度同济大学林绣贤教授和孙立军教授对抗剪强度进行了较为系统的研究，其研究结论见下表：混合料类型抗剪强度范围MPa（60℃）混合料类型抗剪强度范围MPa（60℃）混合料类型抗剪强度范围MPa（60℃）1AC-130.2591AC-160.3131SMA-130.1892AC-130.3562AC-160.5342SMA-130.5673AC-130.4913AC-160.6793SMA-130.877张起森教授/博导抗剪强度研究小结对高等级公路三层沥青路面结构，应对上面层和中面层进行剪应力验算；可采用贯入法测定HMA抗剪强度；（三轴剪切试验）且验算时需找到准确的计算点位才能计算出各层内最大剪应力。张起森教授/博导FF-LLAP主要研究内容概述设计指标与标准结构应力分析及其层位划分结构组合设计材料组合设计可靠度设计方法及其优化设计方法验证性分