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摘 要 对几种沥青路面的设计方法进行研究,以期更加完善的沥青路面设计方法。
关键词公路;沥青路面;设计
中图分类号U416.217文献标识码A文章编号1673-9671-(2010)031-0041-01
近年来,我国公路沥青路面,特别是承受重载交通的高速公路沥青路面早期损坏严重。除施工质量和超载原因之外,设计规范的不合理也是主要因素之一。下面对几种沥青路面设计方法进行分析。
1AASHO法
现为AASHTO。该设计方法产生于1958～1962年间的AASHO道路试验,是一个产生了重大影响的设计方法。AASHO设计法第一次提出了路面现时服务能力指数PSI的概念,提出了轴载换算的概念和公式,考虑了路面的可靠度。它以使用年限末的路面服务能力指数Pt作为设计控制标准,使路面结构设计和路面使用期末的性能联系起来。这些思想对后来世界各国的设计思想产生了很大的影响。但该设计方法是依据短期试验结果得出的,试验时选用的路面材料十分有限,路基土类型少,环境因素单一。研究结果由试验时两年的加速试验外延至10-20年,未考虑环境和荷载综合作用导致的PSI损失。试验时选用的试验车队车型及轴型固定,和实际情况中的混合交通情况不一致。由于仅以SN表示路面结构,确定厚度时在考虑施工时的最小压实度和最小经济厚度的同时,还需要大量的经验,导致了结构设计结果不唯一,各层次之间存在可替换关系,难以真正保证路面的使用寿命。鉴于该设计方法的诸多不足,有了2002修订版。修订的指导思想是:采用力学-经验法,设计中引入各种力学-经验模型;主要设计参数采用多级输入;提供一套完整的设计软件。
2Shell 法
该设计方法是由英、荷壳牌石油公司研究所研究、发展和完善起来的基于力学分析的设计方法,Shell法把路面当作一种多层线弹性体, 各层材料以动态模量/劲度表征,以厚度hi、模量Ei和泊松比i表示路面特征。Shell设计法考虑了两项主要标准和两项次要标准。两项主要设计标准是沥青层底面的水平拉应变r 和路基顶面的竖向压应变z。两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。本方法设计过程简单,容易操作。在考虑温度影响时,提出了加权年平均温度概念,考虑了一年不同时期的温度对材料特性的影响程度。但本方法对路面模型作了许多假定,和实际情况有一定的差异,并且设计方法的完善需依赖于力学理论的发展,SPDM车辙预估模型无法说明使用改性沥青对减少新建路面车辙的效果。轴载的换算以等量的轮胎接触压力为基础,因此,无法解释轴载不同、构型不同而接触压力相同情况下,路面产生的车辙量不同的现象。作为理论法的典型代表,该方法没有考虑湿度(水)对路面设计的影响。
3AI 法
该设计法与Shell方法类似,也把路面看成多层弹性体系,各层材料以弹性模量和泊松比表征(沥青混合料以动态模量表征,粒料以回弹模量表征)。AI 法吸收了各国有关路面设计的重大科研成果,并加以外延,考虑了沥青混合料的粘弹性特性及粒料的非线性。当沥青层较薄(厚度为76-100mm)、交通量较小时,该方法的设计结果较为保守;当交通量较大而沥青混凝土厚度又较大时,设计结果较为接近实际。所以,该方法强调采用较厚的沥青混凝土层。
4SUPERPAVE设计法
1987年,美国启动了历时5年、投资1.5亿美元的 SHRP(StrategicHighwayResearchProgram)计划,以改善美国道路的使用性和耐久性。SHRP 计划的主要目的为:进一步研究确定影响路面使用性能的沥青混合料特性及沥青胶结料的物理化学特性;研究在基于使用性能的设计规范中所需要的试验标准和规范。SUPERPAVE的指导思想是按照路面的使用性能进行路面和材料的设计,以达到路面抗车辙、抗疲劳、抗低温的目的,并同时考虑老化、水损坏以及黏附性损失。SUPERPAVE的路面设计模型包括4个基本部分:1)材料性能模型:通过模拟一定交通和环境荷载下的室内加速试验,得到材料的非线性、粘弹性、塑性等特性。所得出的部分材料特性直接用于路面损坏预测,或用于估计其 他的材料特性。2)环境影响模型:SUPERPAVE的环境模型实际上只是指路面的温度模型。该模型有两方面的作用:一是估计路面的最高、最低温度以选择合适的结合料;另一个作用是计算路面不同深度的温度,作为混合料的试验温度。3)路面反应模型:用于计算路面各层在交通轴载作用和环境影响下的应力与应变。4)路面损坏模型:对于新建的路面有三个损坏预测模型:低温开裂,疲劳开裂和永久变形(车辙)。SUPERPAVE的路面非荷載开裂模型即低温开裂模型中,假设混合料为低温粘弹性,利用了流变力学中的一维Maxwell本构方程。低温开裂扩展模型应用Paris规则得出。对于路面的疲劳开裂和永久变形,所用的反应模型以二维非线性有限元程序为基础,并且采用四节点平面单元和轴对称分析,以减少叠代次数。SUPERPAVE分析设计体系给出了基于使用性能的路面设计方法。该方法以流变学理论为基础,应用Maxwell模型模拟材料特性。它制定了路面损坏标准,通过损坏预测模型把材料设计和路面结构设计联系起来,体现了基于使用性能的基本设计思想。与传统路面设计方法不同的是,SUPERPAVE将结构参数作为材料设计的基础,以材料设计作为路面设计的最终归宿。
Witczak M.W.等公布了对SUPERPAVE的全面评价。评价认为,SUPERPAVE的设计软件和加速路面试验中仅考虑了一种单轴构型(8.2t ESAL、单轮、平均轮压为0.56Mpa),大多数普通的车辆构型则无法应用其分析结果。方法给出了路用性能的控制标准,但未能给出疲劳裂缝扩展和车辙增长过程的模式,因而无法解释不同结构组合对损坏发展的影响。对模型的评价有如下结论:1) 非荷载模型 经过使用和评价,反应良好,但依旧存在着不足,如:采用的温度膨胀系数偏大一个数量级,且研究中假定温度膨胀系数值不随温度的变化而变化,而试验结果 却表明温度膨胀系数为温度的函数,且其变化对低温开裂的预测结果有很大的影响。材料层温度为-10℃,-20℃时计算得到的蠕变应变太小,并且过高估计了混合料的可塑性。研究结果不适用于改性沥青。2)对路面的性能预测模型研究评价认为,存在着许多不足之处,甚至存在严重的问题,需要进一步改进。3)与荷载有关的损坏预测模型中许多问题是由材料特性模型和有关的试验方法引起的。4)需要开展新的现场标定和验证以修正、改进和扩充这些模型。
除了Witczak M.W. 等指出的上述不足外,SUPERPAVE可能还存在着其他一些整体上的问题,有待进一步研究和验证。归纳起来有如下几个方面:1) SHRP指导思想是建立基于路面使用性能的方法,实际上,SUPERPAVE的主要指标和标准都仅是建立在流变学基础上的。沥青和沥青混合料的流变学指标是否反映了路面的使用性能?或者说SUPERPAVE中使用的流变学指标是否比传统的指标更恰当地反映了路面的使用性能?迄今为止这个问题并没有得到的证实。2)SUPERPAVE的结合料规范中,温度级差是 6℃,可能太大。3)在考虑环境因素时,仅考虑了温度的影响,较少考虑湿度对材料和结构特性的影响,而后者的影响可能更大。4)修正系数(转换系数)SF中考虑的因素过于简单,所考虑的因素甚至不是最主要的因素。5)沥青混合料的体积设计法对重交通或特重交通路面的适用性或优越性值得进一步研究。6)除SUPERPAVE之外,目前的路面设计实际上只是路面厚度设计。厚度设计一般考虑两个内容,一是路面总厚度的控制,所采用的控制指标是路基顶面的压应变;二是面层厚度的控制,在基于力学的设计方法中采用面层底面的弯拉疲劳应变作为指标控制。实际上,面层厚度的确定一般是按照经验进行的。
参考文献
[1]王虎盛,殷伟.长寿命沥青路面设计方法研究[J].华东公路,2009,05.
[2]胡佳佳.国外沥青路面设计方法和指标综述[J].湖南交通科技,2008,04.
关键词公路;沥青路面;设计
中图分类号U416.217文献标识码A文章编号1673-9671-(2010)031-0041-01
近年来,我国公路沥青路面,特别是承受重载交通的高速公路沥青路面早期损坏严重。除施工质量和超载原因之外,设计规范的不合理也是主要因素之一。下面对几种沥青路面设计方法进行分析。
1AASHO法
现为AASHTO。该设计方法产生于1958～1962年间的AASHO道路试验,是一个产生了重大影响的设计方法。AASHO设计法第一次提出了路面现时服务能力指数PSI的概念,提出了轴载换算的概念和公式,考虑了路面的可靠度。它以使用年限末的路面服务能力指数Pt作为设计控制标准,使路面结构设计和路面使用期末的性能联系起来。这些思想对后来世界各国的设计思想产生了很大的影响。但该设计方法是依据短期试验结果得出的,试验时选用的路面材料十分有限,路基土类型少,环境因素单一。研究结果由试验时两年的加速试验外延至10-20年,未考虑环境和荷载综合作用导致的PSI损失。试验时选用的试验车队车型及轴型固定,和实际情况中的混合交通情况不一致。由于仅以SN表示路面结构,确定厚度时在考虑施工时的最小压实度和最小经济厚度的同时,还需要大量的经验,导致了结构设计结果不唯一,各层次之间存在可替换关系,难以真正保证路面的使用寿命。鉴于该设计方法的诸多不足,有了2002修订版。修订的指导思想是:采用力学-经验法,设计中引入各种力学-经验模型;主要设计参数采用多级输入;提供一套完整的设计软件。
2Shell 法
该设计方法是由英、荷壳牌石油公司研究所研究、发展和完善起来的基于力学分析的设计方法,Shell法把路面当作一种多层线弹性体, 各层材料以动态模量/劲度表征,以厚度hi、模量Ei和泊松比i表示路面特征。Shell设计法考虑了两项主要标准和两项次要标准。两项主要设计标准是沥青层底面的水平拉应变r 和路基顶面的竖向压应变z。两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。本方法设计过程简单,容易操作。在考虑温度影响时,提出了加权年平均温度概念,考虑了一年不同时期的温度对材料特性的影响程度。但本方法对路面模型作了许多假定,和实际情况有一定的差异,并且设计方法的完善需依赖于力学理论的发展,SPDM车辙预估模型无法说明使用改性沥青对减少新建路面车辙的效果。轴载的换算以等量的轮胎接触压力为基础,因此,无法解释轴载不同、构型不同而接触压力相同情况下,路面产生的车辙量不同的现象。作为理论法的典型代表,该方法没有考虑湿度(水)对路面设计的影响。
3AI 法
该设计法与Shell方法类似,也把路面看成多层弹性体系,各层材料以弹性模量和泊松比表征(沥青混合料以动态模量表征,粒料以回弹模量表征)。AI 法吸收了各国有关路面设计的重大科研成果,并加以外延,考虑了沥青混合料的粘弹性特性及粒料的非线性。当沥青层较薄(厚度为76-100mm)、交通量较小时,该方法的设计结果较为保守;当交通量较大而沥青混凝土厚度又较大时,设计结果较为接近实际。所以,该方法强调采用较厚的沥青混凝土层。
4SUPERPAVE设计法
1987年,美国启动了历时5年、投资1.5亿美元的 SHRP(StrategicHighwayResearchProgram)计划,以改善美国道路的使用性和耐久性。SHRP 计划的主要目的为:进一步研究确定影响路面使用性能的沥青混合料特性及沥青胶结料的物理化学特性;研究在基于使用性能的设计规范中所需要的试验标准和规范。SUPERPAVE的指导思想是按照路面的使用性能进行路面和材料的设计,以达到路面抗车辙、抗疲劳、抗低温的目的,并同时考虑老化、水损坏以及黏附性损失。SUPERPAVE的路面设计模型包括4个基本部分:1)材料性能模型:通过模拟一定交通和环境荷载下的室内加速试验,得到材料的非线性、粘弹性、塑性等特性。所得出的部分材料特性直接用于路面损坏预测,或用于估计其 他的材料特性。2)环境影响模型:SUPERPAVE的环境模型实际上只是指路面的温度模型。该模型有两方面的作用:一是估计路面的最高、最低温度以选择合适的结合料;另一个作用是计算路面不同深度的温度,作为混合料的试验温度。3)路面反应模型:用于计算路面各层在交通轴载作用和环境影响下的应力与应变。4)路面损坏模型:对于新建的路面有三个损坏预测模型:低温开裂,疲劳开裂和永久变形(车辙)。SUPERPAVE的路面非荷載开裂模型即低温开裂模型中,假设混合料为低温粘弹性,利用了流变力学中的一维Maxwell本构方程。低温开裂扩展模型应用Paris规则得出。对于路面的疲劳开裂和永久变形,所用的反应模型以二维非线性有限元程序为基础,并且采用四节点平面单元和轴对称分析,以减少叠代次数。SUPERPAVE分析设计体系给出了基于使用性能的路面设计方法。该方法以流变学理论为基础,应用Maxwell模型模拟材料特性。它制定了路面损坏标准,通过损坏预测模型把材料设计和路面结构设计联系起来,体现了基于使用性能的基本设计思想。与传统路面设计方法不同的是,SUPERPAVE将结构参数作为材料设计的基础,以材料设计作为路面设计的最终归宿。
Witczak M.W.等公布了对SUPERPAVE的全面评价。评价认为,SUPERPAVE的设计软件和加速路面试验中仅考虑了一种单轴构型(8.2t ESAL、单轮、平均轮压为0.56Mpa),大多数普通的车辆构型则无法应用其分析结果。方法给出了路用性能的控制标准,但未能给出疲劳裂缝扩展和车辙增长过程的模式,因而无法解释不同结构组合对损坏发展的影响。对模型的评价有如下结论:1) 非荷载模型 经过使用和评价,反应良好,但依旧存在着不足,如:采用的温度膨胀系数偏大一个数量级,且研究中假定温度膨胀系数值不随温度的变化而变化,而试验结果 却表明温度膨胀系数为温度的函数,且其变化对低温开裂的预测结果有很大的影响。材料层温度为-10℃,-20℃时计算得到的蠕变应变太小,并且过高估计了混合料的可塑性。研究结果不适用于改性沥青。2)对路面的性能预测模型研究评价认为,存在着许多不足之处,甚至存在严重的问题,需要进一步改进。3)与荷载有关的损坏预测模型中许多问题是由材料特性模型和有关的试验方法引起的。4)需要开展新的现场标定和验证以修正、改进和扩充这些模型。
除了Witczak M.W. 等指出的上述不足外,SUPERPAVE可能还存在着其他一些整体上的问题,有待进一步研究和验证。归纳起来有如下几个方面:1) SHRP指导思想是建立基于路面使用性能的方法,实际上,SUPERPAVE的主要指标和标准都仅是建立在流变学基础上的。沥青和沥青混合料的流变学指标是否反映了路面的使用性能?或者说SUPERPAVE中使用的流变学指标是否比传统的指标更恰当地反映了路面的使用性能?迄今为止这个问题并没有得到的证实。2)SUPERPAVE的结合料规范中,温度级差是 6℃,可能太大。3)在考虑环境因素时,仅考虑了温度的影响,较少考虑湿度对材料和结构特性的影响,而后者的影响可能更大。4)修正系数(转换系数)SF中考虑的因素过于简单,所考虑的因素甚至不是最主要的因素。5)沥青混合料的体积设计法对重交通或特重交通路面的适用性或优越性值得进一步研究。6)除SUPERPAVE之外,目前的路面设计实际上只是路面厚度设计。厚度设计一般考虑两个内容,一是路面总厚度的控制,所采用的控制指标是路基顶面的压应变;二是面层厚度的控制,在基于力学的设计方法中采用面层底面的弯拉疲劳应变作为指标控制。实际上,面层厚度的确定一般是按照经验进行的。
参考文献
[1]王虎盛,殷伟.长寿命沥青路面设计方法研究[J].华东公路,2009,05.
[2]胡佳佳.国外沥青路面设计方法和指标综述[J].湖南交通科技,2008,04.