我国沥青路面的设计标准

1. 1 了解我国沥青路面设计方法的历程，理解弯沉与设计极限状态的基本概念与我国沥青路面设计的两个基本方程的含义； 2 理解与掌握设计弯沉、允许弯拉应力、结构强度系数的基本概念？了解这三项指标的确定方法。 3 弯沉与弯拉应力计算点位、计算方法？ 4 了解轴载换算、结构厚度等效换算及计算参数的确定，掌握路面设计程序与方法。 我国沥青路面的设计标准

2. 1 我国沥青路面结构设计方法发展历史回顾 路面设计规范（草案）(1958)-交通部公路总局 公路路面设计规范(1966)-交通部 公路柔性路面设计规范(1978)-交通部公路局 公路柔性路面设计规范(JTJ 014-86)-交通部 公路沥青路面设计规范(JTJ 014-97)-交通部 公路沥青路面设计规范(JTG D50-2006)-交通部 2 2

3. 1 我国沥青路面结构设计方法发展历史回顾 58版《路面设计规范（草案）》 设计理论:单圆均布荷载作用下弹性半空间理论解 设计指标:相对弯沉 设计标准:设计模量综合模量Ee 3 3

4. 1 我国沥青路面结构设计方法发展历史回顾 66版《公路路面设计规范》 设计理论、设计指标和设计标准均未变化； 调整了 值和安全系数的计算公式 4 4

5. 1 我国沥青路面结构设计方法发展历史回顾 78版《公路柔性路面设计规范》 设计理论:双圆垂直均布荷载作用下双层弹性体系理论 设计指标:双轮轮隙中心路表容许弯沉 设计标准:实际弯沉 A1为路面类型系数 用弯沉作设计指标，提出了容许弯沉的概念 5 5

6. 1 我国沥青路面结构设计方法发展历史回顾 78版《公路柔性路面设计规范》 轴载换算方法—疲劳等效原则 多层体系换算为双层体系的方法——弯沉等效 提出了公路自然区划 初步建立了我国柔性路面设计体系 6 6

7. 路表弯沉--路面结构设计的第一个指标 • 定义：路面结构受到荷载作用时产生的路表凹陷量（沉陷量或称垂直位移）称弯沉。 • 注意：设计时用的是回弹弯沉，即加载时总弯沉 ，减掉卸载后的弯沉 ，称回弹弯沉 ， 简称弯沉。 弯沉盆

8. 允许弯沉LR allowable deformation） • 定义：路面在使用期末的不利季节，在设计标准轴载作用下，容许出现的最大回弹弯沉值称允许弯沉 LR。 • 这是72年交通部组织弯沉调查时提出来的。对于不同的路面结构，达到相同程度的破坏状态，所承受的标准轴载累计作用次数Ne与相对应的回弹弯沉是不同的。

9. 路表回弹弯沉是路面结构层与路基回弹变形之和，它与路基顶面压应变有密切关系，且路基变形占总变形的量约>90%。路表回弹弯沉是路面结构层与路基回弹变形之和，它与路基顶面压应变有密切关系，且路基变形占总变形的量约>90%。 所以：路表回弹弯沉指标反映了结构综合刚度。 • 在一次轮载作用下，弯沉越大且弯沉盆越陡深的疲劳寿命（Fatigue Life）越短； 弯沉越小的且弯沉盆越宽缓的疲劳寿命（Fatigue Life）越长。 弯沉值标准(容许弯沉)状态：以路面在车辆荷载反复作用下出现纵向裂缝为临界状态，以纵向网裂为破坏状态。所以，弯沉值主要反映车辆荷载作用下路面结构整体、包括结构层部分应力与抗力对比失衡状态的表观特征。 • 以弯沉值作为设计控制指标的一个优点是便于直接量测。因此我国沥青路面设计方法较长时间都以路表弯沉作为设计控制指标。

10. 我国的弯沉测试（deflection testing）采用Bzz-100标准轴载，使用按前进卸荷法则定。 贝克曼梁弯沉仪

11. 落锤式弯沉仪（FWD） 落锤式弯沉仪测弯沉示意图

12. 1 我国沥青路面结构设计方法发展历史回顾 86版《公路柔性路面设计规范》 设计理论:双圆垂直均布荷载作用下三层弹性体系理论 设计指标:双轮轮隙中心路表容许弯沉值 设计标准:实际弯沉 验算指标:容许拉应力 考虑了不同的层间接触状态 建立了多层体系换算为三层体系的方法 12

13. 以弯拉应力作为控制结构层疲劳开裂的验算指标以弯拉应力作为控制结构层疲劳开裂的验算指标 路面疲劳开裂由下而上发生、发展，它的外观特征是先发生纵向开裂再逐步发展成纵向网裂、龟裂破坏。 • 沥青路面在车轮反复多次作用下，沥青面层和刚性、半刚性基层的层底拉应力超过极限，形成初始裂缝并逐步扩展至断裂的过程，属疲劳断裂损伤。 • 通过大量路面试验，环道试验和小梁疲劳试验后表明，承受一次加载断裂的极限弯拉应力与受多次加载后达到同样断裂所施加的疲劳应力之间的比值与加载的次数之间存在如下相关关系：

14. ——路面结构材料的极限抗拉强度（Mpa）由实验按标准方法测得； ——路面结构材料的允许拉应力，即该材料能承受设计年限内加载的疲劳弯拉应力（Mpa）； ——抗拉结构强度系数。

15. 允许拉应力与结构强度系数的概念 • 允许拉应力 的概念：指路面结构在行车荷载重复作用下达到疲劳临界状态时结构层容许的最大拉应力。 • 反映结构层强度随累计当量轴次Ne作用次数衰减的指标可用结构强度系数Ks来表示。 • 结构强度系数Ks的定义式： • 沥青类面层或整体性基层材料的极限抗弯拉强度 与允许疲劳强度之比值定义为结构强度系数。

16. 86规范存在的不足 • 三层体系与实际路面结构不符，层间滑动假设与实际状态不符、作为设计控制指标的容许弯沉不起控制作用； • 原设计标准相对大量采用的半刚性基层沥青路面结构而言明显偏低； • 设计参数与设计状态相矛盾，无法进行竣工验收； • 三参数补强设计经验方法与改扩建工程的实际不符； • 提出弯沉综合修正系数的前提条件发生了变化。 16 16

17. 1 我国沥青路面结构设计方法发展历史回顾 97版《公路沥青路面设计规范》 设计理论:双圆垂直均布荷载下多层弹性连续体系理论 设计指标:双轮轮隙中心路表设计弯沉值 设计标准:实际弯沉 ——修正了综合弯沉修正系数 验算指标:容许拉应力 重新建立了沥青面层和半刚性基层的轴载换算方法 建立以弹性层状体系理论为基础的补强设计方法 17

18. 1 我国沥青路面结构设计方法发展历史回顾 2006版《公路沥青路面设计规范》 设计理论、设计指标和设计标准均未变化 （基层类型系数采用插值技术取值） 调整了材料参数的取值方法和推荐值 我国已经颁布6部规范一直沿用了路表弯沉的设计指标，原因是该指标反映了结构综合刚度，具有可检测性。 18

19. 设计弯沉值的概念与得出 • 我国现行《公路沥青路面设计规范》（JTG D50-2006）将路面竣工后第1年的不利季节取为设计状态，根据弯沉变化规律和容许弯沉值调查结果，可得设计弯沉 计算公式： ---为设计年限内的累计当量轴次； --- （gradation）为公路等级系数； --- （surface courses）为面层类型系数； --- （base courses）为基层类型系数。 • 设计弯沉定义 ：根据设计年限内一个车道上预测通过的累计当量轴次，公路等级，面层类型而确定的路面弯沉设计值。

20. 设计弯沉是路面竣工验收时应该达到的弯沉标准。根据相对弯沉变化系数 的定义，将 取值为 ，由此便可得到路面使用期内任一年的弯沉评价标准

21. 2 我国现行设计标准的得出—97设计规范的设计指标与标准的得出 路况状况分级（好、中、差）—测弯沉三类布点—确定允许弯沉的极限状态—数据温度与季节修正—弯沉临界状态方程回归—方程超载、面层类型、基层类型、道路等级修正—分析弯沉随年限的变化，定义弯沉相对系数（相对弯沉）AT——AT=LO/LR—取LO=LD，并取 AT=1.2得到设计弯沉LD和设计状态

22. 2 我国现行设计标准的得出—97设计规范的设计指标与标准的得出 以容许弯沉为指标的设计标准的提出 （1）容许弯沉的调查——92-93年不利季节实测 • 分别调查了吉林、山东、山西、四川、湖南、湖北、西藏、江西、黑龙江、天津、上海九省两市计60多个路段两万多个测点弯沉调查。 • 调查路段大多为使用了三年以上未经罩面，并开始出现局部结构性破坏的高速公路、一级公路、二级公路的半刚性基层沥青路面。 22 22

23. 以容许弯沉为指标的设计标准的提出 （2）调查路段的分类 23 23

24. 以容许弯沉为指标的设计标准的提出 （3）测点的分类 24

25. 以容许弯沉为指标的设计标准的提出 （4）极限标准的选择(极限状态设计法与极限强度设计法) 开始破损状与完全破损状态之间的中间状态为极限状态，并以此作为决定容许弯沉的依据。 纵向开裂 25 25

26. 以容许弯沉为指标的设计标准的提出 （5）数据处理 • 若路段只有I 类点,表明路段尚未破坏,不纳入统计； • 若路段只有III类点,表明路段完全破坏,不纳入统计； • I类路段剔除III类点： • III类路段剔除I类点： • II类路段： 26

27. 以容许弯沉为指标的设计标准的提出 （6）数据修正 • 季节修正和温度修正 • 结构类型和公路等级修正 27

28. 以容许弯沉为指标的设计标准的提出 （7）容许弯沉的回归 • 统一换算为标准状态：不利季节，轴载100KN、路面标准温度为20℃、一级公路沥青混凝土路面。 半刚性基层沥青路面： 28

29. 以容许弯沉为指标的设计标准的提出 （8）柔性基层沥青路面弯沉的验证 29

30. 以容许弯沉为指标的设计标准的提出 （9）超载因素影响考虑 考虑当时我国公路上各类车辆普遍超载的现象，通过交通资料计算所得的累计标准轴次少于实际累计标准轴次，将容许弯沉曲线向右平移一段距离，及公式右端乘以1.1，且将回归方程指数调整为0.2，得到： :公路等级系数， :面层结构系数 :基层类型系数 30

31. 以容许弯沉为指标的设计标准的提出 （10）容许弯沉的各类修正系数 31

32. 97设计规范的设计指标与标准 以设计弯沉为指标的设计标准的提出 (1)以容许弯沉为设计状态所存在的主要问题 • 路面的计算弯沉值与容许弯沉值处于不同的工作状态 ——容许弯沉值对应路面损伤至极限状态时的弯沉值， 而计算弯沉值为路面无损伤状态时的弯沉值。 • 对路面竣工后是否满足设计要求无法进行检验 • 极限强度设计法和极限状态设计法概念混淆。 • 设计状态的概念：将竣工后第一年的不利季节近似确定为路面整体结构的最大刚度状态，取作设计状态。 32

33. 97设计规范的设计指标与标准 以设计弯沉为指标的设计标准的提出 (2)半刚性基层沥青路面弯沉变化资料的收集与处理 • 共收集32个路段(1条高速公路、 19条一级公路和12条二级公路)历年路表弯沉值，进行弯沉变化规律的研究。 • 为排除复杂因素的影响，提出了相对弯沉（相对弯沉系数）的概念，相对弯沉值等于某一时段实测弯沉值与竣工验收弯沉值之比。 AT=LT/L0 • 所有弯沉值同时换算为不利季节、温度20℃条件下的弯沉值。 33

34. (3)半刚性基层沥青路面弯沉变化规律 • 1995年完成的沥青路面设计指标与参数研究课题，汇总了国内31段试验路和实体工程4-8年的跟踪观测数据，分析得到描述弯沉逐年变化规律的函数：

35. 在路面竣工后第1个不利季节取T值为1，以后各年依次类推。设沥青路面设计年限为15a，通过上式计算各年的 列于表2。

36. 确定AT取值： 利用山西的西三、山东的淄州、寿光、上海的沪嘉、随州等31段试验路和生产路长期跟踪观测数据，观测时间以四~六年居多，且结构以半刚性基层沥青路面为主，点绘弯沉变化规律图，并定义相对弯沉系数AT为以后各年的弯沉 与竣工后第一年的路表弯沉 的比 值 ， ，计算AT随年份的变化。

37. 半刚性沥青路面路表弯沉的变化分三个阶段，1-2年弯沉减小阶段，第2年达到最小值；2-4年弯沉快速增大阶段，这一阶段易出现早期破坏；4年以后进入结构疲劳破坏的稳定发展阶段，直到破坏。半刚性沥青路面路表弯沉的变化分三个阶段，1-2年弯沉减小阶段，第2年达到最小值；2-4年弯沉快速增大阶段，这一阶段易出现早期破坏；4年以后进入结构疲劳破坏的稳定发展阶段，直到破坏。

38. AT反映了路面结构在运营期的弯沉变化。将实测弯沉AT曲线（各年份的均值点曲线）点汇在拟合曲线图上，由拟合AT曲线函数f(T)与实测各均值点之间的曲线相对偏差仅2%，非常吻合。AT反映了路面结构在运营期的弯沉变化。将实测弯沉AT曲线（各年份的均值点曲线）点汇在拟合曲线图上，由拟合AT曲线函数f(T)与实测各均值点之间的曲线相对偏差仅2%，非常吻合。 • f(1)=1.0,f(2)=0.877,f(3)=0.981,f(4)=1.180,f(5)=1.274,因路龄以4-6年为多，取T=4得： 相对弯沉变化系数的逐年变化表

39. 确定设计弯沉 ： 因 年 最小，此期间路面整体结构处于最大刚度状态。为使设计指标与材料参数龄期取值相一致，测参数时，半刚性基层养生时间最长的设计龄期是6个月，竣工通车一般在9-10月初，正好接近于路面竣工第一年的不利季节3-4月份，实测统计也得到竣工后第一年不利季节测得的弯沉值与最大刚度状态所对应的弯沉值比较接近，因此将竣工后第一年的不利季节近似确定为路面整体结构的最大刚度状态，取作设计状态。

40. 而AT获得是取自4~6年的路龄， • 再考虑基层类型（半刚性基层取1，柔性基层取1.6） 单位为0.01mm。-这就是目前的设计标准。

41. 97设计规范的设计指标与标准 以设计弯沉为指标的设计标准的提出 (4)以设计弯沉为控制指标的设计弯沉计算公式 相对弯沉变化系数的逐年变化表 设计弯沉值： 其中， 为基层类型系数，对半刚性基层取1，对柔性基层取1.6 41

42. 97设计规范的设计指标与标准 弯沉综合修正系数：路表实测弯沉与理论计算弯沉的比值F=Ls/L理 • 收集了七段试验路49种路面结构，根据七条试验路的相关资料，进行了理论弯沉和实测弯沉的回归，得到弯沉综合修正系数的回归方程： ——土基回弹模量对设计厚度影响不大 • 按 重新进行回归，得到： • 14个省市、48条公路、71种路面结构的验算表明：所提出的弯沉综合修正系数是合理的。 42

43. 97设计规范的设计指标与标准 轴载换算方法 • 97规范中设计弯沉计算与沥青层层底拉应力验算时，轴载换算公式为： ——式中指数按疲劳等效原则，由沥青混合料疲劳方程得到 • 半刚性基层层底拉应力验算时，轴载换算公式为： ——式中指数按疲劳等效原则，由半刚性基层材料疲劳方程得到 43

44. 97设计规范的设计指标与标准 强度结构系数 • 沥青面层抗拉强度结构系数为： ——式中指数由沥青混合料疲劳方程得到 • 稳定粒料类和稳定土类基层的抗拉强度结构系数分别为： ——式中指数由21组疲劳试验和重庆环道疲劳试验结果回归得到 44

45. 2006年的规范—现行设计指标体系的不足 1 设计方法与97年未有改变，设计计算时模量参数强调了结构层弯拉组合的不利状态。 2 强调了材料设计 现行规范存在的问题： (1)沥青路面结构破坏原因缺乏统一的认识。 (2)沥青混合料破坏强度理论缺乏深入认识。 (3)在现行沥青路面结构设计和轴载换算中尚未考虑混合料疲劳损伤的非线性效应。 45 45

46. 现行设计指标体系的不足 (4)剪切破坏是沥青路面一种主要破坏形式，但现行规范设计指标和验算指标却未加以考虑。 (5)路面实际受力状态和材料试验加载模式的不一致。 (6)设计规范修订的周期过长，与我国高速公路的发展现状存在一定的不相适应。 (7)综合弯沉修正系数F存在明显不足。 46 46

47. 损坏机制荷载分布测定 各花纹条走 向压力分布 810kpa/1328kg 810kpa/2500kg 810kpa/5000kg 接地面中心点处 横断面压力分布 810kpa/2500kg 810kpa/1328kg 810kpa/5000kg 典型测试结果：11.00-20走向花纹轮胎接地压力分布实测

48. 几个重要概念： ----路面结构性能 ----路表弯沉 ----允许弯沉 ----相对弯沉变化系数 ----设计弯沉LD

49. 路面结构性能 定义： 路面结构抵抗外部重复荷载及环境因素作用，保持自身状况完好的程度称为路面结构性能。 路面结构承载能力是路面服务性能的基础，它与路面破损、平整度、稳定性和耐久性等方面存在着内部联系。