孫立軍教授，長江學者同濟大學交通運輸工程學院重交通瀝青路面設計的新理念和新方法國內外背景損壞特征重載下的受力特點一體化設計框架設計小結結束語國內外背景半剛性基層瀝青路面瀝青層厚度1980年代：12cm1990年代中后期之前：15cm1990年代中后期-2005年前后：18cm之后：18－26cm～30cm2023/2/52ljsun@瀝青國產瀝青~進口瀝青~優(yōu)質瀝青改性瀝青70年代末-90年代初：研發(fā)階段90年代初-90年代末：推廣應階段90年代末-今：大規(guī)模應用階段2002年后：從單層改性到雙層改性國內外背景2023/2/53ljsun@

瀝青混合料1990年代初：LH1990年代中期：AK混合料1990年代后期：Superpave,SMA試用階段2000年后：SMA，Superpave大量使用，Bailey法目前：SMA，AC-C（Superpave

），AC-F，SAC，Bailey法，大粒徑折斷型級配國內外背景2023/2/54ljsun@進口瀝青改性瀝青雙層改性LH,AKSuper,SMASuper,SMA,Bailey,提高壓實功國內外背景2023/2/55ljsun@國內外背景目前的方法AASHTO方法SHELL方法AI方法SUPERPAVE方法法國方法比利時方法澳大利亞方法AASHTO2002我國方法損壞認識與設計考慮形成于60、70、80、90年代疲勞開裂、車轍和低溫開裂是主要損壞形式疲勞開裂首先產生于瀝青層底面，并向上發(fā)展路基變形是車轍產生的主要原因設計指標：PSI、、l2023/2/56ljsun@國內外背景力學法N<Nf厚度設計方法，材料設計另外考慮來自力學分析2023/2/57ljsun@國內外背景Superpave方法N<Nf結構分析作為輸入，材料設計作為歸宿Nf=SF*Nf’(T,)來自室內試驗2023/2/58ljsun@國內外背景ME（AASHTO2002）方法自下而上、自上而下的開裂指標Miner定律路面永久變形估計基于彈性應變的傳統估計方法2023/2/59ljsun@國內外背景長壽命路面設計40-50年的壽命自上而下的損壞2023/2/510ljsun@國內外背景我國方法彎沉起控制作用，層底應力一般不起控制作用厚度設計方法，材料設計另外考慮來自力學計算2023/2/511ljsun@國內外背景沿用1986年的標準對半剛性基層，彎沉減小1.6倍將末期彎沉轉化為初期彎沉，減小1.2倍半剛性材料的模量嚴重低估，彎沉修正不能反應實際情況路面的實際彎沉在0.10~0.15mm，小于水泥混凝土路面彎沉后果是：瀝青路面，其設計重點不是瀝青層，而是基層2023/2/512ljsun@斑狀泛油重交路面損壞特征

2023/2/513ljsun@內部松散重交路面損壞特征

2023/2/514ljsun@新型翻漿重交路面損壞特征

2023/2/515ljsun@新型沉陷重交路面損壞特征

2023/2/516ljsun@坑洞重交路面損壞特征

2023/2/517ljsun@車轍重交路面損壞特征

2023/2/518ljsun@縱向平行裂縫重交路面損壞特征

2023/2/519ljsun@雞爪形不規(guī)則裂縫重交路面損壞特征

2023/2/520ljsun@Top-Down損壞重交路面損壞特征

2023/2/521ljsun@重交路面損壞特征

2023/2/522ljsun@瀝青在表面層內重新分布前后瀝青表面層瀝青含量瀝青含量前后重交路面損壞特征

2023/2/523ljsun@目前的損壞產生于路面使用初期與結構的整體抗力無正相關性重載的影響明顯損壞起于面層，開裂向下傳播雨水具有明顯的影響發(fā)展速度很快傳統的損壞產生于長期使用后與整體抗力關系明顯雨水的影響明顯開裂產生于結構層底部，向上發(fā)展損壞隨累計ESAL增加緩慢增加伴隨非荷載型損壞重交路面損壞特征

2023/2/524ljsun@實測的水壓2023/2/525ljsun@動水壓力路表水的影響首次發(fā)現的瀝青遷移現象瀝青含量沿深度分布水上層中層下層前后2023/2/526ljsun@路表水的影響瀝青的遷移2023/2/527ljsun@路表水的影響動水頭翻漿的過程2023/2/528ljsun@路表水的影響翻漿與沉陷2023/2/529ljsun@路表水的影響空隙率與損壞2023/2/530ljsun@路表水的影響瀝青混合料質量變異性與集料最大粒徑的關系2023/2/531ljsun@瀝青混合料質量路表水的影響2023/2/532ljsun@瀝青混合料質量路表水的影響均勻的材料才有性能可言2023/2/533ljsun@路表水的影響2023/2/5341996年以來,交通量和軸載大小迅速增大貨車比例平均為36％，相當比例的胎壓超過0.7MPa∑ESALs(100kN)=2000萬－1億軸次，最大達4億軸次重載下的受力特點810kpa/1328kg

810kpa/2500kg

810kpa/5000kg

典型測試結果：11.00-20走向花紋輪胎接地壓力分布實測各花紋條走向壓力分布接地面中心點處橫斷面壓力分布d)1050kpa/1900kg半剛性基層e)1050kpa/2500kg半剛性基層f)1050kpa/6250kg半剛性基層2023/2/535ljsun@重載下的受力特點典型測試結果：11.00-20橫向花紋輪胎接地壓力分布實測810kpa/1900kg

810kpa/2500kg

810kpa/5000kg

810kpa/1900kg

810kpa/2500kg

810kpa/5000kg

各花紋塊走向壓力分布接地面中心點處橫斷面壓力分布2023/2/536ljsun@重載下的受力特點重載下的受力特點基于彎沉、彎拉的判斷：a>b>c重載下的受力特點基于剪切應力的判斷：b>c>a重載下的受力特點重載下的受力特點2023/2/541ljsun@重載下的受力特點2023/2/542ljsun@重載下的受力特點2023/2/543ljsun@重載下的受力特點自上而下的開裂過程2023/2/544ljsun@重載下的受力特點應該為縱向開裂圖22成重高速剪應力等值線圖圖23京津塘高速剪應力等值線圖2023/2/545ljsun@重載下的受力特點應該為網狀開裂圖14平西高速SX等值線圖圖15平西高速SY等值線圖2023/2/546ljsun@重載下的受力特點2023/2/547ljsun@重載下的受力特點2023/2/548ljsun@重載下的受力特點傳統的龜裂Down-Top新龜裂（剪切）Top-Down2023/2/549ljsun@重載下的受力特點彎拉疲勞剪切疲勞2023/2/550ljsun@重載下的受力特點車轍產生于10cm深度溫度的耦合作用2023/2/551ljsun@重載下的受力特點溫度累積作用2023/2/552ljsun@重載下的受力特點溫度累積作用2023/2/553ljsun@重載下的受力特點2023/2/554重交通作用下出現了許多新的損壞現象ljsun@重載下的受力特點力學分析小結當荷載荷載的非均布效應時，路面結構內的力學分布十分復雜當輕型車輛超載時，即便總軸重小于標準荷載，但對路面的損傷更為嚴重對目前的半剛性基層瀝青路面，不能簡單地認為彎沉小意味者強度高剪切指標的分析為我們帶來了路面考慮的新視角，是我們在傳統的路面分析中忽略了的因素。該指標的引入，為從力學的角度進行路面結構組合設計提供了理論指導剪切破壞可能是重交通瀝青路面的主要損壞原因，是聯系材料與結構的紐帶，是一個好的設計指標重載下的受力特點荷載的變化，導致傳統的路面認識偏差很大，許多結論不再適用荷載影響的范圍增大路面損壞的機理發(fā)生了變化人們嚴重低估了重交通路面的復雜性，采用將輕交通路面的設計方法簡單外延至重交通路面的設計，結構設計與材料設計是分離的，與使用性能無關2023/2/556ljsun@重載下的受力特點2023/2/557傳統的理論無法給予明確的指導，結構組合設計存在盲目性，對重交通路面設計需要新的思路重新認識力學在路面分析和設計中的作用關注結構與材料的相互作用，根據使用性能將結構設計與材料設計一體化將路面設計變?yōu)榭茖Wljsun@重載下的受力特點2023/2/558

設計框架低溫或反射裂縫剪切有關的損壞彎曲疲勞開裂水或均勻性損壞ljsun@彎曲疲勞，自下而上的破壞剪切疲勞，自上而下的破壞剪應力拉應變拉應力壓應變

設計框架2023/2/559ljsun@上述兩種模式尚不能反映全部問題，還需綜合考慮路面使用性能典型衰減模式3412PCIYears

設計框架2023/2/560ljsun@設計框架按性能設計+按力學驗算2023/2/561ljsun@設計框架PI：輸入階段輸入影響路面設計的所以因素，包括交通、環(huán)境、材料、路基土質和施工能力等PII：概念設計階段通過剪切分析進行路面結構材料（模量）組合設計，確定各結構層材料選擇原則分析路表水和地下水的影響，決定水的處理措施確定材料設計參數2023/2/562ljsun@PII:基層模量的范圍設計框架2023/2/563ljsun@2023/2/564PII:基層模量的范圍瀝青層底面的拉應變與頂部的剪應力形成了雙向制約，以此確定基層的模量基層模量不應偏離瀝青層模量太遠瀝青層基層底基層ljsun@設計框架路面使用性能典型衰減模式3412PCIYears2023/2/565ljsun@

PIII基于性能的厚度設計設計框架α,β的工程意義，與性能變化一一對應路面結構行為方程2023/2/566PCI

αβyrs(α,63)ljsun@設計框架2023/2/567ljsun@設計框架α=Krα·Kmα·λ·[1-exp(-(η/l0)ζ)]

λ=a1·hb1·ESALc1

η=a2·hb2·ESALc2

ζ=a3·hb3·ESALc3

β=Krβ·Kmβ·a4·hb4·ESALc4·l0d

úú?ùêê?é-=

????è?-bayePCIPCI102023/2/568ljsun@設計框架使用年數PCI面層厚度設計框架2023/2/569ljsun@使用年數PCI彎沉設計框架2023/2/570ljsun@PCI使用年數環(huán)境因素的影響設計框架2023/2/571ljsun@改性瀝青的影響PCI設計框架2023/2/572ljsun@PCIY/aAB最低可接受水平分析期或壽命周期ABAcceptableLevelAnalysisperiodHMLPIII:全壽命費用分析全壽命費用分析方法2023/2/573ljsun@設計框架厚度設計諾謨圖(LevelL)瀝青層總厚度(cm)半剛性基層厚度(cm)2023/2/574ljsun@設計框架厚度設計諾謨圖(LevelM)瀝青層總厚度(cm)半剛性基層厚度(cm)2023/2/575ljsun@設計框架厚度設計諾謨圖(LevelH)瀝青層總厚度(cm)半剛性基層厚度(cm)2023/2/576ljsun@設計框架設計厚度的比較圖10-40TRRL設計曲線日累計軸次80012001600200024002800圖9-13（低標準，12年）11141617.518.519.5圖9-15（中標準，12年）1417.52021.52324.5圖9-17（高標準，12年）2023.5262829.530.5圖10-40（DBM50）25272829.53030.5圖9-16（中標準，15年）2226.529.532.535.537圖10-40（DBM）29313334.535362023/2/577ljsun@設計框架2023/2/578PIV:基于力學的材料設計和檢驗轉換函數TF剪應力拉應變拉應力壓應變ljsun@N疲勞檢驗抗剪切檢驗（車轍檢驗）設計框架為什么不采用應力而采用應變?yōu)r青層底面的應力不是表征瀝青層疲勞的準確指標

設計框架2023/2/579ljsun@

連續(xù)滑動深度（mm）應變應力應變應力0-109.98-0.202-138.50-0.272-13.3-76.88-0.188-97.67-0.239-26.7-47.20-0.173-60.74-0.205-40-23.20-0.158-30.04-0.171-7011.73-0.12218.99-0.096-10028.29-0.09149.34-0.026-15036.46-0.05383.160.082-20036.09-0.025118.330.196-25034.70-0.001174.590.340路面底面為壓伸應變：應變優(yōu)于應力設計框架2023/2/580ljsun@2023/2/581抗剪切檢驗對表面層和中面層，進行抗剪切檢驗以控制車轍車轍瀝青混合料的抗剪切強度與車轍有強相關性，對車轍有顯著影響有必要控制瀝青混合料的抗剪切強度車轍深度vs抗剪強度抗剪強度芯樣高度ljsun@設計框架2023/2/582抗剪切檢驗，車轍模型ljsun@設計框架2023/2/583ljsun@設計框架2023/2/584概念模型模型形式比較和選擇yzljsun@應力深度剪應力壓應力設計框架2023/2/585Source:HuaJF,2000ConcavedeformationLp=隆起系數車轍模型ljsun@設計框架法國LCPC輪轍儀德國HWTD輪轍儀

PurWheel單輪試驗儀美國佐治亞州輪轍儀GLWT2023/2/586ljsun@設計框架簡單剪切試驗蠕變試驗2023/2/587ljsun@設計框架低估了路面試驗的復雜性相似性差蠕變試驗，簡單剪切，三軸試驗，APA等基本不能反映路面中材料的實際情況變異性大各種輪轍試驗相似程度不高2023/2/588ljsun@設計框架單軸貫入試驗(UPT)測定抗剪強度壓頭直徑：42mm試件尺寸：Φ150mm×100mm抗剪強度系數：0.352023/2/589ljsun@設計框架實際路面與貫入試驗應力分布的比較2023/2/590ljsun@設計框架變異性比較車轍試驗20%左右貫入試驗5%左右2023/2/591ljsun@設計框架示例13000萬次10mm0.8901.0000.70015mm0.7440.8360.58520mm0.6600.7420.519下面層中面層上面層要求的最小抗剪強度（MPa）允許車轍深度∑ESALs(100kN)2023/2/592ljsun@設計框架示例2N為5000萬軸次RD0（mm）設計年限（年）抗剪強度（MPa）綜合抗剪強度表面層中面層底面層15150.763①0.750.920.50②0.950.750.50③0.770.750.78100.702④0.750.770.50⑤0.780.750.502023/2/593ljsun@設計框架材料設計2023/2/594ljsun@設計框架集料對路面變形特性影響很大級配、形狀和棱角性、紋理材料設計2023/2/595ljsun@設計框架粗集料棱角性的影響2023/2/596ljsun@設計框架細集料棱角性的影響2023/2/597ljsun@設計框架瀝青的影響2023/2/598ljsun@設計框架接觸壓力的影響2023/2/599ljsun@設計框架接觸壓力的影響2023/2/5100ljsun@設計框架路面結構行為方程力學分析，層底應變計算r,εzNrN2023/2/5101ljsun@橋渡原理疲勞檢驗設計框架Shanghai2023/2/5102ljsun@設計框架設計標準

低中

高

拉應變壓應變路面現場疲勞方程:上海示例2023/2/5103ljsun@設計框架轉換函數：從試驗室到實際路面原路面材料的疲勞方程

實際路面的