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    中國瀝青路面結構設計方法發展沿革(附7版規范對比)
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    中國瀝青路面結構設計方法發展沿革(附7版規范對比)
    2021年05月07日    閱讀量:15889    新聞來源:瀝青網 sinoasphalt.com  |  投稿

    摘 要

    該文介紹了道路發展史中路面材料和結構的發展,從條石路面到水結碎石路面再到瀝青路面的整個發展過程。著重闡述了新中國成立70年來瀝青路面設計方法的發展,對1958、1966、1978、1986、1997、2006和2017版共7版規范的編寫及基礎進行了解讀,討論了現行規范的某些不足之處。還對與中國瀝青路面設計方法相關的如有限元方法在道路工程中的應用、直道試驗的建立和使用以及足尺環道等其他技術的發展進行了簡要介紹瀝青網sinoasphalt.com。該文對了解中國瀝青路面的發展歷史及進一步完善中國瀝青路面結構設計方法具有一定參考價值。


    路面材料和結構發展狀況

    路面是隨著交通的發展而發展的,水運是人類最早的交通工具之一。在1830年英國載客鐵路通車以前,當時的陸上交通是以馬車為主,路面是以條石鋪砌而成。隨著路面材料的發展,路面結構形式也隨著發生改變。18世紀末,泰雷薩格(Trasaguet)在條石路面上鋪筑碎石面層,此人被稱為近代路面的創始者;1815年,蘇格蘭的馬克當(Macadam)提出了水結碎石路面結構,自此碎石路面開始登上歷史舞臺。初期的路面結構如圖1所示。


    1712年,瑞士首先發現了巖瀝青,隨后德、法等國也相繼發現。在1850年左右,法國首先把巖瀝青用于道路路面。1854年,L.Malo在巴黎修筑了薄層瀝青路面,這稱得上是熱鋪巖瀝青路面之首,用滲透有6%~10%瀝青的石灰巖破碎后鋪筑輾壓而成。此后,美國從歐洲引入巖瀝青,在美國東部修筑了巖瀝青路面。1871年,E.J.Desdment在紐約修筑了第一條特尼利特湖瀝青(南美)路面(以砂、石灰石粉摻拌輾壓而成),得到了專利施工法,這更是近代熱鋪湖瀝青路面之首。1872年,華盛頓市(特區)用湖瀝青和石油殘渣鋪筑了路面,它證明用石油殘渣修筑路面也是可行的。

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    1885年之后,汽車工業開始興起。在開啟汽車交通時代的1900年,美國發明了warrenitebitulithic路面,該路面下層為粗級配瀝青混凝土,上層為瀝青砂,經一次輾壓而成,這就是雙層式瀝青路面的由來。


    1905年,美國在堪薩斯州托皮卡市鋪筑了Topeka瀝青磨耗層,在1920年提出了瀝青混合料的哈-費氏Hubbard-Field)方法,直到1937年在加州修筑了第一條11.2km高速公路。從此,瀝青路面成為現代高等級路面的主要路面形式,典型結構形式如圖2所示。

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    國際瀝青路面結構設計發展狀況

    近半個多世紀來,國際瀝青路面結構設計方法的發展,經歷了經驗設計方法、以力學分析為基礎的設計方法以及力學分析和工程實際(試驗)相結合的力學-經驗法(M-E法,2002)。


    (1)經驗法

    經驗法主要通過對試驗路或使用道路的試驗觀測,建立路面結構(結構層組合、厚度和材料性質)、車輛荷載和路面使用性能三者之間的關系。目前仍在使用的方法有美國工程師軍團水道試驗站(WES)的加州承載比法CBR法(1920年)、加州的“R”值法和2002版以前的美國各州公路及運輸工作者協會(AASHTO)法等。


    (2)力學法

    力學法的提出進一步完善了瀝青路面結構設計,解決了經驗法缺乏理論支撐的問題,從而使得瀝青路面結構設計方法加以完善。力學分析法的提出經過4個發展背景:①Burmister’s兩層和三層彈性體系的提出;②WASHO道路試驗、彎沉的出現;③1955年F.N.Hveem發布了路面變形的著作;④1961年AASHO道路試驗完成。常見的有南非國家交通與道路研究所(NITRR)和美國聯邦公路管理局等推出的基于計算機程序的設計方法。


    (3)力學—經驗法

    力學—經驗法應用力學原理分析路面結構在荷載與環境作用下的力學響應,建立力學響應量與路面使用性能之間的關系模型,運用該模型完成結構設計。中國現行2017版的瀝青路面設計方法、美國的殼牌(Shell)、瀝青學會的AI法和2002年版的AASHTO法等均屬于力學-經驗法。


    2002年版的AASHTO設計方法改變了原AASHTO設計的經驗法性質,成為力學-經驗法(M-E設計法)。其主要變動如下:①瀝青路面設計應滿足其性能要求;新增永久變形、疲勞開裂(包括自下而上和Top-down開裂兩種模式)、溫度開裂及國際平整度指數IRI;②結構計算模型包括層狀線性體系和非線性分析的有限單元程序;③設計輸入參數采用了根據項目重要性的三水平輸入法:Level-1~Level-3;④取消了當量單軸荷載(ESAL)法,而采用作用試驗性設計計劃     在路面上占優勢的(或預測的)交通流軸載譜;⑤引入可靠度因素。具體流程如圖3所示。

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    為更加有效地完善當前瀝青路面設計方法的不足,美國AASHTO聯合國家公路研究項目NCHRP于2004年推出路面設計指南Mechanistic-Empirical Pavement Design Guide (MEPDG)。該指南為典型的力學-經驗法,為瀝青路面的設計提供了統一的基礎。MEPDG在各層材料的特性和氣候條件的基礎上采用力學方法計算路面結構關鍵反應(應力、應變、變形),同時采用經驗方法彌補室內試驗和現場性能之間的差距,也用來反映當地實際的施工水平和其他變異性的因素。MEPDG主要設計流程:首先建立分析所需的輸入值,建立基礎分析、路面材料特性及交通數據;接著進行結構性能分析,經過迭代分析,得出滿足性能要求的路面結構;最后展開不同設計方案的工程分析及壽命周期分析。


    近年來,道路工作者越來越認識到路面設計必須與瀝青混合料設計一起綜合考慮,如路面的疲勞破壞和瀝青混合料的疲勞抗力,如果瀝青混合料疲勞抗力不合適,那么路面在未達到預期交通荷載作用下就會發生疲勞破壞。SHRP瀝青研究計劃中對瀝青混合料設計和分析進行了研究,其設計和分析流程見圖4。

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    研究計劃中對所選用的混合料要符合下面的減輕路面結構疲勞開裂的要求:

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    SHRP計劃中Superpave瀝青混合料設計方法主要有3點:①制定了以路面性能(車轍、低溫開裂、疲勞開裂)為基礎的瀝青結合料規范,瀝青的指標直接與路面現場性能建立聯系,以路面最高和最低溫度作為性能分級(PG)的依據;②制定了混合料體積配合比設計規范。礦料級配用0.45次方級配圖確定容許級配,提出了級配曲線控制點、限制區和最大公稱尺寸的概念;提出了3個水平設計要求和相關的路面性能預測;③將瀝青的物理化學性質、瀝青混合料的性質與使用性能聯系起來,并進行試驗驗證。顯然,該法已將瀝青混合料的設計與路面結構設計(路面性能)更好地聯系起來。


    值得注意的是經濟因素會改變路面設計參數。1986年AASHTO在修改路面設計指南時把壽命周期分析(LCCA)作為經濟評價手段,并強烈建議將其應用到路面設計過程中。在2002年修改AASHTO設計指南時就把LCCA完全整合到路面設計過程中。


    中國70年來瀝青路面設計方法發展沿革

    1949年以前,中國公路十分落后,絕大多數是砂土和碎石路面,根本沒有相關路面結構設計方法可循。20世紀50年代初期,基本上沿用伊萬諾夫教授的方法-《柔性路面設計須知》(1954年)。新中國成立后,隨著中國突飛猛進的經濟發展,中國瀝青路面設計方法發生了重大的變化,特別是改革開放以來,隨著經濟建設的飛躍發展,中國高速公路從無到有,在短短的40年里,高速公路里程超過了13萬km,登上世界第一的寶座。從1949年到2019年70年時間里,交通運輸部相繼頒布了7版《公路瀝青路面設計規范》(1958、1966、1978、1986、1997、2006和2017版)。下文從規范的頒布次序探索中國瀝青路面結構設計方法的發展沿革。

    1958版規范

    1949年之前,中國公路運輸十分落后,低等級的碎石路面基本上按經驗決定厚度,少數大城市采用過類似美國加州承載比法(CBR法)。在1949年后,開始了有計劃的經濟建設,并十分重視交通運輸行業的發展。為了工作的需要,又限于當時的歷史條件,1958年發布的瀝青路面設計規范基本上是沿用了蘇聯1954年《柔性路面設計須知》的方法。其設計要點如下:設計指標為相對變形λk,路基和材料強度采用變形模量E,路面設計基本公式如下:

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    對于單一均勻的土基或單一的路面材料整層,取應力分布系數α=2.5,由此得:

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    對于路基路面綜合體,取α=1.0,故其綜合模量Eε為:

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    這樣,雙層體系的變形公式為:

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    對蘇聯《柔性路面設計須知》存在的問題,同濟大學林繡賢教授進行了深入的研究,并提出其問題的癥結是進行雙層體系換算時采用了不同的α值。


    1966版規范

    1966版規范糾正了蘇聯的某些錯誤,但其基本公式仍然是以均質體彈性理論為基礎的簡化公式,受力分布仍采用雅庫寧近似公式。


    1956年,經國務院批準交通部率先成立了公路科學研究院,并把柔性路面設計的研究列入國家12年遠景科學研究規劃中。1957年,中國建立了北京、上海、沈陽、西安、武漢、長沙和廣州7個中心觀測站,開始進行路基路面綜合調查和水溫狀況的觀測工作,并與北京大學開展了全中國道路氣候分區修正方案的研究。


    1959年,提出了道路氣候分區圖、路基最小填土高度、土基壓實標準和土基變形模量等一系列成果。1958和1959年在北京與上海進行了大型試槽試驗,1961年在福建龍巖進行了整層和分層試驗路比較分析。


    1962年,中國正式提出了修正路面設計基本公式的建議,經過一系列會議討論研究,于1965年編寫了《修訂現行柔性路面設計方法及計算參數的建議》。1966年交通部批準把這些建議列入JTJ1004-66《公路柔性路面設計規范》中。


    經過全體道路工作者的努力,中國不僅糾正了蘇聯公式的一些錯誤,還提出了雙層和多層體系連續積分法的一整套基本公式和參數,修改了道路分區圖等,基本完成了國家規定的3512項任務。不過,該規范基本公式還是沿用單圓荷載圖式的均質體彈性理論,且容許相對變形λ和綜合安全系數k不符合實際,這些都有待進一步修改和完善。值得注意的是,同濟大學吳晉偉與許志鴻、長安大學王秉綱、哈爾濱工業大學郭大智等在20世紀六七十年代,已求得了彈性層狀體在單圓和雙圓荷載作用下的精確解答,這為中國后來采用彈性多層體理論作為路面計算的模型打下了堅實的基礎。


    1978版規范

    從1970年開始,由于老路補強的需要,中國很多科研工作者開展了彎沉補強經驗公式的研究工作,提出了單參數、雙參數和三參數的經驗加固公式,經1971年濟南會議和1972年太原會議研究確定采用三參數的補強公式:

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    三參數公式是由湖南省交通科學研究院、內蒙古交通科學研究院和交通部重慶公路研究院分別提出,形式稍有不同,但均是從雙圓荷載雙層體系彈性理論的彎沉公式推導出來的,主要的差別是隨著彎沉的增加厚度增加的大小不同。經試驗路驗證,大家一致認為交通部重慶公路研究所提出的公式(6)比較合理,故選其為舊路彎沉補強的計算公式而列入規范。同時確定容許彎沉為新的設計指標,代替原規范的容許相對變形值。1972-1973年,由交通部公路科學研究院組織組成的全國柔性路面容許彎沉調查組,從1972年3月開始對遼寧、山西、甘肅、江蘇、湖南、廣東、海南、四川、陜西和上海等省市瀝青路面進行容許彎沉值檢測,并于1973年6月提出了容許彎沉值的計算公式:

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    與此同時,很多科研工作者進行了單軸雙輪荷載及不同車型的彎沉對比測定,并得到了不同軸載下的彎沉對比公式:

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    后經同濟大學林繡賢等的深入研究,并結合美國1962年公布的AASHO試驗報告,得到了作為1978年柔性路面設計規范的車輛換算公式:

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    在彈性層狀體系理論計算分析方面,由于計算機技術的發展,同濟大學于1975年正式發布了雙圓荷載作用下雙層體系荷載圓中心的彎沉諾謨圖。另外,從1974年開始由交通部公路科學研究院梅安今等分別在內蒙古五原和甘肅定西修筑系統試驗路進行現場驗證。同時,湖南、山西、陜西和四川等許多省市結合各地工程修筑了試驗路,為路面計算參數的取得提供了一批可貴的資料。此時,交通部公路設計院與北京大學地理系共同研究提出了中國道路自然區劃圖。


    綜上所述,1978版JTJ014-78《公路柔性路面設計規范》體現了中國瀝青路面設計方法的大轉折與大發展,初步建立了中國柔性路面設計方法的體系。1978版規范完全摒棄了蘇聯規范的體系,如單圓荷載作用下的均質體路面模型、相對形變作為路面設計指標和形變模型材料參數等。1978版規范的主要變化:采用了雙圓荷載作用下的雙層彈性體系路面設計模型,得到了雙圓雙層體系彎沉諾謨圖及其綜合修正系數,提出了容許彎沉值公式;設計標準為雙圓荷載中心處的表面回彈彎沉值,建立了以彎沉系數為基礎的車輛軸載換算公式;材料參數采用回彈模量;多層體系采用了等效層法;對于老路厚度補強推薦了三參數的彎沉補強經驗公式等。


    1986版規范

    1986版JTJ014-86《公路柔性路面設計規范》進一步完善了中國瀝青路面設計方法的新體系。該體系納入了“六五”國家攻關項目75-24-1-1《高等級公路半剛性基層瀝青路面結構、設計和抗滑表層的研究》和“七五”國家攻關項目75-24-2-1《重交通道路瀝青在高等級公路工程中的實用技術》所取得的主要成果中。并經過多次會議討論,最后于1982年提出了基礎理論、理論驗證、設計參數、路面強度結構系數分報告及有關專題研究報告和總報告,并由交通部公路局主持組織交通、城建、民航等科研院所和高校專家進行評審。


    該版規范主要內容如下:采用雙圓荷載、三層體系為基礎的彈性層狀體理論;路表彎沉lR、面層底層最大拉應力σR和路表輪緣處最大剪應力tR為設計指標;100kN的單軸雙輪組為標準軸載,輪胎接地壓力p為0.7MPa,輪胎當量半徑s為10.66cm,見圖5。

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    1986版規范在結構層之間的接觸狀態既考慮了連續狀態也考慮了滑動狀態或半連續半滑動狀態。對材料黏彈性和各向異性問題,不是在理論計算中解決,而是在材料參數確定時把環境因素(溫度、濕度等)考慮進去。在考慮動載作用時,把交通量和反復荷載的疲勞規律聯系起來,以動靜對比關系把靜載測定的參數轉化為動載性能參數。不過,在公路路面中沒有考慮面層剪切應力。但是,對于城市道路交叉口、停車場和公共汽車停靠站等,車輛在啟動和制動時車輪對路面所施加的水平作用力是使路面產生推移、擁包、車轍等破壞的重要原因,故在城市道路路面設計規范中將剪切應力作為設計指標。


    此外,1986版規范對彈性層狀體系的實際運用進行試驗驗證,這是檢驗彈性層狀體系理論可否應用于或怎樣用于路面設計的一個關鍵問題。眾所周知,由于彈性層狀體系理論在建立之時有一些如彈性均質和各向同性等假定,這些假定不完全符合路面結構及材料組成的情況,因此理論分析的結果必然與實際情況存在差異,必須進行修正。這些驗證工作由交通部公路科學研究院、同濟大學道路與交通工程研究所、湖南省交通科學研究院、西安公路研究院、交通部重慶公路研究院、湖南大學等單位共同完成。主要進行了路表彎沉、面層和中層底部拉應力、拉應變及土基壓應變的驗證。通過在室內試槽、環道和現場埋設傳感器對這些指標進行測定,取得了一批有價值的結果,為設計指標的修正提供了依據。


    1997版規范

    1986版規范奠定了中國瀝青路面設計的新體系,這是很大的轉折和進步。但它反映的基本上是低、中等級瀝青路面的設計概念和實踐經驗,對于當時中國蓬勃進行的高速公路路面設計缺乏指導性,故1997版規范被提上日程。


    在1997版規范中,設計指標仍是路表彎沉值,但同時將整體性結構層底面的彎拉應力作為驗算指標引入規范中。路面計算體系是雙圓垂直荷載作用下的多層連續彈性體系,取消了1986版規范的等效多層換算。在舊路面改建設計方面增加了路面結構厚度的設計方法,取消了原規范的經驗公式。


    另外,該規范增加了“七五”和“八五”攻關項目的許多新成果,特別是對于半剛性基層瀝青路面的設計。該設計由同濟大學林繡賢牽頭,組織編寫出版了《半剛性基層瀝青路面》專著。對于半剛性基層反射裂縫問題,根據沙慶林院士的河北省保定試驗路及長沙理工大學(原長沙交通學院)完成的反射裂縫形成和擴展機理的研究,采取了結構和材料設計的雙重抗裂措施,為減輕和延緩反射裂縫起到了一定的作用。同時對于彎沉綜合修正展開深入研究,提出了更符合實際的彎沉綜合修正系數。對于路面的材料設計系數和路基回彈模量的確定也作了更詳細的規定。此外,還增加了SMA路面、瀝青混合料的抗車轍和抗水損的指標以及水泥混凝土橋面鋪裝設計的內容等。


    2006版規范

    從20世紀90年代至21世紀初,中國高速公路從無到有。從1989年的27km到2005年猛增到4.1萬km,在世界高速公路排行榜中占居第二位(僅次于美國)。隨著改革開放政策的深入貫徹,中國國民經濟的持續發展,公路交通激增,這對路面設計和施工提出了新的挑戰。為了總結高速公路建設的經驗,吸納新的科研成果,在交通部領導下,由交通部公路設計院主持開始了對1997版瀝青路面設計規范的修訂工作。


    其中,瀝青路面結構設計體系仍采用雙圓均布垂直荷載作用下的彈性層狀連續體系理論,路面作用的荷載及控制計算點如圖6所示。該次修訂工作,根據高等級公路修建的大量實踐,側重對路面結構和材料及舊路改建設計等進行了充實。對于路面可靠度設計問題,考慮到施工、材料等變異性的復雜性及可靠度指標確定等問題,暫時放棄了把瀝青路面可靠度設計寫入規范的打算。

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    2006版JTG D50-2006《公路瀝青路面設計規范》較1997版規范主要有如下變化:①強調了交通荷載的調查、預測和分析,對瀝青層層底拉應力設計和半剛性材料層的抗拉應力設計時,采用了不同的軸載當量換算公式;②提出了按全壽命周期成本的理念進行路面設計,即路面建設費用,要把初期建設費,日后的養護管理費和使用者費用(汽車維護費、油料消耗費)等綜合起來考慮;③加強了原材料、混合料和路面結構層功能性要求的設計,增加了柔性基層,貧混凝土基層等設計、施工內容;④提出了防止早期水損壞,車轍和干縮(凍)裂紋的面層材料設計和施工技術措施;⑤加強了舊路改建設計的內容,提出了瀝青路面加鋪層和水泥混凝土路面加鋪瀝青層的方法;⑥充實了水泥混凝土橋面瀝青鋪裝層的設計內容,但對鋼橋面瀝青鋪裝層的設計未加涉及。


    2017版規范

    JTG D50-2017《瀝青路面設計規范》應該說是中國瀝青路面設計方法的又一推進。盡管在理論計算體系上沒有大的改變,但在交通荷載調整和分析、設計指標、材料計算參數、試驗方法和路基模量試驗和取值上都有很大變化,總體上比較接近美國2004年版AASHTO(M-E)路面設計指南。該版本修改內容具體如下:


    (1)在交通荷載參數方面,車輛類型按軸型組成分為11類,取消了以往規范的客車、貨車的分類方法。軸載當量換算按高速公路和一級公路改建設計采用水平一,其他情況可采用水平二或水平三,但還是維持了最后轉換成標準軸載100kN的方法。其各計算點的位置與2006版規范也有所不同,具體如圖7所示。

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    (2)在設計標準方面,采用瀝青混合料層的疲勞開裂、無機結合料層開裂、瀝青混合料層永久變形、路基頂面壓應變和路面低溫開裂(使用季節性冰凍地區)。取消了路表容許彎沉值指標,但路面和路基完工驗收時仍采用彎沉作為驗收指標。


    (3)在路面模型的驗算和修正方面,2017版規范瀝青混合料層疲勞開裂模型是根據108次常應力加載模式和618次常應變加載模式疲勞試驗結果得到的,并利用北京3個ALF試驗路、美國加州6個HVS試驗路、WesTrack8個試驗路、明尼蘇達MnROAD10個試驗路和美國瀝青技術中心NCAT3試驗路,共30個試驗段疲勞數據進行修正。無機結合料穩定層疲勞開裂的驗證依據148個水泥穩定砂礫、水泥碎石、水泥土和石灰粉煤灰碎石4種材料的疲勞結果進行的。瀝青混合料永久變形的預估模型是基于多種瀝青混合料在不同溫度、壓力下的229個車轍試驗結果建立的,并利用中國國內10余條公路和5個試驗段對該模型進行了驗算和修正。路基頂面豎向壓應變模型通過整理AASHTO試驗公式和195個試驗路段反算得到的。


    瀝青面層低溫開裂采用經驗法,分析了東北10余個路段情況與路面低溫開裂的關系,并參考了加拿大Hass教授19世紀80年代建立的模型。很顯然,對于一個幅員遼闊的中國,上述驗證顯然還是很不夠的,這是今后需要特別重視的問題。


    (4)在路面結構層材料設計參數方面,2017版規范采用了3個水平確定方法,高速公路和一級公路施工圖設計采用水平一,其他設計階段采用水平二或水平三。路基模量和粒料回彈模量采用動態三軸儀測定,瀝青混合料采用動態單軸壓縮模量;無機結合料穩定類材料彎拉強度和彈性模量采用中間段法(水平一)單軸壓縮試驗測定;瀝青混合料貫入強度以單軸貫入試驗方法確定;瀝青的低溫性能以瀝青彎曲梁流變試驗(BBR)測定蠕變勁度或用瀝青直接拉伸試驗(DDT)確定斷裂應變。對于二級及二級以上公路,瀝青混合料公稱最大粒徑不大于19.00mm,應進行小梁彎曲試驗確定其破壞應變。2017版規范對不同路面結構組合提出了不同的設計指標驗算,如表1所示。

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    此外,2017版規范提出了平衡濕度狀態下的路基模量,并引用了溫度調整系數和等效溫度的概念對基準路面結構進行調整。2017版規范在3.0.1節中規定了各級公路的路面結構可靠度和目標可靠度指標,并在結構驗算中把目標可靠度指標β引入到各個驗算方程中。但對瀝青路面可靠度的定義并不明確,且各種路面結構施工和材料變異性,相關的可靠度系數沒有給出,直接把目標可靠度指標β引入到可靠度計算中是不合適的。


    中國瀝青路面設計方法相關方面的發展

    道路工程有限元分析方法

    1965年,中國科學院院士馮康發表了《基于變分原理的差分格式》,被世界數學界公認為中國有限元的奠基人之作,此后中國科學院計算所許多研究人員開展了有限元方面的研究。張起森教授于1970年開始學習有限元,并開展了彈性多層半空間體系在對稱荷載作用下的有限元分析,并將結果與同濟大學公路研究所吳晉偉等的彈性多層半空間體系的解析解進行了對比分析。由于當時中國計算機容量小且速度慢,所以有限元計算結果誤差比較大,但其各應力、應變和位移的變化規律性是一致的。隨著計算機技術的發展,有限元分析結果慢慢得到業界的認可。與此同時,在湖南大學王磊教授和湖南省計算技術研究所謝干權的指導和幫助下張起森教授又開展了有限元半分析方法的研究,并得到了彈性層狀半空間在表面水平荷載作用下的有限元半分析結果,還開展了層間接觸非線性和材料非線性的相關研究,于1983年出版了《道路工程有限元分析法》專著。應該說,道路工程有限元分析在近幾十年得到了很大發展,特別是對路面材料非線性(黏彈性,黏塑性等)、開裂分析、層間非連續接觸、結構內部孔隙分析等問題的研究具有顯著的優勢。

    道路足尺試驗

    20世紀50年代,為了應用伊萬諾夫教授的《柔性路面設計須知》,當時交通部科學研究院在北京等地進行了土基整層試槽模量試驗。20世紀60年代,交通部長沙公路工程研究所修建了可調節路基濕度的2.5m×3.0m×2.0m試槽,采用反力架加載;同時,交通部上海公路工程研究所和東南大學修建了直徑5m的圓形試槽,并進行雙層路面結構的加載試驗。在70年代到80年代,湖南省交通科學研究院(原長沙公路工程研究所)配合規范修訂的要求,修筑了3m×5m×2m的大型試槽,開展了路面結構和路基的應力應變試驗驗證工作。重慶交通科學研究院(交通部交通科學研究院重慶分院)修筑了直徑10m、厚1.0m、深1.5m的圓形加載試槽,進行了多種路面結構和路基應力應變試驗。在此期間,交通部科學研究院、甘肅省交通廳、內蒙古交通科學研究院、長安大學(原西安公路學院)和湖南大學等分別在甘肅定西、內蒙古五原和河南開封等現場鋪筑了系統試驗路,進行多種路基路面結構路表彎沉、面層和中層拉應變和拉應力、路表剪應力和路基壓應力等試驗研究,為當時規范的修訂和完善提供了許多寶貴的數據。


    在20世紀90年代,長沙理工大學(原長沙交通學院)修建了亞洲最大的室內直線式重復加載試驗槽,如圖8所示。試槽長60m、寬2.5m、深1.5m,利用雙輪胎進行加載,移動速度30km/h。該設備為中國高速公路和大跨徑鋼橋面結構方案的選擇及比較發揮了一定的作用。目前在長沙理工大學云塘校區又新建了一個直道加載試驗槽為工程和科研工作服務。

    中國瀝青路面結構設計方法發展沿革(附7版規范對比) 瀝青網,sinoasphalt.com

    中國老一輩道路工程工作者一直在呼吁修建室外足尺環道,這個愿望終于在2012年批準立項,并于2014批準建設。該工程位于北京市通州區,足尺路面總長度約2039m,設計速度60km/h。在短短的幾年時間取得了一批重要成果。


    足尺路面試驗環道RIOHTRACK為兩車道,以內側車道為加載車道,外側車道為備用車道。加載試驗采用4輛10輪斯太爾重型卡車,加載車載重軸單軸重以16t為標準。環道路面結構布置見圖9。2016年11月26日,足尺環道開始加載試運行,到2017年11月15日,環道實際加載時間272d,累計加載運行440.788km,按規范要求車輛換算成100kN的標準軸次350萬次,共進行23萬次路面狀況檢測,檢測內容包括路表破損狀況(開裂)、承載能力(彎沉)、車轍、抗滑性及平整度等。2018年12月1日,結束了第52周加載,累計加載90.1萬km,按彎沉等效原理的4.35次計算,相當于10t標準軸載作用737萬次,在加載期間共進行了46次路面狀況調查測定。

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    足尺環道試驗將從這些路面結構中選出路面性能好、耐久性好、壽命長的路面結構;為路面設計方法的完善和路面材料評價起到了很大的作用,也將為中國高等級公路的建設和發展發揮重大作用。


    瀝青路面黏彈性與動力響應

    從20世紀60年代開始,交通部科學研究院袁龍蔚先生就進行了瀝青流變學的研究,同濟大學嚴家伋教授對中國勝利瀝青和大慶瀝青(渣油)進行了組分重配的研究,之后華南理工大學張肖寧教授等進行了瀝青流變性能和瀝青混合料組成X射線CT掃描獲取圖像信息,研究混合料的微觀結構,但其與路面宏觀性能的關系卻研究得不多。


    對于路面結構的黏彈性分析,目前從Maxwell本構模型出發做了一些探討,但要得到理論解還是比較困難的。美國AASHTO-2004設計指南采用非線性有限元進行求解,可以說找到了一個比較簡便的方法。


    路面動力響應的研究,東南大學鄧學鈞教授率先進行探討,理論上獲得了動力響應方程,但目前離應用還有一定距離。


    結論

    該文綜述了國際瀝青路面近半個多世紀的發展概況,較為詳盡地論述了新中國成立70年來瀝青路面結構設計方法的發展變化,以1958年中國交通部公路局發布第一部瀝青路面設計規范到2017年交通部頒布的瀝青路面設計規范共7版規范為基線,對各版規范建立的理論基礎、設計指標、材料參數與試驗方法、舊路改建和橋面設計等進行了說明和評述。總結如下:


    (1)簡述了從條石路面到水結碎石路面再到瀝青路面的瀝青路面材料和結構發展過程。


    (2)國際上瀝青路面結構設計方法主要有:經驗法、力學法和力學-經驗法。中國2017版瀝青路面設計規范和2004年版的AASHTO設計方法均屬于力學-經驗法。


    (3)自新中國成立以來頒布的7版瀝青路面設計規范均反映了中國瀝青路面在每個時期的不同需求。其中,2017版規范在交通荷載、設計指標、材料計算參數、試驗方法和路基模量試驗及取值上都有很大變化,還引用了溫度調整系數和等效溫度的概念對基準路面結構進行調整,總體上與美國2004版AASHTO(M-E)路面設計指南比較接近。


    (4)有限元分析方法對路面材料非線性、開裂分析、層間非連續接觸、結構內部孔隙分析等問題的研究具有顯著的優勢;足尺道路試驗可為路基和路面的應力等研究提供許多寶貴的數據;對于瀝青路面黏彈性與動力響應方面大多還處于理論研究階段,具體應用還有一定距離。這些發展對進一步完善中國瀝青路面結構設計方法提供了強有力的支持。

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    標簽:道路建設施工案例技術中心
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