1、 国外沥青路面结构设计简介国外沥青路面结构设计简介 丰富我国现有路面结构类型的必要性丰富我国现有路面结构类型的必要性 永久性沥青路面简介永久性沥青路面简介 国外沥青路面结构设计方法介绍国外沥青路面结构设计方法介绍 CBR设计法设计法(加州承载比法加州承载比法) 美国各州公路工作者协会美国各州公路工作者协会(AASHTO)设计法设计法 shell(壳牌壳牌 )设计法设计法 丰富我国现有路面结构类型的必要性丰富我国现有路面结构类型的必要性 我国高速公路路面的早期损坏严重：我国高速公路路面的早期损坏严重： 沥青路面建成不久，当年或者沥青路面建成不久，当年或者23年后，沥青路面就年后，沥青路面就发生不
2、同程度的开裂、车辙、坑槽等早期损坏。发生不同程度的开裂、车辙、坑槽等早期损坏。 另外的早期损坏是指所修建的路面普遍达不到路面的设另外的早期损坏是指所修建的路面普遍达不到路面的设计年限。路面的大修经常是计年限。路面的大修经常是“开膛破肚开膛破肚”式的。式的。 张春贤部长张春贤部长 在全国交通工作会议上指出在全国交通工作会议上指出 “要有针对性地引进国外成熟的技术、标准和规要有针对性地引进国外成熟的技术、标准和规范。科研成果是实践经验的总结，是人类文明的结晶，范。科研成果是实践经验的总结，是人类文明的结晶，我们要善于借鉴一切先进的科研成果。在公路建设和管我们要善于借鉴一切先进的科研成果。在公路建设
3、和管理领域、国与国之间理领域、国与国之间 的技术问题及解决方法具有很多的技术问题及解决方法具有很多共性。发达国家研究早、实践早、积累了丰富的经验，共性。发达国家研究早、实践早、积累了丰富的经验，许多技术、标准和规范属于政府所有，没有知识产权的许多技术、标准和规范属于政府所有，没有知识产权的障碍，我们要把技术引进作为公路交通实现新的跨越式障碍，我们要把技术引进作为公路交通实现新的跨越式发展的重要手段发展的重要手段” 202040403030404020204040202040403030404040403030404030305050设计设计年限年限澳大澳大利亚利亚加拿大加拿大日本日本南非南非法
4、国法国英国英国德国德国美国美国（AASHTOAASHTO9393）国家国家 国外沥青路面结构的设计年限国外沥青路面结构的设计年限 部分国家使用的主要沥青路面结构部分国家使用的主要沥青路面结构 中国中国加拿大加拿大德国德国日本日本（中、轻（中、轻交通）交通）美国美国( (贫水泥混凝土贫水泥混凝土) )（中、轻（中、轻交通）交通）英国英国( (水稳碎石水稳碎石) )法国法国薄沥青层薄沥青层 厚厚粒料基层粒料基层厚沥青层厚沥青层下卧底基层下卧底基层半刚性基层半刚性基层混合式混合式全厚式全厚式粒料基层粒料基层主要路面结构主要路面结构国家国家俄罗斯俄罗斯法国法国比利时比利时诺丁汉大学诺丁汉大学南非南非日
5、本日本澳大利亚澳大利亚SHELL补强补强AI路表路表弯沉弯沉永久变形永久变形粒料层剪粒料层剪切应力切应力路基顶面路基顶面压应变压应变稳定粒料稳定粒料层拉应力层拉应力沥青层沥青层疲劳疲劳机构机构 部分国家或单位采用的设计指标部分国家或单位采用的设计指标国外常见沥青路面结构组成国外常见沥青路面结构组成国外常见沥青路面结构组成国外常见沥青路面结构组成 永久性沥青路面永久性沥青路面永久性沥青路面产生的背景永久性永久性沥青路面的特点路面的特点永久性沥青路面经济性永久性沥青路面经济性永久性沥青路面对结构层材料的要求永久性沥青路面对结构层材料的要求永久性沥青路面设计方法永久性沥青路面设计方法永久性沥青路面产
6、生的背景永久性沥青路面产生的背景 重载交通对欧洲沥青路面的挑战重载交通对欧洲沥青路面的挑战 轴载增加和重载交通量的快速增长；轴载增加和重载交通量的快速增长； 慢速交通产生了更大的路面应力；慢速交通产生了更大的路面应力； 高压轮胎引起作用应力的增加；高压轮胎引起作用应力的增加； 道路磨光加速。道路磨光加速。永久性路面的特点永久性路面的特点 在总费用上：初期建设费很高，日常养护费和使用费较少，在总费用上：初期建设费很高，日常养护费和使用费较少，总费用效益比最大总费用效益比最大 在设计年限上：至少在设计年限上：至少40年年 在损坏模式上：路面的损坏只发生在表面层，如表面开裂，在损坏模式上：路面的损坏
7、只发生在表面层，如表面开裂，不存在结构性破坏不存在结构性破坏 在养护维修上：只需要日常养护，不需要进行结构性大修在养护维修上：只需要日常养护，不需要进行结构性大修沥青路面周期费用经济分析沥青路面周期费用经济分析永久性沥青路面经济性永久性沥青路面经济性 永久性路面能够承受更大的交通量和更重的交通永久性路面能够承受更大的交通量和更重的交通荷载，虽然其初期建设费用较高，但是如果评价整个使荷载，虽然其初期建设费用较高，但是如果评价整个使用周期的总费用，永久性路面较传统的沥青路面更经济，用周期的总费用，永久性路面较传统的沥青路面更经济，降低了使用周期内的维修费用，同时极大降低了道路使降低了使用周期内的维
8、修费用，同时极大降低了道路使用者的使用费用（交通延误及事故费用）。用者的使用费用（交通延误及事故费用）。最大拉应变路面基础（路面基础（Pavement Foundation）高模量抗车辙材料（联结层）柔性抗疲劳材料 3 - 4”（HMA基层） 1.5 - 3” SMA, OGFC 或 Superpave （表面层 ） 4”to6”高压应力区 永久性沥青路面对结构层材料的要求永久性沥青路面对结构层材料的要求 要求面层应具有足够的抗车辙能力、抗渗性及抗磨耗要求面层应具有足够的抗车辙能力、抗渗性及抗磨耗性能；性能； 要求中间层（联结层）具有较强的抗车辙性能；要求中间层（联结层）具有较强的抗车辙性能；
9、 要求基层具有足够的抗疲劳及耐久性能。要求基层具有足够的抗疲劳及耐久性能。 要求路面结构的基础可以为路面结构的铺筑提供稳定要求路面结构的基础可以为路面结构的铺筑提供稳定的施工平台，其在服务期内的性能指标不会随季节的的施工平台，其在服务期内的性能指标不会随季节的改变而发生较大的变化。改变而发生较大的变化。 沥青路面较厚沥青路面较厚 = 应变较小应变较小 应变低于疲劳阈值应变低于疲劳阈值 = 疲劳寿命无限长疲劳寿命无限长压应变压应变拉应变拉应变应变应变疲劳寿命疲劳寿命疲劳寿命疲劳寿命无限长无限长沥青基层的抗疲劳性能沥青基层的抗疲劳性能 有效沥青含量较高的混合料有效沥青含量较高的混合料= 混合料具有
10、较高的应变能力混合料具有较高的应变能力 改性沥青改性沥青 =混合料具有较高的应变能力混合料具有较高的应变能力疲劳寿命疲劳寿命应应变变高沥青含量高沥青含量低沥青含量低沥青含量疲劳寿命疲劳寿命无限长无限长沥青基层的抗疲劳性能沥青基层的抗疲劳性能 影响永久性路面抗车辙性能的因素影响永久性路面抗车辙性能的因素 集料级配集料级配； 沥青等级及改性剂的添加；沥青等级及改性剂的添加； 施工过程中混合料的密度（空隙率）；施工过程中混合料的密度（空隙率）； 选择适宜的表面层材料。选择适宜的表面层材料。 沥青层厚度沥青层厚度 (mm)车车辙辙率率(mm/msa)01002003004000.11101001000
11、车辙率与沥青层厚度的关系车辙率与沥青层厚度的关系永久性沥青路面设计永久性沥青路面设计方法方法路面力学模型路面力学模型材料性能指标材料性能指标(模量值模量值)路面反应路面反应 (应力、应变等）应力、应变等） 转换函数转换函数路面寿命是路面寿命是否满足要求？否满足要求？最终设计最终设计面层底部大于面层底部大于70 meme的的拉应拉应变出现的可能性最小；变出现的可能性最小；路基顶部大于路基顶部大于 200 meme的的压压应变出现的可能性最小；应变出现的可能性最小；永久性路面设计永久性路面设计标准标准标准当量轴载标准当量轴载限制弯拉应变限制弯拉应变 70meme限制竖向压应变限制竖向压应变 8”)
12、路基路基 永久性路面设计目标永久性路面设计目标 反复弯曲反复弯曲产生疲劳开裂产生疲劳开裂反复反复变形变形产生车辙产生车辙HMA路基路基 国外沥青路面设计方法介绍国外沥青路面设计方法介绍CBR 设计法设计法 AASHTO 设计法设计法 SHELL设计法设计法 CBRCBR设计法设计法 该方法是上世纪二十年代美国加州使用的一种方法。该方法是上世纪二十年代美国加州使用的一种方法。该法根据多年实测结果得到一条土基承载值与路面总厚该法根据多年实测结果得到一条土基承载值与路面总厚度的关系曲线。而土基的承载值用标准碎石承载能力的度的关系曲线。而土基的承载值用标准碎石承载能力的百分比（称为加州承载比，记为百分
13、比（称为加州承载比，记为CBR值）表示。所以值）表示。所以这种方法也称为这种方法也称为CBR法。提出的法。提出的CBR指标指标已被作为路已被作为路面材料的一种参数指标得到了广泛应用。面材料的一种参数指标得到了广泛应用。 AASHTOAASHTO方法方法 AASHTO法提出了路面现时服务能力指数法提出了路面现时服务能力指数PSI的概念，的概念，以反映路面状况与质量的指标。通过对相同路段的主以反映路面状况与质量的指标。通过对相同路段的主观评价与客观评价，建立了观评价与客观评价，建立了PSI与路面状况的关系。与路面状况的关系。 AASHTO设计方法提出以使用年限末的路面现时服务设计方法提出以使用年限
14、末的路面现时服务能力指数能力指数Pt作为设计控制标准，使路面结构设计和路作为设计控制标准，使路面结构设计和路面使用期末的性能联系起来。面使用期末的性能联系起来。 路面现时服务能力指数PSI（路面耐用性指数）PSI=5.03-1.91lg式中：式中： 两边轮迹带上的平均坡度变化 C已发展成网裂者m2/92.9m2 P修补面积m2/92.9m2 车辙深度cm AASHTO1972AASHTO1972版版 结构数结构数表示路面结构强弱的指标，反映了路面表示路面结构强弱的指标，反映了路面各结构层层位、材料及厚度与路面结构强度之间对应关各结构层层位、材料及厚度与路面结构强度之间对应关系系 D1沥青面层厚
15、度； 1热拌沥青混凝土0.44 D2基层厚度； 2级配碎石0.14 D3底基层厚度； 3天然沙砾0.11 车辆的当量换算车辆的当量换算按耐用性指数按耐用性指数P=2.5P=2.5等效原则，提等效原则，提出了各种单轴和双轴换算为出了各种单轴和双轴换算为1818千磅（千磅（80KN80KN）单轴荷载的换）单轴荷载的换算系数（标准轴载）算系数（标准轴载） 1 1基本设计条件基本设计条件 最终耐用性指数，主要干线公路最终耐用性指数，主要干线公路p=2.5p=2.5 轻交通公路轻交通公路 p=2.0p=2.0 设计交通量设计交通量 设计期（设计期（2020年）换算为年）换算为1818千磅轴载累计作用千磅
16、轴载累计作用次数次数AASHTO1972AASHTO1972版设计版设计法法2路面结构数确定路面结构数确定 路面设计方程路面设计方程 C0道路试验中平均起始耐用性指数，4.2 C1道路试验中最终耐用性指数，1.5 P设计的最终耐用性指数，主干道2.5 次要公路2.03 3路面结构厚度确定路面结构厚度确定 由由 根据得到几种路面结构组根据得到几种路面结构组合，最后根据地区条件、施工条件及经济分析确定路面结构合，最后根据地区条件、施工条件及经济分析确定路面结构路面设计方程路面设计方程+2.32lgM+2.32lgMR R-8.7-8.7 式中：式中： ZR保证率系数 S0估计交通量的标准差，一般为
17、0.40.5 最初耐用性指数4.2 最终耐用性指数2.0（低交通）、2.5（主干道）AASHTOAASHTO19861986版版 MR有效路基土回弹模量有效路基土回弹模量 按下列方法加权处理按下列方法加权处理 1 1划分季节段（一般按月划分）划分季节段（一般按月划分） 2 2计算每月模量的损坏值计算每月模量的损坏值34根据平均损坏值根据平均损坏值 反算反算M Mr r。考虑路面排水的结构数考虑路面排水的结构数SN= AASHT086AASHT086版给出了未处治的材料的版给出了未处治的材料的m m值（值（m m值为值为0.4-1.40.4-1.4，排水质量越好，浸水时间越短，排水质量越好，浸水
18、时间越短，m m值越大）值越大） AASHT086 AASHT086版的路面设计过程中，还增加了路面膨胀版的路面设计过程中，还增加了路面膨胀与冻胀和分期修建的考虑。与冻胀和分期修建的考虑。路基膨胀或冻胀考虑路基膨胀或冻胀考虑路基膨胀或冻胀造成路基膨胀或冻胀造成PSI的损失。的损失。 每一个特定地区给出了膨胀或冻胀造成的每一个特定地区给出了膨胀或冻胀造成的PSI损失随时间的变化曲损失随时间的变化曲线（线（PSISVt PSIFH t ）设计方法：设计方法：估计路面使用年限（年）估计路面使用年限（年） 查图得出相应查图得出相应 PSI SV、FH 从设从设计总服务能力损失计总服务能力损失(PSI
19、）中扣除）中扣除 PSISV、FH，得到完全由，得到完全由交通荷载引起的交通荷载引起的PSITR PSIIR查查AASHTO路面设计图得到路面设计图得到累计交通量（累计交通量（ESAL） 根据交通量随时间变化图得到允许的使根据交通量随时间变化图得到允许的使用年限用年限 ,与初始估计的使用年限相比，两者相差与初始估计的使用年限相比，两者相差1年则可，否年则可，否则重新计算，直至收敛。则重新计算，直至收敛。 分期修建：分期修建： 关键是根据总可靠度的要求，分别计算分期修建的可靠度。关键是根据总可靠度的要求，分别计算分期修建的可靠度。 例如：总可靠度为例如：总可靠度为95%，则每一期的可靠度为，则每
20、一期的可靠度为 AASHTOAASHTO设计指南存在问题设计指南存在问题 AASHTOAASHTO试验路没有包括路面的维修改造内容。试验路没有包括路面的维修改造内容。 AASHTOAASHTO试验路是在特定的一个地点铺筑的，预测气候试验路是在特定的一个地点铺筑的，预测气候条件对路面使用性能的影响是困难的。条件对路面使用性能的影响是困难的。 AASHTOAASHTO试验路是在一种相同的路基条件下铺筑的，很试验路是在一种相同的路基条件下铺筑的，很难预测路基情况对路面使用性能的影响。难预测路基情况对路面使用性能的影响。 AASHTOAASHTO试验路的基层材料基本上都是粒料基层，所以试验路的基层材料
21、基本上都是粒料基层，所以指南没有包括其他基层。指南没有包括其他基层。 AASHTO设计指南存在问题设计指南存在问题 AASHTO试验路试验用的车辆是试验路试验用的车辆是20世纪世纪50年代后年代后期的车辆，与现在情况相比，在轴重、轴的形式、轮期的车辆，与现在情况相比，在轴重、轴的形式、轮胎尺寸和花纹等方面都显得太陈旧了。胎尺寸和花纹等方面都显得太陈旧了。 路面结构设计方法、路面材料、施工方法都代表当时路面结构设计方法、路面材料、施工方法都代表当时的水平，已经显得落后了。例如试验路没有完善的排的水平，已经显得落后了。例如试验路没有完善的排水设施。水设施。 AASHTO试验路只进行了两年，设计指南
22、关于设计试验路只进行了两年，设计指南关于设计寿命的计算也是推算得到的，没有考虑路面受气候影寿命的计算也是推算得到的，没有考虑路面受气候影响发生老化的情况。响发生老化的情况。 AASHTO设计指南存在问题设计指南存在问题 当时试验路使用的车辆轴载与现在的车辆有很大不同，当时试验路使用的车辆轴载与现在的车辆有很大不同，道路试验时使用这种汽车行驶了一百万次，仅相当于现道路试验时使用这种汽车行驶了一百万次，仅相当于现在一年左右交通量的作用。现在使用的设计方法的基础在一年左右交通量的作用。现在使用的设计方法的基础是由当时试验数据回归分析得到的计算式，利用这些公是由当时试验数据回归分析得到的计算式，利用这
23、些公式预测现在的交通量的作用，只能是对回归分析的结果式预测现在的交通量的作用，只能是对回归分析的结果外延，其结果很可能是设计不足或者设计过分外延，其结果很可能是设计不足或者设计过分。 AASHTO设计指南存在问题设计指南存在问题 当时的设计方法是把路面的使用性能建立在与路面厚度当时的设计方法是把路面的使用性能建立在与路面厚度的关系上。可是有许多路面损坏并不能简单地归结为厚的关系上。可是有许多路面损坏并不能简单地归结为厚度问题，例如车辙、低温开裂等，经常是需要维修的原度问题，例如车辙、低温开裂等，经常是需要维修的原因。因。AASHTO试验路设计方法的核心是以路面使用性试验路设计方法的核心是以路面
24、使用性能作为基础，而路面使用性能将舒适性列为首要因素。能作为基础，而路面使用性能将舒适性列为首要因素。实际上路面维修并不都是行车舒适性不足引起的，还有实际上路面维修并不都是行车舒适性不足引起的，还有其他诸多路面损坏情况。其他诸多路面损坏情况。AASHTO（200 x修订版）的修订要点修订版）的修订要点 对沥青路面、水泥混凝土路面、复合路面提供一个通对沥青路面、水泥混凝土路面、复合路面提供一个通用的设计方法；反映了交通、气候环境、路基、可靠性用的设计方法；反映了交通、气候环境、路基、可靠性的共同的设计要求。的共同的设计要求。 适用于新建和重建路面的结构设计，设计项目包括计适用于新建和重建路面的结
25、构设计，设计项目包括计算路面结构各层的厚度、重建的方法、地下排水设施、算路面结构各层的厚度、重建的方法、地下排水设施、路基改善等等。路基改善等等。 将使用周期效益成本分析的方法作为该设计方法的一将使用周期效益成本分析的方法作为该设计方法的一个子程序个子程序。 AASHTO（2002修订版）的内容修订版）的内容 以力学以力学-经验设计为基础，提供能够模拟各地不同设计经验设计为基础，提供能够模拟各地不同设计条件的路面结构设计方法；条件的路面结构设计方法； 提供给设计人员一系列方便实用的计算机软件及相关提供给设计人员一系列方便实用的计算机软件及相关的资料；的资料； 提供为掌握设计指南及计算机软件的培
26、训计划和教材；提供为掌握设计指南及计算机软件的培训计划和教材； 提供新设计指南推广应用的战略措施。提供新设计指南推广应用的战略措施。 交通量交通量分析分析路基路基气候气候材料性能材料性能更改设计更改设计初步设计初步设计否否满足性满足性能标准能标准？累计损伤累计损伤损伤预估模型损伤预估模型输入输入分析分析施工可行性研究施工可行性研究方案比选方案比选寿命周期内寿命周期内经济分析经济分析确定方案确定方案方案选择方案选择是是路面力学响应模型路面力学响应模型AASHTOAASHTO力学力学经验设计方法流程图经验设计方法流程图1 1输入参数输入参数 交通量：考虑了各类货车的轴载类型和出现频交通量：考虑了各
27、类货车的轴载类型和出现频率及其交通量的增长率。率及其交通量的增长率。 材料：实测或按经验公式得到沥青混合料的动材料：实测或按经验公式得到沥青混合料的动弹模及无结合料基层与路基的弹性模量。弹模及无结合料基层与路基的弹性模量。 气候：路面处于不同气候条件（温度、湿气候：路面处于不同气候条件（温度、湿度），荷载对路面造成的损伤是不相同的，其破坏程度），荷载对路面造成的损伤是不相同的，其破坏程度按度按MinerMiner累计损伤原理计算。累计损伤原理计算。AASHT0200XAASHT0200X版设计方法版设计方法例如疲劳损伤例如疲劳损伤式中：式中： k不同水平的荷载 i时间（季节） ni第k级荷载在
28、i季节段作用的累计次数 在i季节段，按疲劳公式计算所得结构层所能承受的最大疲劳 作用次数 路基：Mr有效路基土回弹模量kmktitiNnDI11)(e2 2损坏预估模型损坏预估模型 损坏类型：永久变形（车辙）、疲劳开裂、温度开裂、损坏类型：永久变形（车辙）、疲劳开裂、温度开裂、平整度平整度(1)(1)永久变形（车辙）预测模型永久变形（车辙）预测模型 路面总车辙量路面总车辙量PD=PDAC+PDGB+PDSG沥青层车辙计算模型沥青层车辙计算模型 式中：式中： 回弹应变 T温度（F） 累计塑性应变 N荷载作用次数K K1 1考虑沥青层总厚度考虑沥青层总厚度haha与计算点深度与计算点深度z z的系
29、数的系数粒料层或路基车辙模型粒料层或路基车辙模型 式中：式中： 粒料层或路基在标准轴载作用下，N次后的塑性变形( in) N荷载重复作用次数 z 实验室的回弹应变 h h层厚（in） 由力学模型得到的平均竖向回弹应变 材料属性参数 UB 修正系数，粒料层2.0，路基8（2 2）疲劳开裂预测模型疲劳开裂预测模型 沥青混合料疲劳方程沥青混合料疲劳方程式中： C沥青体积率Vb和空隙率Va的系数， C=10C=10M MM=4.84 E 沥青混合料的动弹模（MPA） 沥青层底的弯拉应变 K1开裂形式的修正系数 自下而上开裂而上开裂 （Buttou-Up CrackButtou-Up Crack） 沥青
30、层厚度自上而下开裂（自上而下开裂（Top-Down Crack）(3)温度开裂预测模型温度开裂预测模型 温度开裂预估模型建立分五步进行温度开裂预估模型建立分五步进行: : 沥青混合料性能试验（蠕变柔度通用曲线及沥青混合料性能试验（蠕变柔度通用曲线及1010间接拉伸强度）间接拉伸强度） 计算降温过程中沥青层内不同时刻、不同位置的温度应力计算降温过程中沥青层内不同时刻、不同位置的温度应力 计算裂缝尖端应力强度因子计算裂缝尖端应力强度因子 应用断裂力学应用断裂力学ParisParis定律建立裂缝定律建立裂缝 扩度模型扩度模型 开裂量预估模型开裂量预估模型 通过野外标定得到温度裂缝数量与开通过野外标定
31、得到温度裂缝数量与开裂量之间的关系裂量之间的关系（4）平整度（）平整度（IRI）预测模型）预测模型 路面平整度很大程度上受车辙、车辙深度和疲劳开裂的影响，其它一些破坏，例如坑洞、网裂、纵向裂缝等对平整度也都有影响。预测平整度（IRI）的模型按不同类型基层而不一样。例如：沥青稳定基层例如：沥青稳定基层 IRI= IRI0 +0.0099947(Age)+0.00051(FI)+0.00235(FC)T+18.36+0.9694(p)H式中：式中： IRI0初始IRI（m/km） Age使用年限（年） FI年冰冻指数平均值 （ day） (FC)T轮迹处的疲劳裂缝数量（占整个车道的百分数） (TC
32、s)H高严重度的横向裂缝的平均间距（m） (P)H高严重度的坑洞的面积（占整个车道的百分数） Shell（壳牌）设计方法（壳牌）设计方法 Shell Shell石油公司提出的一套沥青路面的设计方法石油公司提出的一套沥青路面的设计方法 路面结构分三层：路基、基层和沥青层路面结构分三层：路基、基层和沥青层 设计寿命：标准轴载（设计寿命：标准轴载（ 、单轴双轮、压应力、单轴双轮、压应力 接地半径接地半径 ）在设计年限内的累计使用次数）在设计年限内的累计使用次数 设计标准：沥青层底面的容许拉应变（控制路面开裂）、路设计标准：沥青层底面的容许拉应变（控制路面开裂）、路 基顶面的容许压应变（控制路面的车辙
33、）应满足路面设计寿命的基顶面的容许压应变（控制路面的车辙）应满足路面设计寿命的要求要求 Shell（壳牌）设计方法（壳牌）设计方法 ShellShell方法设计步骤：方法设计步骤： 1 1、初拟沥青层厚度、初拟沥青层厚度 2 2、由月平均气温（、由月平均气温（MMATMMAT）计算加权年平均气温（）计算加权年平均气温（W- W- MAATMAAT） 3 3、确定路面的设计寿命、确定路面的设计寿命 4 4、确定沥青的劲度、确定沥青的劲度 5 5、确定沥青混合料的劲度、确定沥青混合料的劲度 Shell（壳牌）设计方法（壳牌）设计方法 6 6、确定路基及基层动态模量、确定路基及基层动态模量 7 7、
34、确定路面结构模型、确定路面结构模型 8 8、BISARBISAR程序计算路面应变及寿命程序计算路面应变及寿命 9 9、根据设计寿命确定路面结构层厚度、根据设计寿命确定路面结构层厚度 1010、沥青层车辙深度的预测、沥青层车辙深度的预测 Shell（壳牌）设计方法（壳牌）设计方法 一、初拟沥青层的厚度一、初拟沥青层的厚度 通常初拟沥青层厚度为通常初拟沥青层厚度为0.05-0.6m0.05-0.6m 二、确定月平均气温二、确定月平均气温(MMAT(MMAT）、加权年平均气温（）、加权年平均气温（W-MAATW-MAAT）及沥青混合料的有效温度及沥青混合料的有效温度（T Tmixmix）。）。MMA
35、TMMAT很容易从气象资料很容易从气象资料中找到。中找到。 根据每个月的根据每个月的MMATMMAT查查温度加权系数曲线温度加权系数曲线得到加权系得到加权系数数 根据根据1212个月的平均加权系数再查个月的平均加权系数再查温度加权系数曲温度加权系数曲线线得加权年平均气温（得加权年平均气温（W-MAATW-MAAT） Shell（壳牌）设计方法（壳牌）设计方法 根据加权年平均气温（根据加权年平均气温（W-MAATW-MAAT）及沥青层厚度查）及沥青层厚度查W-W-MAATMAAT同沥青混合料有效温度（同沥青混合料有效温度（T Tmixmix）诺模图）诺模图得到沥青混合得到沥青混合料的有效温度料的
36、有效温度T Tmixmix。 三、确定路面的设计寿命三、确定路面的设计寿命 每天每车道各轴载组的轴次换算为标准轴载的换算系每天每车道各轴载组的轴次换算为标准轴载的换算系数按下式计算：数按下式计算： 继而计算每个车道在设计年限内标准轴载的累计使用继而计算每个车道在设计年限内标准轴载的累计使用次数次数路面的设计寿命路面的设计寿命 Shell（壳牌）设计方法（壳牌）设计方法四、沥青劲度模量四、沥青劲度模量S Sbitbit 按照按照Van der PoelVan der Poel诺模图诺模图确定沥青的劲度模量确定沥青的劲度模量S Sbitbit 查阅参数查阅参数 1 1、沥青的温度，即沥青混合料的有
37、效温度、沥青的温度，即沥青混合料的有效温度T Tmixmix 2 2、软化点温度、软化点温度T TR&BR&B 3 3、针入度指数、针入度指数PIPI 4 4、加载时间、加载时间t t（一般取（一般取0.020.02秒秒; ;反映车辆的行驶速度）反映车辆的行驶速度） Shell（壳牌）设计方法（壳牌）设计方法五、沥青混合料的劲度模量五、沥青混合料的劲度模量SmixSmix 沥青混合料的劲度模量沥青混合料的劲度模量SmixSmix与沥青的劲度模量与沥青的劲度模量SbitSbit及混合料的体积组成（结合料的体积比及混合料的体积组成（结合料的体积比VbitVbit与矿料体积与矿料体积比比VaggVa
38、gg）有关。）有关。 根据沥青劲度模量根据沥青劲度模量SbitSbit、结合料的体积比、结合料的体积比VbitVbit 及矿料体积比及矿料体积比VaggVagg查查沥青混合料劲度模量沥青混合料劲度模量SmixSmix诺诺 得到沥青混合料的劲度模量得到沥青混合料的劲度模量SmixSmix Shell（壳牌）设计方法（壳牌）设计方法六、确定路基、基层的动态模量六、确定路基、基层的动态模量 路基的动态模量路基的动态模量E E3 3可通过现场动态弯沉（可通过现场动态弯沉（FWDFWD）测定。）测定。也可以根据也可以根据CBRCBR、承载板试验的回弹模量查、承载板试验的回弹模量查路基及无机路基及无机结合
39、料层动态模量诺模图结合料层动态模量诺模图确定确定 基层、底基层的动态模量基层、底基层的动态模量E E2 2可根据路基的动态模量可根据路基的动态模量E E3 3、无机结合料层的总厚度无机结合料层的总厚度h h2 2按下列经验公式确定按下列经验公式确定 （2k42k4） Shell（壳牌）设计方法（壳牌）设计方法七、确定路面结构模型七、确定路面结构模型 1 1、路面结构模型为弹性三层体系（沥青层、路面结构模型为弹性三层体系（沥青层、无机结合料基层及路基）无机结合料基层及路基） 2 2、计算标准轴载作用下，沥青层底部和路基、计算标准轴载作用下，沥青层底部和路基顶部的轮中心下和轮隙中心下的应力、应变值
40、顶部的轮中心下和轮隙中心下的应力、应变值 Shell（壳牌）设计方法（壳牌）设计方法八、八、BISARBISAR程序计算路面应变及寿命程序计算路面应变及寿命 BISAR BISAR程序可以计算上述路面结构模型在标准轴程序可以计算上述路面结构模型在标准轴 载作用载作用下，沥青层底部和路基顶面的轮中心下及轮隙中心下的应下，沥青层底部和路基顶面的轮中心下及轮隙中心下的应变值（变值（ fatfat、subsub） 1 1、沥青层的应变与疲劳寿命、沥青层的应变与疲劳寿命 ShallShall为可采用下列关系式，并给出相应的为可采用下列关系式，并给出相应的疲劳诺模疲劳诺模图图 Shell（壳牌）设计方法（
41、壳牌）设计方法其中：其中： 沥青的体积比沥青的体积比 沥青混合料的劲度沥青混合料的劲度 疲劳损坏时，疲劳应变的作用次数疲劳损坏时，疲劳应变的作用次数根据本式或疲劳诺模图根据本式或疲劳诺模图 2 . 036. 0)()()8 . 1856. 0(fatmixbitfatNSVefatbitmixfatfatbitmixfatNVSVSN、ee Shell（壳牌）设计方法（壳牌）设计方法2 2、路基的应变及路面寿命、路基的应变及路面寿命 在标准轴载作用下，路基容许压变在标准轴载作用下，路基容许压变sub与荷载重复作用与荷载重复作用次数次数N N的关系，根据的关系，根据AASHOAASHO的实验结果
42、获得：的实验结果获得： 当当PSIPSI降到降到2.52.5时时 上述关系来自现场实测，因此车辆横向分布影响已上述关系来自现场实测，因此车辆横向分布影响已考虑考虑subNe028. 0 Shell（壳牌）设计方法（壳牌）设计方法九、根据计算寿命确定路面结构层厚度九、根据计算寿命确定路面结构层厚度 BISARBISAR程序会根据初拟路面结构及厚度，计算路基及沥青程序会根据初拟路面结构及厚度，计算路基及沥青层的应变，并换算成路面寿命，同设计寿命相比较，误差层的应变，并换算成路面寿命，同设计寿命相比较，误差小于小于5%.5%.初拟厚度即为结构层设计厚度，否则，程序会自初拟厚度即为结构层设计厚度，否则
43、，程序会自动变更厚度，再次计算，直至满足要求为止动变更厚度，再次计算，直至满足要求为止 Shell（壳牌）设计方法（壳牌）设计方法十、沥青层车辙深度预测十、沥青层车辙深度预测 1 1、沥青层亚层划分、沥青层亚层划分 一般将沥青层划分为三亚层：一般将沥青层划分为三亚层： 按照沥青层的实际组合划分亚层按照沥青层的实际组合划分亚层 2 2、沥青的有效粘度、沥青的有效粘度 根据月平均气温根据月平均气温MMATMMAT、沥青亚层厚度、沥青亚层厚度 查查沥青层的月有效温度或沥青层的月有效温度或年有效温度同年有效温度同MMATMMAT或或W-MAATW-MAAT的关系诺模图的关系诺模图求沥青亚层月有效温度求
44、沥青亚层月有效温度 （T Tmeffmeff）1-i1-i Shell（壳牌）设计方法（壳牌）设计方法 查查Van Der Poel Van Der Poel 诺模图，得到沥青劲度诺模图，得到沥青劲度S Sbitbit并根并根 据牛顿定律：据牛顿定律： 得到该亚层沥青的月有效粘度（得到该亚层沥青的月有效粘度（VISCVISCmeffmeff）1-i 1-i 通过取通过取1212个月沥青有效粘度的倒数的平均值，便可个月沥青有效粘度的倒数的平均值，便可得到该亚层的年沥青有效粘度（得到该亚层的年沥青有效粘度（VISCVISCyeffyeff）1-i 1-i 再根据再根据Van Der Poel Va
45、n Der Poel 诺模图，便可以由（诺模图，便可以由（VISCVISCyeffyeff）1-1-i i 求得相应年有效温度（求得相应年有效温度（MAATMAATyeffyeff）1-i 1-i Shell（壳牌）设计方法（壳牌）设计方法 3 3、交通荷载、交通荷载 交通量指标准轴载通过每条车辙道上车轮总数。交通量指标准轴载通过每条车辙道上车轮总数。 如果统计时不分单轮、双轮，那么：如果统计时不分单轮、双轮，那么： 每条车辙道上通过车轮总数每条车辙道上通过车轮总数=1.4=1.4* *每条车辙道上通过每条车辙道上通过的轴荷载的总数的轴荷载的总数W W总总 若换算为标准轴载（若换算为标准轴载（
46、 ），每条车辙道上等效），每条车辙道上等效标准车辆的车轮总数：标准车辆的车轮总数：W W等数等数=1.4=1.4W W总总 A A A- A-换算系数换算系数 根据根据 查诺模图查诺模图 Shell（壳牌）设计方法（壳牌）设计方法 4 4、沥青混合料劲度模量、沥青混合料劲度模量 根据沥青的年有效粘度根据沥青的年有效粘度（VISCVISCyeffyeff）1-i 1-i 、年标准当量轮次、年标准当量轮次W Wy y及每个轮载的作用时间及每个轮载的作用时间 ，按下式求得沥青的有效劲度模量：，按下式求得沥青的有效劲度模量： 根据根据 查查沥青与沥青混合料劲度模量关系诺模图沥青与沥青混合料劲度模量关系
47、诺模图得到沥青混合料的有效劲度模量得到沥青混合料的有效劲度模量 Shell（壳牌）设计方法（壳牌）设计方法 5 5、沥青层的永久变形、沥青层的永久变形 利用利用BISARBISAR程序计算每一亚层的顶面与底面在车轮中心下的垂程序计算每一亚层的顶面与底面在车轮中心下的垂直位移，二者之差即为每一亚层的厚度减少量。根据线弹性理论，直位移，二者之差即为每一亚层的厚度减少量。根据线弹性理论，各亚层厚度减少量与平均应力各亚层厚度减少量与平均应力平均平均 成正比成正比 定义系数定义系数Z Zi i为某亚层平均应力为某亚层平均应力平均平均 与轮胎压力与轮胎压力0之比，可得之比，可得到下列等式到下列等式 式中：
48、式中： - -亚层（亚层（i i）的垂直变形（亚层顶面与底面的垂直位移差）的垂直变形（亚层顶面与底面的垂直位移差）iiiiiiiEhEhZ1010110）（平均 Shell（壳牌）设计方法（壳牌）设计方法 根据上列等式，可得到沥青的永久变形根据上列等式，可得到沥青的永久变形 沥青层的永久变形出现在高温季节。故沥青层的永久变形出现在高温季节。故E E1-i1-i 用用S S1-i1-i( (沥青混合料劲度模量沥青混合料劲度模量) )代替。代替。 考虑静态与动态的区别，乘以系数考虑静态与动态的区别，乘以系数Cm，最后沥青的永最后沥青的永久变形按下式计算：久变形按下式计算： 式中：式中：Z Zi i
49、、C Cm系数可由系数可由ShellShell路面设计手册中查得路面设计手册中查得iiiiiiZhh10111EE平均iiimiSZhCh101 Shell（壳牌）设计方法（壳牌）设计方法 将各个亚层的永久变形相加，即为沥青层的永久变形。将各个亚层的永久变形相加，即为沥青层的永久变形。沥青层永久变形同基层与路基永久变形之和即为车辙。沥青层永久变形同基层与路基永久变形之和即为车辙。 当沥青层较厚时，基层与路基的永久变形较小，车辙当沥青层较厚时，基层与路基的永久变形较小，车辙主要来源于沥青层。主要来源于沥青层。 将路面结构确定后，沥青层的车辙预测将用于排除将路面结构确定后，沥青层的车辙预测将用于排除产生过量车辙的结构设计。产生过量车辙的结构设计。
