5．5 路面结构层的计算 5．5．2 弹性层状理论是在一定假设条件下(半无限空间体、材料各向同性、均质体且不计自重)经过复杂的力学、数学推演的理论体系，假设条件与路面实际不完全相符合，这是导致理论与实际不一致的原因之一。规范中通过试验路的铺筑测试，资料分析仍然引入公路沥青路面规范中给出的弯沉综合修正系数F，将理论弯沉值进行修正，使计算弯沉值与实测弯沉值趋于接近实际。 1997年公路规范修订时，又扩大了试验，通过七条试验路铺筑的49种结构，路面总厚度在490mm～930mm。在实测表面弯沉值为3～88(0．01mm)、多数弯沉值为10～50(0．01mm)、土基模量大多为30MPa的条件下，对测试资料进行分析，提出弯沉综合修正系数F，使计算弯沉值与实测弯沉值趋于接近实际。 5．5．5 为防止路面面层出现车辙、波浪、推移和自上而下开裂等破坏，应控制沥青层的最大剪应力小于面层材料的容许剪应力。 温度是影响沥青混合料抗剪性能的重要因素，考虑我国的气候条件，抗剪性能适合研究的区间是30℃～60℃。考虑最不利环境温度，选取60℃作为沥青表面层混合料抗剪试验温度和力学分析时的模量取值温度。在第三届沥青路面结构设计国际会议“The modulus of asphalt layers at high temperature：comparison of laboratory measurements under simulated traffic conditions with theory”一文中采用室内环道试验，实测了路面结构在表面层加热到60℃温度下轮载作用的变形及力学响应，并以黏弹性层状体系理论和弹性层状体系理论分别进行计算，结果表明在60℃高温情况下沥青层采用相应温度的抗压回弹模量，则弹性层状体系理论计算仍然是适用的。 对于最不利条件下的剪应力计算时模量取值，表面层温度为60℃，应选择60℃抗压回弹模量，而中下面面层温度在40℃～50℃之间，因此计算时中下面层模量应采用40℃～50℃时模量，但是不同温度下的模量应用给设计带来了很大麻烦，因此编制组对比了中下面层取不同温度、模量下的剪应力计算结果，结果表明，中下面层模量变化对剪应力结果影响很小，采用20℃与50℃模量计算剪应力结果相差在5％以内，因此为了方便设计应用，中下面层采用20℃时的抗压回弹模量。 秉承《城市道路设计规范》CJJ 37-1990，规范编制组采用双圆均布荷载，针对不同路面结构形式、不同厚度、不同水平力系数等对沥青层最大剪应力及其位置进行计算分析。结果表明，路面结构形式、厚度对沥青层最大剪应力的数值影响相对较小，水平力系数fh对最大剪应力的影响最大；当有水平力存在时，其最大剪应力基本位于路表轮迹外边缘处。结合《城市道路设计规范》CJJ 37-1990和规范编制组在对不同路面结构、不同厚度以及不同水平力系数的情况下路面结构内最大剪应力计算的基础上，提出计算点水平位置选取了路表距单圆荷载中心0．9δ靠近荷载外边缘处与距路表0．1h1(h1为表面层厚度)荷载外侧边缘处两点。通过计算并选取两个点处的较大剪应力值，得到沥青层的理论计算最大剪应力。 关于水平力的大小，在正常行驶和思想有准备的制动、启动时，水平力系数一般小于0．17，故设计公交车停车站、交叉口等路段时fh以0．2计算。但在紧急制动时水平力系数可高达0．5左右，最大值接近于路面的摩擦系数，鉴于高温时路面摩擦系数较标准状态略低，故设计时fh以0．5计算。而紧急制动有可能发生在车行道的任何一个部位，所以一般路段按水平力系数为0．5取值。 5．5．6 材料设计参数是进行混合料设计、路面结构设计中的重要内容。长期以来，沥青路面设计人员忽视材料设计参数测定，造成路面设计仅仅是抄录规范参数进行厚度计算的局面，因此，我国路面设计参数的资料积累非常少。为了加强这一工作，根据不同的道路等级、设计阶段提出了路面设计参数测试与取值要求。 5．5．7 材料设计参数的测定方法对试验结果有较大影响，如成型方法、仪具、温度控制、加载方式等。设计参数应根据路面的损坏类型、受力模式采用不同方法测定相应的参数。对于弯拉应力计算，考虑到弯拉模量测试试验繁琐、数据离散性大的问题，曾在《公路沥青路面设计规范》JTJ 014-1997修订时简化了材料参数的试验方法，提出了用抗压模量代替弯拉模量、劈裂强度代替弯拉强度的方法。并专题研究了以抗压模量代替弯拉模量、劈裂强度代替弯拉强度的可行性，同时对弯拉疲劳与劈裂疲劳结果进行了对比分析。从对比分析结果来看，采用抗压模量代替弯拉模量、劈裂强度代替弯拉强度在取值上是偏于保守的，对于半刚性基层，弯拉模量与抗压模量比值一般在2～3左右，弯拉强度与劈裂强度的比值一般在1．1～1．7左右。这个结果表明，所推荐的抗压模量远远低于弯拉模量，劈裂强度小于弯拉强度，且两者显然不是同比例的变化的。因此，从统一设计指标与计算参数的角度出发，采用弯拉模量与弯拉强度更合理。然而，目前实测弯拉模量与弯拉强度数据较少，希望各省份根据当地材料制件测试计算参数。在没有充足的试验资料前，仍采用抗压回弹模量与劈裂强度作为弯拉应力计算的参数。 计算沥青层层底拉应变时，需采用各层材料的动态回弹模量值，目前我国测定动态回弹模量的单位较少，实测材料动态回弹模量将较为繁琐，半刚性基层的模量设计值，按照附录C．3中推荐材料参数取值，粒料与土基模量可采用公式5．5．7-2计算确定。对于沥青层模量，沥青混凝土动态回弹模量可按3个水平确定： 第1水平：按照标准的试验方法，在一定荷载频率和温度下，实际测定沥青混合料的动态回弹模量。 沥青混合料抗压动态回弹模量的标准试验方法主要有以下几个：美国材料与试验协会(ASTM)的沥青混合料动态回弹模量标准试验方法(ASTM D3497-79)、美国各州公路和运输官员协会(AASHTO)的热拌沥青混合料动态回弹模量标准试验方法(AASHTO TP62-03)以及美国国家公路合作研究项目(NCHRP)的两个研究项目(NCHRP 9-19／9-29)。这几个标准试验方法的试验原理基本一致，但在试件制备、试验温度和频率、位移传感器的安置、加载时间、试件破坏判定以及模量计算等方面存在差异。ASTM D3497-79中规定试验试件的高径比为2：1，且试件的最小直径为4in．(101．6mm)，试验温度为5℃、25℃、40℃，试验频率为1Hz、4Hz、16Hz，试验过程中沿试件圆周等间距安放2个位移传感器，试验加载时间为30s～45s，混合料的模量计算是采用最后3个加载循环的应力幅值和应变幅值，并且该标准没有给出试件破坏的判定标准； AASHTO TP62-03中规定试件的尺寸是直径为100mm，高度为150mm，试验温度为-10℃、4．4℃、21．1℃、37．8℃、54．4℃，测试频率为0．1Hz、0．5Hz、1Hz、5Hz、10Hz、25Hz，沿试件圆周等间距安放3个位移传感器，加载时间的规定是根据试验频率的不同给出相应的加载循环次数，混合料的模量计算是采用最后5个加载循环的应力幅值和应变幅值，试件破坏的判定是以累计塑性变形是否超过1500微应变为标准：NCHRP 9-19／9-29除了要求的试验温度和模量的计算方法(采用最后10个加载循环来计算)与AASHTO TP62-03有所不同外，其余的规定基本一致。 在考虑国外各种沥青混合料抗压动态回弹模量标准试验方法的差异性和优缺点的基础上，结合我国室内沥青混合料试验的现状，给出了沥青混合料单轴压缩动态回弹模量测试方法，详见附录E——沥青混合料单轴压缩动态回弹模量试验方法。 第2水平：无需进行动态回弹模量室内试验，而是使用动态回弹模量预估方程获得。目前由于预估方程种类较多，样本数据存在差异性和局限性，因此暂时没有推荐使用。 第3水平：不需要试验和预估方程确定沥青混合料的动态回弹模量，而是采用推荐的材料参数值，见附录C。 建议和提倡在路面设计过程中，采用标准试验方法实测沥青混合料的动态回弹模量。 5．5．8 沥青路面厚度可以采用基于多层弹性体系理论的设计程序计算，如PDS-CJJ 169等设计程序。沥青路面结构设计流程见图3。 新建沥青路面结构层厚度计算示例： 1 基本资料 1）自然地理条件 新建快速路和支路所在城市地处1-4-1区，属于夏炎热冬温湿润地区，道路所处沿线地质为中液限黏性土，填方路基，属于中湿状态；年降雨量在1100mm左右，年平均气温在20℃左右。主干路为双向六车道，拟采用沥青路面结构；支路为双向两车道，拟采用沥青路面结构。 2)土基回弹模量的确定 设计路段路基处于中湿状态，主干路路基土回弹模量设计值为40MPa，支路路基土回弹模量设计值为25MPa。 3)设计轴载 主干路沥青路面设计基准期15年，以设计弯沉值为设计指标时等效换算的累计当量轴次为1800万次，半刚性基层层底拉应力为设计指标时等效换算的累计当量轴次为2200万次。根据工程可行性研究报告，预测该主干路交通量年增长率为5％。 支路沥青路面设计基准期10年，以设计弯沉值为设计指标时等效换算的累计当量轴次为250万次，半刚性基层层底拉应力为设计指标时等效换算的累计当量轴次为300万次。根据工程可行性研究报告，预测该支路年交通量年增长率为3％。 2 初拟路面结构 根据本地区的路用材料，结合已有的工程经验与典型结构，初拟路面结构组合方案。根据结构层的最小施工厚度、材料、水文、交通量等因素，初拟路面结构组合和各层厚度如表4所示。 3 材料参数确定 各种材料的设计参数见表5～表8。 4 路面结构层厚度计算 1）主干路结构层厚度计算 根据表3．2．7和表5．4．1，确定该主干路路面结构设计满足目标可靠度90％的可靠度系数γα按1．10考虑。 ①以弯沉为设计指标 该主干路结构为半刚性基层，采用公式（5．4．3）计算设计弯沉，主干路Ac取1．0，沥青混凝土面层As取1．0，半刚性基层沥青路面Ab取1．0，因此， ②以半刚性基层层底拉应力为设计指标 半刚性材料容许拉应力采用公式（5．4．5-1）计算，满足容许拉应力的水泥稳定碎石下基层厚度计算结果见表9。 利用PDS-CJJ 169设计程序计算出满足半刚性基层层底拉应力要求的水泥稳定碎石下基层厚度为29．0cm。满足设计弯沉指标的水稳碎石下基层厚度为29．0cm。考虑施工要求，设计厚度取水稳碎石下基层30．0cm。路表计算弯沉为37．48（0．01mm），水稳碎石上基层层底最大拉应力为0．021MPa，水稳碎石下基层层底最大拉应力为0．154MPa，此时1．10σm<σR，满足设计要求。 ③以沥青层剪应力为设计指标 采用公式（5．4．6）计算沥青混合料容许抗剪强度。Kr为抗剪强度结构系数。 根据现场统计分析，设计基准期内该路某大型交叉口同一位置停车的累计当量轴次为3．78×106，某大型公交停靠站累计当量轴次为1．92×106。则： 设计水泥稳定碎石下基层厚度确定为30．0cm时，利用PDS-CJJ 169设计程序计算出不同水平力系数下沥青层最大剪应力计算结果（表10）。 考虑最不利情况，交叉口、停靠站容易发生剪切疲劳破坏，因此沥青混合料抗剪强度在1．04MPa以上才能满足抗剪强度要求；对于一般行驶路段，沥青表面层混合料的抗剪强度也应在0．55MPa以上才能满足设计要求。本主干路采用的改性沥青SMA-13抗剪强度在0．8MPa以上，可满足一般路段的抗剪性能要求。 根据计算结果，并考虑施工要求，设计厚度取水稳碎石下基层30．0cm。一般路段沥青上面层采用SMA-13(SBS改性沥青)可行。建议大型交叉口、公交停靠站作为特殊路段进行特殊设计，确保沥青路面满足抗剪性能要求。 2)支路结构层厚度计算 根据表3．2．7和表5．4．1，确定该支路路面结构设计满足目标可靠度85％的可靠度系数按1．06考虑。 ①以弯沉为设计指标 该支路结构为半刚性基层，采用公式(5．4．3)计算设计弯沉，支路Ac取1．2，沥青混凝土面层As取1．0，半刚性基层沥青路面Ab取1．0，因此， 设计厚度取水泥粉煤灰碎石层为19．0cm。 ②以沥青层剪应力为设计指标 采用公式(5．4．6)计算沥青混合料容许抗剪强度。Kr为抗剪强度结构系数。 根据现场调查统计，设计基准期内该路某交叉口同一位置停车的累计当量轴次为1．34×105，某公交停靠站累计当量轴次为5．11×105。则： 设计水泥粉煤灰碎石下基层厚度确定为19．0cm时，利用PDS-CJJ 169设计程序计算出不同水平力系数下沥青层最大剪应力计算结果(表11)。 根据分析，交叉口、停靠站容易发生剪切疲劳破坏，因此沥青混合料抗剪强度在0．7MPa以上才能满足抗剪强度要求，建议交叉口、停靠站路段可采用SBS改性沥青混合料；一般行驶路段，沥青表面层混合料的抗剪强度应要求达到0．44MPa，本支路采用的AC-13混合料采用普通沥青时抗剪强度最高可达0．6MPa，可满足一般路段设计要求。 综合分析，设计厚度取水泥粉煤灰碎石下基层19．0cm。一般路段沥青上面层采用普通沥青AC-13混合料可行；建议交叉口、停靠站路段上面层采用改性沥青AC-13混合料，并确保满足沥青路面抗剪性能要求。