《公路沥青路面设计规范》(JTGD50-2017)宣贯.ppt

公路沥青路面设计规范 JTGD50 2017 宣贯用 张起森教授长沙理工大学 目录 五 材料性质要求和设计参数 一 术语 一 术语解释 2 1 11 2 1 17 2 1 11结构的设计期 设计基准期 在预计的累计当量轴次和环境条件作用下 路面不发生结构性破坏的时间长度 与工程结构可靠度设计中的 设计基准期 同 2 1 13轴载谱各种车辆不同轴重的分布概率图 正态分布 对数正态分布 2 1 14当量轴次分别按不同的破坏指标 五个指标 按当量损坏原则 mimer假定 将不同轴载的作用次数换算为设计轴载 100kN 的当量作用次数 2 1 15累计当量轴次概念与老规范同 但这里指客车和货车的交通量 指2类 11类车型 不考虑轻型车的作用 2 1 16路基平衡湿度公路通车后 路基湿度在地下水 大气降雨与蒸发等因素作用下达到平衡状态 湿度相对稳定 此时的路基湿度定义为路基平衡湿度 2 1 17裂缝指数表征横向裂缝密集程度的指标 反映沥青层低温开裂程度 DTT直接拉伸试验 二 符号说明 15个符号 沥青混合料的抗剪强度 分析沥青层永久变形 用贯入法测定 目标可靠度指标 反映结构可靠性的大小 标准差 又称均方差 动态剪切流变仪 动态剪切系数模量 采用动态剪切流变仪 DSR 60 10rad s 约为1 59HZ 试验确定 沥青劲度模量 采用弯曲量流变仪 BBR 10 加载180秒确定的劲度模量值 MPa 弯曲梁流变仪 三 设计标准 3 0 1目标可靠度和可靠度指标 3 0 2路面结构设计使用年限表3 0 2路面结构设计使用年限 年 3 0 3设计轴重100kN 单轴 双轮组 与老规范同 技术参数表3 0 3设计轴承的参数 表3 0 1目标可靠度和目标可靠度指标 3 0 4设计交通荷载等级 累计轴重为大型客车和货车交通量 2类 11类车 增加了 极重 等级 50 106辆 分为五级 老规范四级 表3 0 4设计交通荷载等级 沥青层疲劳开裂 无机结合料层疲劳开裂 沥青层永久变形 路基顶面层竖向压应变 路面表面低温开裂 季节性冰冻地区 3 0 5沥青路面设计控制指标五个 取消了表面弯沉指标 五个指标 3 0 6设计指标应满足 验算指标 1 按本规范附录B 1和B 2计算的沥青层和无机结合料层的疲劳开裂寿命 次 容许的 均应大于附录A确定的设计年限内当量轴载累计作用次数 2 按附录B3计算的沥青永久变形量 应小于表3 0 6 1容许的变形量值 表3 0 6 1沥青混合料层容许永久变形量 mm 3 路基顶面竖向压应变应小于附录B4的容许值 4 按照附录B5计算的沥青面层低温开裂指数不大于表3 0 6 2 3 0 7对于高速公路 一级公路等提出抗滑技术指标横向力系数SFC60 测试标准车60km h TD 铺砂法构造深度 mm 与旧规范一样 表3 0 6 2低温开裂指数要求 四 结构组合设计 4 4 5基层和底基层厚度 突出了集料公称最大粒径的关系4 5 2面层材料类型适用的交通荷载等级与层位 表4 5 2 表4 5 2面层材料的交通荷载等级和层位 4 5 4不同粒径的沥青厚度符合表4 5 4的规定 连续级配沥青混合料和沥青玛蹄脂碎石混合料 SMA 的结构层小厚度不宜小于集料公称最大粒径的2 5倍 开级配沥青混合料厚度不宜小于集料公称最大粒径的2 0倍 表4 5 4不同粒径沥青混合料的最小层厚 mm 4 6功能层 粘层 封层 透层 隔离层 防水 排水 层 防裂层 取消了老规范中的垫层 编制中表面 表4 1 列出了沥青路面主要损坏类型 五 材料性质要求和设计参数 Yourtext urtext ourtext 利用已有经验关系式确定 参照典型数值确定 通过室内试验实测确定 水平一 水平二 水平三 5 1 3路面结构层材料设计参数的确定可分为3个水平 准 高速公路和一级公路的施工图设计阶段宜用水平一 其他设计阶段使用二级和二级以下 5 2 2路基顶面回弹模量 MPa 路基平衡湿度状态 并考虑干湿与冻融循环作用后的模量值 这个值比现有采用的25 40MPa大了许多 5 3粒料类材料 粒料类在最佳含水率与压实要求的干密度条件下 试验水平1按附录D采用重复加载三轴压缩试验测定 取其均值 在进行结构验算时 比值还应乘以湿度调整系数1 6 2 0 表5 2 2路基顶面回弹模量 MPa 在水平三 可取表5 3 8的值 表5 3 8粒料回弹模量取值范围 MPa 注 材料性能好 级配好或压实度大时取最高值 反之取低值 5 4无机结合料稳定材料 5 4 1 5 4 3对于无机结合料类材料的集料最大粒径 水泥剂量 贫混凝土等做了相关规定 表5 4 4给出了无机结合料材料7d无侧限抗压强度标准 代表值 可供参考 表5 4 4无机结合料稳定类材料7d无侧限抗压强度标准 代表值 MPa 注 a在低塑性土 塑性指数小于7 地区 石灰稳定砂砾和碎石的7d龄期无侧限抗压强度应大于0 5MPa 100g平衡锥测液限 b低限用于塑性指数小于7的黏土 高限用于塑性指数大于或等于7的黏土 续表5 4 4 5 4 5对无机结合料稳定类材料弯拉强度和弹性模量按三个水平作出了规定 1 水平一 按附录E 采用中段法单轴压缩试验测定 水泥稳定类 水泥粉煤灰类龄期90d 石灰类180d 弯拉强度和弹性模量取测试值的均值 2 水平三 参照表5 4 5确定 表5 4 5无机结合料稳定类材料的弯拉强度和弹性模量取值范围 MPa 结构验算时 无机结合料的弹性模量应乘以结构层模量调整系数0 5 5 5沥青混合料类材料 5 5 1 5 5 4为一般规定 5 5 5季节性冰冻地区高速公路和一级公路表面层沥青低温性能应满足下列指标要求 1 连续10年最低气温平均值作为路面低温设计温度 低温设计温度提高10 的试验条件下 弯曲梁流变 BBR 试验蠕变劲度St 300MPa 蠕变曲线斜率m 0 3 2 当蠕变劲度S在300 600MPa之间 且m 0 3 增加沥青直接拉伸试验 DTT 其断裂应变不宜小于1 10000 直接拉伸试验 DTT 3 以上都不满足时 由沥青弯曲梁流变试验和直接拉伸试验确定的沥青临界开裂温度 5 5 6给出了沥青混合料低温弯曲试验破坏应变要求 表5 5 6沥青混合料低温弯曲试验破坏应变技术要求 5 5 7沥青混合料车辙动稳定度要求变化不大 表5 5 7 5 5 8用单轴贯入试验方法测定沥青混合料贯入强度 附录F 无机结合料基层沥青路面 底基层采用无机结合料基层用沥青类材料的沥青路面 水泥混凝土基层沥青路面的沥青混合料用贯入强度 宜满足式 5 5 8 1 注意 权重 涉及到各层剪应力计算 5 5 9粒料基层沥青路面和粒料底基层 沥青类基层的沥青路面 沥青贯入强度宜满足式 5 5 9 1 沥青混合料贯入强度表示沥青混合料抗剪切变形的能力 旨在控制路面车辙 交通部 沥青路面荷载标准 项目 研究了贯入强度和沥青混合料永久变形的关系模型 5 5 10沥青混合料水稳定性技术要求 浸水马歇尔试验残留稳定度 冻融劈裂试验残留稳定度 5 5 11沥青混合料动态压缩模量沥青混合料动态压缩模量采用单轴压缩动态模量试验法确定 公路工程沥青及沥青混合料试验规程 JTGE20 T0738 温度20 面层沥青混合料加载频率10HZ 基层5HZ 试验直径100 2mm 高150 2 5mm 集料最大公称粒径不大于37 5mm 1 水平一 按上述试验直接测定 2 水平二 按式 5 5 11 计算确定 5 5 11 3 水平三 按表5 5 11确定 注意 表中各沥青混合料E相差不甚合理 六 路面结构验算 6 1一般规定 6 1 1路面结构力学指标计算采用双圆均布垂直荷载作用下的弹性层状连续体系理论 计算体系与原规范一样 但应说明 从概念上引用了结构可靠度理念 设计基准期 各级公路目标可靠度和可靠度指标 6 1 2路面结构组合方案拟定后 应按附录B方法进行路面结构验算 再结合工程经验和经济分析确定 6 2设计指标 6 2 1多指标 五个 设计 放弃了多年用的表面弯沉指标 表6 2 1列出来不同结合组合路面的设计指标 表6 2 1不同结构组合路面的设计指标 6 2 2各设计指标选用表6 2 2规定的竖向位置处的力学响应 应按图6 2 2所示计算位置 选取点A B C和D计算的最大力学响应量 表6 2各设计指标对应的力学响应及其竖向位置 6 3交通 材料和环境参数 6 3 1各设计指标对应的当量设计轴载作用次数 按附录A确定 Nf1 Nf2 Ne3 Ne4 沥青混合料层疲劳 无机料层疲劳 沥青料永久变形 路基顶面压应变 6 3 2路面各结构层模量取值应符合规定 1 沥青面层 20 10HZ 单轴压缩动态模量沥青基层 20 5HZ 2 无机结合料层 采用中间段法单轴压缩模量 并经结构层模量调整0 5修正 室内测试和现场FWD发算对比 3 粒料层 采用经湿度调整的回弹模量参考美国ASHTO力学经验法 MEPDG 考虑材料通车后的湿度变化引入 调整系数1 6 2 0 模量测定方法用动三轴仪 p49 试件直径 最大粒径大于19mm的粒料 时间直径 高度 150 300mm最大粒径 19mm时 采用 100 200mm试件 4 路基 采用平衡湿度状态下 并考虑干湿循环与冻融循环作用后的顶面回弹模量 用承载板 6 3 3沥青层疲劳 无机料层疲劳和路基顶面压应变验算时 应按附录G确定 湿度调整系数和等效温度 确定方法分两步 1 根据气温资料和表G 1确定基准路面结构的湿度调整系数和等效温度 2 对于非基准路面结构 即沥青面层和基层 含底基层 由两层或两层以上不同材料结构层组成时 应按式G 1 1 1和式G 1 1 2分别换算成当量沥青层和当量基层 简化为当量沥青面层 当量基层和路基组成的三层路面结构 式中 当量层厚度 mm 和模量 MPa 下标i a为沥青面层 i b为基层 不同气温状况下基准结构的损坏 转换成标准温度 20 条件下基准路面结构的等效损坏 从而得到基准路面结构温度调整系数KTi 部分地区基准路面结构温度调整系数 见表G1 2 p63 P66 G 1 3 1 式中 KTi 湿度调整系数 下标i 1对应沥青层疲劳开裂分析下标i 2对应无机料层疲劳下标i 3对应路基顶面竖向压应变分析 基准路面结构温度调整系数 查表G 1 2 Ah Bh AE BE 与面层 基层厚度和模量有关的函数 p67 等效温度用于分析沥青混合料永久变形 其等效温度按 G 2 1 式计算 G 2 1 式中 沥青层等效温度 沥青层厚度 mm 基准等效温度 按表G 1 2取用 注 基准路面结构分两种 粒料类基层沥青路面沥青层厚ha 180mm Ea 8000MPa基层ha 400mm Eb 400MPa 路基E0 100MPa 无机结合类基层沥青路面沥青层厚ha 180mm Ea 8000MPa基层ha 400mm Eb 7000MPa 路基E0 100MPa 6 4路面结构验算流程 1 新 老规范的比较 老规范的计算流程图 新规范的计算流程图 比较这两个流程图可以看出 1 新老规范输入参数基本相同 验算的步骤也差不多 但参数确定方便变化很大 2 老规范以路表弯沉为设计指标 以沥青层和粒料稳定层拉应力为验算指标 新规范为多指标设计 取消了弯沉指标 以沥青层弯拉疲劳开裂 无机结合料层弯拉疲劳开裂 这两个指标形式上与老规范差不多 但内容上相差较大 沥青层永久变形 路基顶面竖向压应变 沥青面层低温开裂 后面三个老规范是没有的 3 最后 新规范还加了一个验收弯沉控制指标 老规范没有明确提出来 2 新规范结构验算方法如下 1 按附录A调查分析交通参数 根据本规范第3 0 4条规定 确定交通荷载等级 2 根据路基土类 地下水位高度确定路基干湿类型和湿度状况 按本规范第5 2 2条要求 确定顶面路基回弹模量 没必要的改善措施 3 根据设计要求 初拟路面结构组合与厚度方案 选取设计指标 4 按本规范第5章及第6 3 2条规定 确定个结构层模量等设计参数 并按第5章规定检验粒料的CBR值 无机结合料的无侧限抗压强度 沥青低温性能要求 沥青混合料的低温破坏应变 动稳定度 贯入强度和水稳性等指标 5 按附录G的规定 确定各设计指标对应的温度调整系数或等效温度 6 采用多层弹性体系理论程序计算各规定点各设计指标的力学响应量 7 按附录B的规定进行路面结构验算 验算结构应符合第3 0 6条规定 8 对通过结构验算的结构进行技术经济分析 选定设计的路面结构9 按附录B 7计算设计路面的验收弯沉值 并应符合附录B 7的规定 七 改建设计 7 1该建设计应采用动态设计理念 根据现场情况 施工阶段应动态调整改建方案 7 2既有路面调查 交通量 轴载组成 增长率 路面破坏状况 采用落锤式动态弯沉仪 雷达 钻芯等 7 3改建方案 局部病害处理 整体性处理或他们的结合方案 对裂缝较多的路面采取减缓发射裂缝的措施 材料再生利用 7 4改建路面结构验算1 加铺层的设计参数应按新建路面结构确定2 既有路面层的设计参数按下列要求确定 1 将既有路面简化为由沥青层 无机结合料层或粒料层和路基组成的 当量 三层体系 利用落锤式弯沉仪测定的弯沉盆反演或芯样实测方法确定各结构层模量 用什么反演方法和模型 2 既有路面无机结合料层的弯拉强度Rs 宜用现场芯样实测的抗压强度Rc 用式 7 4 3 计算 Rs 0 21Rc 7 4 3 3 既有路层采用直接加铺或铣刨后再加铺 对加铺层均应进行结构验算 加铺层的设计参数按新建路面结构确定 既有路层采用直接加铺或铣刨后留用的结构层不再进行结构验算 其顶面当量回弹模量 按路基处理 7 4 4 式中 p 落锤式弯沉仪承载板施加荷载 MPa r 落锤弯沉仪承载板半径 mm l0 板中点处的弯沉值 0 01mm 3 7 4 6改建设计流程见图7 4 6 与新路设计大致相同 八 桥面铺装设计 本章太简单 基本上未反映现有桥面铺装的工程设计和研究状况 一 新规范 JTGD50 2017 与旧规范 JTGD50 2006 的主要变化 1 调整了交通荷载分级 五级 增加了极重交通等级 以路面设计期内累计货车和客车交通量划分交通荷载等级 2 取消垫层 明确了功能层的含义 3 路基顶面回弹模量采用三轴仪实测 代替了原来的压入承载板法 旧规范采用最不利季节的湿度 新规范用路基平衡状态湿度 新规范路基顶面模量要求交旧规范提高了2 3倍 4 在沥青路面结构验算时 根据当地的年平均气温 引入了温度调整系数和等效温度概念 5 采用图的饱和度Sr代替稠度标准路基干湿状态 6 采用了针对路面具体损坏的多指标 五指标 体系 增加了路基顶面压应变 沥青层永久变形 路面低温开裂指标 改进了沥青层和无机结合料层疲劳开裂 取消了路表弯沉设计指标 保留了路面完工后以完成作验收指标 7 改变了路面材料和路基设计参数 改进了测试方法 提出了确定路面材料和路基设计参的三个水平法 8 提出了轴载谱及交通参数的调查分析方法 9 突出了路面结构组合设计要求 保证结构安全 耐久和全寿命周期经济合理 10 调整了章节安排 规范了术语和符号 一 关于路面结构可靠度设计1 路面结构可靠度 路面结构在规定时间内和规定的条件下完成预定功能的概率 公路工程结构设计统一标准 GB T50283 199 规定的时间 是指结构设计基准期 对于路面设计 设计基准期一般去设计年限 规定的条件 是正常设计 正常施工和正常使用的条件 预定功能 是指结构的安全性 适用性和耐久性 也成为结构的可靠性 结构应满足的使用指标 2 结构极限状态方程 式中 xi x1 x2 xn 称为基本变量或称随机变量 如荷载 材料性能 几何参数等 对于承载力极限状态 若令R为结构抗力 S为荷载产生的效应 如应力 应变 则极限状态方程Z g R S R S 若Z 0 结构处于极限状态 若Z 0 结构处于可靠状态 若Z 0 结构处于失效状态 R S不同值对应的Z值 公路水泥混凝土路面设计规范 JTGD40 2011 给出的极限状态方程 可靠度系数 依据目标可靠度及变异水平等级及变异系数确定 面层板在临界荷位产生的行车荷载疲劳应力 MPa 面层板在临界荷位产生的温度梯度疲劳应力 MPa 水泥混凝土弯拉强度标准值 MPa 3 可靠度指标 设随机变量xi i 1 2 n 则可求得 则有可靠度指标为 功能函数Z概率分布 4 20世纪80年代提出过的沥青路面可靠分析的两个概率模型 1 原长沙交通学院 长沙理工大学 的效应 抗力模型 2 同济大学的疲劳破坏概率模型 与新规范的模型一致 Ne 根据极限状态计算出标准轴载疲劳次数 N0 设计年限内累计标准轴次 二 关于交通荷载参数分析中的轴载谱 通过在车道上设置称重设备 连续的采集设计车道上所有2轴六轮 2类车型 及以上车辆的类型 轴型组成及轴重数据 并按照附录表A1 2对车辆进行分类 分别统计车辆单轴单轮 单轴双轮 双联轴 三联轴的数量 将他们除以各类车辆的总数量 得到各类车辆中各种轴型的平均轴数 并统计各类车辆各种轴型在不同轴重区间出现百分比 确定各种轴型的轴重分布系数 即为轴重谱 确定轴载谱时 单轴单轮 单轴双轮 双联轴 三联轴分别每隔2 5kN 4 5kN 9 0kN和13 5kN划分为一个轴重区间 关于轴载谱方面研究的论文很多 最早同济大学 山西交通厅在运煤专用公路的路面研究中采用过 美国AASHTO路面设计M E法 2002 取消了车辆当量换算 而采用轴载谱研究车辆对路面的作用 三 关于路面结构验算方法几个模型的说明 据编写组说明这个公式依据108次 组 常应力加载模式和618次 组 常应变加载模式疲劳试验结果建立沥青混合料疲劳开裂模型 利用了北京3个ALF试验路段 美国加州大学berkeley分校6个重车模拟HVS试验路段 美国西部换到WesTrack8个试验路段 美国明尼苏达州MnRoad10个试验路段和美国沥青技术中心 奥本大学 NCAT3个试验路段 共30个试验段的疲劳数据 对已建立的疲劳模型进行了验证和修正 1 沥青混合料疲劳开裂验算公式 B1 1 1 这30个验证路段中仅有3个是中国的 其他都是外国的 美国 国外这些试验段用的什么石料 沥青 什么类型的混合料 路面结构 施工水平 记载情况等与我们国家采用的材料其有什么不同 可能不是完全清楚 作为修正和验证依据可靠吗 2 无机结合料稳定层疲劳开裂计算公式 B 2 1 1 和 B 2 1 2 据编写组说明 这个公式依据148个水泥稳定砂砾 水泥碎石 水泥土和石灰粉煤灰碎石四种常用混合料的疲劳开裂试验结果建立的 148个 4 37个 每种混合料 不说这四种无机稳定料的代表性 仅数量就有些问题了 为了缩小室内性能模型与现场疲劳间的差异引入的kc系数 是通过比对调研的路面模型结构损坏状况与上述疲劳开裂模型分析结构得到的 这种比对的客观性如何 3 沥青混合料层永久变形的验算式 B 3 2 1 依据多种沥青混合料 在不同温度 压力等条件下229个有效车辙试验结果得到式 B3 2 1 b并利用国内十余条公路多年车辙数据和五个试验路段对该模型进行了修正和验证 同时考虑现场综合修正系数kR 4 路基顶面竖向压应变验算路基顶面的容许竖向压应变按式 B 4 1 确定 对于这个式子的调整和修正是按照AASHTO试验路195个路面结构资料以及Psi 2 5时轴载作用次数 反算路基顶面的竖向压应变 并建立竖向压应变与100kN的轴载作用次数间的经验关系式 经修正和调整建立的 这说明这个模型基本是外来 AASHTO试验是1958 1960年完成的 地点是美国Ottuwa Illinois 一个气候条件 一种土组 施工时间是1956 8 1958 9 加载时间1958 10 1960 11修筑了6个环道 每个环道有两个行车道 每个环岛固定的加载作用 性能测试包括 粗糙度 平整度 可见的破坏 弯沉 应变和Psi 平均气温27 F 76 F 平均降雨34in 平均霜冻深度28in 下表列出了AASHTO的交通荷载 总重 单 4000lbs 1814 4kg 42000lbs 19051 2kg 69000lbs 31298 4kg双联 54000lbs 24494 4kg 108000lbs 48988 8kg 沥青路面结构细节大致如下 骨料 轧碎石灰石 骨料公称最大尺寸3 4in 天然硅砂 石灰石粉 沥青 针入度85 100 沥青用量4 5 5 4 现场孔隙率7 7 面层 厂拌沥青混凝土 厚度1in 6in 基层 轧碎白云灰岩 厚度0 9in 所有环道 水泥或沥青稳定 底基层 砂砾 厚度0 16in 所有环道 路基 A 6 5 沥青面层低温开裂指数验算式 B 5 1 此式仅分析了东北地区10余个路段沥青性质 路面结构 路基土质类型等于路面低温开裂的关系 并考虑加拿大滑铁卢大学Hass模型建立的 首先其代表性不够 季节性冻土地区在中国有一大片 除东北外 西北 华北 甚至中 东部北边 如河南 安徽 江苏 山东 还有青海 四川等省 仅用东北地区10余个路段建立的模型可靠性如何 值得讨论 另外 加拿大与我国气候条件不大一样 引用Hass经验模型的可靠性如何 哈尔冰工业大学马宏岩 硕士论文 对NCHRP1 37A力学经验法低温开裂预估模型 结合黑龙江省长平高速的开裂状况进行过研究 并在修正的Hass模型的基础上建立了使用东北地区的新模型 6 本规范的材料参数测定基本都是采用动载设备完成的 即该材料的参数 如模量 强度指标等 是动态的 但是路面结构体系受力分析还是静态 这两者如何协调 只从提高了材料的模量值以求减少结构对荷载的响应值是不甚合理的 应加强结构动载作用的研究 谢谢