永久性路面結(jié)構(gòu)與材料性能070206課件

1、永久性路面結(jié)構(gòu)與材料性能張起森 教授 博士生導(dǎo)師長(zhǎng)沙理工大學(xué)主要內(nèi)容一、永久性路面設(shè)計(jì)理念二、永久性路面設(shè)計(jì)方法三、永久性路面的材料要求四、目前各地永久性路面狀況五、總結(jié)長(zhǎng)沙理工大學(xué)一、永久性路面設(shè)計(jì)理念長(zhǎng)沙理工大學(xué)定義 perpetual pavement ：指只需定期更換路面表層（把破壞限制在路面上層），而不需進(jìn)行結(jié)構(gòu)性修復(fù)或重建，且使用壽命大于50年的瀝青路面。full-depth asphalt pavement （全厚式路面）deep strength asphalt pavement （高強(qiáng)度路面）long-life asphalt pavement（長(zhǎng)壽命路面）長(zhǎng)沙理工大學(xué)設(shè)計(jì)理

2、念上面層：抗車(chē)轍能力和抗磨耗能力中間層：抗車(chē)轍能力基層：抗疲勞能力 路基：高強(qiáng)、穩(wěn)定和堅(jiān)固 長(zhǎng)沙理工大學(xué)最大拉應(yīng)變路面基礎(chǔ)100180mm高模量抗車(chē)轍材料(根據(jù)需要定)柔性抗疲勞材料 75100mm 4075mm 高質(zhì)量SMA、 OGFC 或 Superpave100150mm高壓力區(qū)設(shè)計(jì)理念長(zhǎng)沙理工大學(xué)自下而上進(jìn)行設(shè)計(jì)和施工基礎(chǔ)（高強(qiáng)、穩(wěn)定和堅(jiān)固 ）穩(wěn)定將使用期間的季節(jié)性變化和體積變化降低到最小下面層加強(qiáng)抗疲勞性能上面層加強(qiáng)抗車(chē)轍性能設(shè)計(jì)理念長(zhǎng)沙理工大學(xué) 永久性瀝青路面在使用過(guò)程中，為保持其良好的性能和使用壽命，必須定期檢測(cè)，當(dāng)自下而上的疲勞開(kāi)裂、溫度開(kāi)裂、車(chē)轍等病害達(dá)到預(yù)定深度時(shí)(即達(dá)到磨

3、耗層深度)，就必須采取罩面等措施。對(duì)于永久性瀝青路面而言，這點(diǎn)非常關(guān)鍵，它保證了將病害限制在表層 ，且盡可能減小未來(lái)罩面的附加厚度 （重鋪厚度必須盡可能采用原厚度 ）長(zhǎng)沙理工大學(xué)要應(yīng)避免以下現(xiàn)象發(fā)生 重復(fù)彎曲導(dǎo)致疲勞開(kāi)裂 重復(fù) 變形導(dǎo)致車(chē)轍HMA基層路基長(zhǎng)沙理工大學(xué)永久性路面優(yōu)點(diǎn)瀝青路面壽命可達(dá)50年路面平整，噪音低，摩擦系數(shù)高成本效益高路面的養(yǎng)護(hù)維修僅限于面層瀝青面層可再循環(huán)減少疲勞開(kāi)裂和車(chē)轍損壞最大限度地減少自然資源的使用采用力學(xué)方法進(jìn)行路面設(shè)計(jì)，綜合考慮疲勞開(kāi)裂、車(chē)轍和溫度開(kāi)裂長(zhǎng)沙理工大學(xué)使用時(shí)間總費(fèi)用傳統(tǒng)路面永久性路面經(jīng)濟(jì)性能經(jīng)濟(jì)差長(zhǎng)沙理工大學(xué)二、永久性路面設(shè)計(jì)方法長(zhǎng)沙理工大學(xué)設(shè)計(jì)原理

4、力學(xué)方法設(shè)計(jì)過(guò)程類似于其它結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法選擇控制點(diǎn)驗(yàn)算控制標(biāo)準(zhǔn)(由下至上設(shè)計(jì))輸入材料性能參數(shù)路面分析模型路面應(yīng)力和應(yīng)變路面變換方程路面使用壽命拉應(yīng)變標(biāo)準(zhǔn)壓應(yīng)變標(biāo)準(zhǔn)永久性路面設(shè)計(jì)過(guò)程長(zhǎng)沙理工大學(xué)力學(xué)設(shè)計(jì)法路面模型材料性能(模量值)路面反應(yīng) (應(yīng)變, 應(yīng)力等)轉(zhuǎn)移函數(shù)路面壽命是否滿足?設(shè)計(jì)完成盡量不讓瀝青層底拉應(yīng)變65或路基頂壓應(yīng)變 200長(zhǎng)沙理工大學(xué)1992年Monismith提出力學(xué)設(shè)計(jì)法的流程圖長(zhǎng)沙理工大學(xué)力學(xué)性能標(biāo)準(zhǔn)ESAL作用下彎曲拉應(yīng)變極值 65me(Monismith, Von Quintus, Nunn,Thompson等人研究發(fā)現(xiàn))垂直壓應(yīng)變極值 200mm）基層(as requ

5、ired)路基長(zhǎng)沙理工大學(xué)疲勞開(kāi)裂控制點(diǎn)位置：面層底面控制標(biāo)準(zhǔn)：拉應(yīng)變200mm 永久性變形控制點(diǎn)位置： 路基頂面控制標(biāo)準(zhǔn)：壓應(yīng)變 6。 或者：路基上鋪石灰穩(wěn)定層或碎石層底基層05101520250123456789CBR加鋪層厚度要求/英寸路面基礎(chǔ)長(zhǎng)沙理工大學(xué)四、各地永久性路面狀況長(zhǎng)沙理工大學(xué) 傳統(tǒng)的瀝青路面設(shè)計(jì)壽命為20年。適度增加路面強(qiáng)度及瀝青混合料基層厚度的永久性路面，則甚至可以獲得50年或50年以上使用壽命。歐洲使用情況簡(jiǎn)介美國(guó)使用情況簡(jiǎn)介中國(guó)山東濱州永久性路面試驗(yàn)路各地永久性路面狀況長(zhǎng)沙理工大學(xué)歐洲使用情況簡(jiǎn)介1977年德國(guó)A5高速公路Frankfurter Kreuz采用的結(jié)構(gòu)是

6、37mm澆注瀝青砼面層+200mm瀝青砼基層+150mm穩(wěn)定底基層。該高速公路雙向日交通量152000輛/d，重載貨車(chē)比例為1020，使用17年后標(biāo)準(zhǔn)軸載次數(shù)為125百萬(wàn)次，到現(xiàn)在仍然使用良好。再如德國(guó)漢堡高速公路都承受著非常重的交通量，結(jié)構(gòu)為35mm澆注瀝青砼面層+265mm瀝青砼基層+150mm級(jí)配砂礫+防凍層長(zhǎng)沙理工大學(xué)歐洲使用情況簡(jiǎn)介法國(guó)巴黎Peripherique道路雙向交通量200000輛/d，重載貨車(chē)占10，年標(biāo)準(zhǔn)軸次1千萬(wàn)。1993年進(jìn)行了大修，結(jié)構(gòu)為40mm排水面層+220mm高模量瀝青砼基層。再如法國(guó)Stered高速，結(jié)構(gòu)為70mm瀝青砼+60mm瀝青穩(wěn)定砂礫+100350

7、mm水泥穩(wěn)定砂礫+150mm砂層長(zhǎng)沙理工大學(xué)歐洲使用情況簡(jiǎn)介意大利的Del Sole高速，結(jié)構(gòu)為30mm中粒式瀝青砼+70mm粗粒式瀝青砼+150mm瀝青碎石+360mm級(jí)配砂礫+300400mm砂層奧地利Brenner高速，結(jié)構(gòu)為27mm細(xì)粒式瀝青砼+30mm中粒式瀝青砼+45mm粗粒式瀝青砼+140mm瀝青碎石（密級(jí)配）+160mm瀝青碎石（開(kāi)級(jí)配）+300mm防凍層長(zhǎng)沙理工大學(xué)美國(guó)使用情況簡(jiǎn)介New JerseyNew Jersey運(yùn)輸部對(duì)I-287州際道路的路面損害情況進(jìn)行調(diào)查。該道路1993年年平均日交通量為11.1019萬(wàn)次，貨車(chē)占22，重貨車(chē)占9。20年累計(jì)當(dāng)量荷載5000萬(wàn)次。

8、由于是重載交通，因此經(jīng)常出現(xiàn)停車(chē)、慢速行車(chē)。1963年修建，原結(jié)構(gòu)為3inHMA面層+7in基層+8in密級(jí)配的級(jí)配碎石+10in級(jí)配砂礫底基層，路基為粉質(zhì)砂土。長(zhǎng)沙理工大學(xué)美國(guó)使用情況簡(jiǎn)介New Jersey使用多年來(lái)除了局部進(jìn)行了小面積的補(bǔ)坑外，沒(méi)有經(jīng)過(guò)其他維修。調(diào)查發(fā)現(xiàn)路面維修很少，路表行車(chē)道處產(chǎn)生了縱向疲勞開(kāi)裂，且車(chē)轍深度達(dá)到25mm以上。但是進(jìn)一步研究表明這些病害深度都沒(méi)有發(fā)展到路表75mm以下，因此決定冼刨調(diào)表明75mm瀝青面層，重新加鋪100mmHMA。該工程1994年完工，2001年調(diào)查時(shí)沒(méi)有發(fā)現(xiàn)任何開(kāi)裂、車(chē)轍，預(yù)計(jì)結(jié)構(gòu)能夠使用40年以上。長(zhǎng)沙理工大學(xué)美國(guó)使用情況簡(jiǎn)介Iowa2

9、0世紀(jì)60年代修建的州際道路I-80上的兩段道路，被APA授予2002年永久性路面獎(jiǎng)，一條在Cedar，另一條在Johnson。該獎(jiǎng)授予美國(guó)州際高速公路系統(tǒng)上的6個(gè)不同路段。Cedar路段修建于1962年，結(jié)構(gòu)為4.5inHMA面層+16inATB，直接放到細(xì)粒土上。使用到現(xiàn)在為止分別在1967年、1990年進(jìn)行了表面修補(bǔ)。長(zhǎng)沙理工大學(xué)美國(guó)使用情況簡(jiǎn)介Iowa與Cedar不同的是，Johnson路段路基土是罕有的潮濕，1964年采用了6in土石底基層，結(jié)構(gòu)為3inHMA面層+14inATB，1964年面層進(jìn)行2in罩面，1968年工程結(jié)束，到現(xiàn)在只進(jìn)行過(guò)一些面層修復(fù)（與剛通車(chē)時(shí)相比，現(xiàn)在I-8

10、0道路上的交通量已經(jīng)增長(zhǎng)了5倍多）。實(shí)踐表明，正確的路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、嚴(yán)格的施工質(zhì)量控制和適當(dāng)?shù)木S修，瀝青路面一定能夠使用很長(zhǎng)時(shí)間。長(zhǎng)沙理工大學(xué)美國(guó)使用情況簡(jiǎn)介Washington1999年該州交通運(yùn)輸部（WSDOT）對(duì)480km全路段進(jìn)行了詳細(xì)調(diào)查。該路中有三種路面結(jié)構(gòu)：柔性結(jié)構(gòu)、CTB基層（水泥穩(wěn)定基層）瀝青路面和PCC路面，依次占里程百分比為47、33和20。而且全段被Cascade山脈分成兩個(gè)不同的氣候區(qū)，西部為溫和海洋性氣候，交通量較高；而東部夏熱冬寒，部分路段交通量較?。?biāo)準(zhǔn)軸次37.5萬(wàn)次/年/車(chē)道），而有些路段交通量又很高（標(biāo)準(zhǔn)軸次2500萬(wàn)次/年/車(chē)道）。長(zhǎng)沙理工大學(xué)馬里蘭州路面

11、結(jié)構(gòu)使用狀況馬里蘭州的巴爾的摩環(huán)形公路也是一個(gè)很好的例子，日交通量（ADT）是175000輛/日，貨車(chē)占19。結(jié)構(gòu)為2inSMA19+2.5inHMA基層（大粒徑石料）?？偤穸葹?6in（40.6cm），沒(méi)有發(fā)現(xiàn)自下而上的疲勞開(kāi)裂，4年的觀測(cè)表明，路面車(chē)轍正常，為1/8in。長(zhǎng)沙理工大學(xué)俄亥俄州柔性路面研究4條州際公路性能調(diào)查結(jié)果HMA路面沒(méi)有修復(fù)或重建而使用超過(guò)34年“沒(méi)有大量結(jié)構(gòu)性或排水維修的柔性路面”僅略多于目前HMA路面花費(fèi)長(zhǎng)沙理工大學(xué)FHWA 長(zhǎng)期路面性能研究數(shù)據(jù)GPS-6 (FHWA-RD-00-165)數(shù)據(jù)結(jié)論大部分AC 罩面 15 years( 修復(fù)前)許多 AC罩面 20 y

12、ears （大破壞前）厚面層意味著少:疲勞開(kāi)裂橫向開(kāi)裂縱向開(kāi)裂長(zhǎng)沙理工大學(xué)表面開(kāi)裂 過(guò)去一般認(rèn)為瀝青路面的開(kāi)裂是從下到上的開(kāi)裂，但近幾年歐洲和美國(guó)加利福尼亞、伊利諾伊德克薩斯、肯塔基、弗羅里達(dá)等州調(diào)查發(fā)現(xiàn)輪跡帶出現(xiàn)自上而下縱向裂縫。弗羅里達(dá)大學(xué)等對(duì)此展開(kāi)了大量理論和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查研究，并取得了一定成果長(zhǎng)沙理工大學(xué)表面開(kāi)裂原因卡車(chē)輪胎引起的橫向應(yīng)力過(guò)大（導(dǎo)致輪跡帶出現(xiàn)自上而下縱向裂縫）溫度應(yīng)力（出現(xiàn)較高的溫度應(yīng)力臨界狀態(tài)時(shí)間較短，如冬天一般是晚上出現(xiàn)）鋪筑設(shè)備（伊利諾伊州運(yùn)輸部門(mén)研究人員發(fā)現(xiàn)）長(zhǎng)沙理工大學(xué) 開(kāi)裂 (從表面開(kāi)始)軸載表面開(kāi)裂TRL長(zhǎng)沙理工大學(xué)新澤西 I-287表面開(kāi)裂長(zhǎng)沙理工大學(xué)150

13、mm50 mm華盛頓瀝青路面Top-Down開(kāi)裂 150 mm長(zhǎng)沙理工大學(xué)M32TRL長(zhǎng)沙理工大學(xué)抗車(chē)轍面層車(chē)轍出現(xiàn)在瀝青上面層Full-Scale TracksMn/ROADWesTrackNCAT加速加載路面試驗(yàn)CalAPTFHWA長(zhǎng)沙理工大學(xué)中國(guó)山東濱州永久性路面試驗(yàn)路背景：濱州地處黃河尾閭、渤海之濱，是聯(lián)接京津塘與山東半島兩大經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)的交通樞紐和黃河三角洲開(kāi)發(fā)的重要基地。試驗(yàn)路（離黃河只有幾公里）2005年6月開(kāi)始施工，9月通車(chē)。長(zhǎng)沙理工大學(xué)試驗(yàn)路設(shè)計(jì)與美國(guó)永久性路面一樣應(yīng)用PerRoad軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)，但該路設(shè)計(jì)軸載是重載車(chē)（平均單軸重超過(guò)9噸）。設(shè)計(jì)控制指標(biāo)：疲勞： 將HMA層底水平拉應(yīng)變70或125作為破壞臨界值車(chē)轍：路基頂垂直應(yīng)變?yōu)?00長(zhǎng)沙理工大學(xué)試驗(yàn)路設(shè)計(jì)兩套材料性能及破壞標(biāo)準(zhǔn)：土基模量48MPa，疲勞破壞臨界值是70（較為保守的標(biāo)準(zhǔn)），HMA層設(shè)計(jì)厚度為508mm土基模量103MPa，疲勞破壞臨界值是125， HMA層設(shè)計(jì)厚度為380m