重交通路面設計施工新理念(孫立軍)

1、n概述概述n路面損壞機理路面損壞機理 n重交通路面設計重交通路面設計n施工技術要點施工技術要點n結束語結束語n第一階段：總體成功，主要問題是反射裂縫問第一階段：總體成功，主要問題是反射裂縫問題（題（9696年前）年前）n第二階段：高速公路逐漸成網(wǎng)，運輸量增加，第二階段：高速公路逐漸成網(wǎng)，運輸量增加，壓實不足以及重交通，主要問題是壓實不足以及重交通，主要問題是“水損壞水損壞”（97970101年）年）n目前，面層混合料普遍采用密實型，使用改性目前，面層混合料普遍采用密實型，使用改性瀝青和瀝青和SMASMA，“水損壞水損壞”減少，車轍嚴重減少，車轍嚴重瀝青在表面層內重新分布前后瀝青表面層瀝青含量瀝

2、青含量前后目前的損壞目前的損壞n產(chǎn)生于路面使用初期產(chǎn)生于路面使用初期n與結構的整體抗力無正與結構的整體抗力無正相關性相關性n重載的影響明顯重載的影響明顯n損壞起于面層，開裂向損壞起于面層，開裂向下傳播下傳播n雨水具有明顯的影響雨水具有明顯的影響n發(fā)展速度很快發(fā)展速度很快傳統(tǒng)的損壞傳統(tǒng)的損壞n產(chǎn)生于長期使用后產(chǎn)生于長期使用后n與整體抗力關系明顯與整體抗力關系明顯n雨水的影響明顯雨水的影響明顯n開裂產(chǎn)生于結構層底部，開裂產(chǎn)生于結構層底部，向上發(fā)展向上發(fā)展n損壞隨累計損壞隨累計ESALESAL增加緩增加緩慢增加慢增加n伴隨非荷載型損壞伴隨非荷載型損壞33002vP 首次發(fā)現(xiàn)的瀝青遷移現(xiàn)象瀝青含量沿深

3、度分布水 上層中層下層 前 后瀝 青 的 遷 移動水頭翻漿的過程翻漿的過程2468101214空隙率（% ）損壞路段正常路段05101520253035LH25SMA16LK1LK0LH15SUP13變異性與集料最大粒徑的關系0246810空隙率耐久性強度均勻性粘附性車輛的大型化車輛的大型化超載車輛激增超載車輛激增輪胎花紋輪胎花紋車速快車速快交通量很大交通量很大-80-60-40-200204060800.00.20.40.60.81.01.2接 地 壓 力 值 （MPa）橫 向 軸（ m m ）-100 -80-60-40-200204060801000.00.20.40.60.81.01.

4、2接 地 壓 力 值 （MPa）橫 向 軸（ m m ）-100 -80 -60 -40 -20020406080 1000.00.20.40.60.81.01.21.41.61.8接 地 壓 力 值 （MPa）橫 向 軸（ m m ）810kpa/1328kg 810kpa/2500kg 810kpa/5000kg 11.00-20走向花紋輪胎接地壓力分布實測走向花紋輪胎接地壓力分布實測各花紋條走向壓力分布接地面中心點處橫斷面壓力分布0.100.150.200.25-0.10-0.050.000.050.1080000120000160000200000240000280000320000最

5、 大 剪 應力 峰 值 （MPa）Y 軸 （m）X 軸 （m）0.100.150.200.250.30-0.10-0.050.000.050.1080000120000160000200000240000280000320000最 大 剪 應力 峰 值 （MPa）Y 軸 （m）X 軸 （m）d)1050kpa/1900kg半剛性基層e)1050kpa/2500kg半剛性基層f)1050kpa/6250kg半剛性基層0.100.150.200.250.30-0.20-0.15-0.10-0.050.000.050.100.150.208000012000016000020000024000028

6、0000320000360000400000440000最 大 剪 應力 峰 值 （MPa）Y 軸 （m）X 軸 （m）11.00-20橫向花紋輪胎接地壓力分布實測橫向花紋輪胎接地壓力分布實測-120-90-60-3003060901200.00.20.40.60.81.01.21.41.61.8中間線第二 線最 外 緣第三 線接 地 壓力 值 （MPa）走 向 軸（ m m ）-120-90-60-3003060901200.00.20.40.60.81.01.21.41.61.8中間線第二 線最 外 緣 第三 線接 地 壓力 值 （MPa）走 向 軸（ m m ）-150 -120 -90

7、-60-3003060901201500.00.20.40.60.81.01.21.41.61.82.0中間線第二 線最 外 緣第三 線接 地 壓力 值 （MPa）走 向 軸（ m m ）810kpa/1900kg 810kpa/2500kg 810kpa/5000kg -80-60-40-200204060800.00.20.40.60.81.0接 地 壓 力 值 （MPa）橫 向 軸（ m m ）-100 -80 -60 -40 -20020406080 1000.00.20.40.60.81.0接 地 壓 力 值 （MPa）橫 向 軸（ m m ）-100 -80 -60 -40 -20

8、020406080 1000.00.20.40.60.81.01.21.41.61.8接 地 壓 力 值 （MPa）橫 向 軸（ m m ）810kpa/1900kg 810kpa/2500kg 810kpa/5000kg 各花紋塊走向壓力分布接地面中心點處橫斷面壓力分布0.040.080.120.160.20-0.10-0.050.000.050.1080000120000160000200000240000280000最 大 剪 應力 峰 值 （Pa）Y 軸 （m）X 軸 （m） d)700kpa/1788kg新胎半剛性基層f)390kpa/1788kg舊胎半剛性基層0.050.100.1

9、50.20-0.10-0.050.000.050.104000080000120000160000200000240000280000320000最 大 剪 應力 峰 值 （Pa）Y 軸 （m）X 軸 （m）n力學分析小結力學分析小結q當荷載荷載的非均布效應時，路面結構內力學分布十分復雜當荷載荷載的非均布效應時，路面結構內力學分布十分復雜q當輕型車輛超載時，即便總軸重小于標準荷載，但對路面的當輕型車輛超載時，即便總軸重小于標準荷載，但對路面的損傷更為嚴重損傷更為嚴重q對目前的半剛性基層瀝青路面，不能簡單地認為彎沉小意味對目前的半剛性基層瀝青路面，不能簡單地認為彎沉小意味者強度高者強度高q剪切指

10、標的分析為我們帶來了路面考慮的新視角，是我們在剪切指標的分析為我們帶來了路面考慮的新視角，是我們在傳統(tǒng)的路面分析中忽略了的因素。該指標的引入，為從力學傳統(tǒng)的路面分析中忽略了的因素。該指標的引入，為從力學的角度進行路面結構組合設計提供了理論指導的角度進行路面結構組合設計提供了理論指導q剪切破壞可能是重交通瀝青路面的主要損壞原因，是聯(lián)系材剪切破壞可能是重交通瀝青路面的主要損壞原因，是聯(lián)系材料與結構的紐帶，是一個好的設計指標料與結構的紐帶，是一個好的設計指標n瀝青混合料：均勻性，粘附性，空隙率，瀝青混合料：均勻性，粘附性，空隙率，強度，級配強度，級配n結構：過剛的基層導致面層剪應力過大結構：過剛的基

11、層導致面層剪應力過大n施工：分層過多施工：分層過多n排水、防水：設計比較弱排水、防水：設計比較弱n荷載：輪載與胎壓超載荷載：輪載與胎壓超載n新的損壞機理新的損壞機理圖圖22 成重高速剪應力等值線圖成重高速剪應力等值線圖圖圖23 京津塘高速剪應力等值線圖京津塘高速剪應力等值線圖實測值實測值0369121520.030.040.050.060.0路面溫度 路面溫度 深度 cm深度 cm5:005:0011:0011:0013:0013:0019:0019:0023:0023:00n模式模式1：瀝青遷移：瀝青遷移-翻漿模式翻漿模式n模式模式2：整體強度不足造成的疲勞開裂類：整體強度不足造成的疲勞開裂

12、類n模式模式3：剪切疲勞造成的車轍或縱向開裂類：剪切疲勞造成的車轍或縱向開裂類n模式模式4：低溫開裂類：低溫開裂類n主要問題主要問題v對路面損壞機理的認識不夠全面、不夠確切對路面損壞機理的認識不夠全面、不夠確切v路面使用性能與路面力學分析結果之間缺少明確、定量聯(lián)系路面使用性能與路面力學分析結果之間缺少明確、定量聯(lián)系 v設計理論不能為路面結構組合設計提供明確的指導設計理論不能為路面結構組合設計提供明確的指導 v沒有考慮環(huán)境因素對路面的影響沒有考慮環(huán)境因素對路面的影響 v材料設計與結構設計是獨立進行的，雙軌制材料設計與結構設計是獨立進行的，雙軌制 v不能控制高輪壓下的局部損壞不能控制高輪壓下的局部

13、損壞, ,無法進行實質性路面優(yōu)化無法進行實質性路面優(yōu)化 n從本質上描述路面行為變化的全過程是一個夢從本質上描述路面行為變化的全過程是一個夢想，也是想，也是SHRP-LTPP的目標的目標n工作過程工作過程q積累了北京、廣東、山東、浙江、江西、河北、遼寧積累了北京、廣東、山東、浙江、江西、河北、遼寧100多多萬個數(shù)據(jù)萬個數(shù)據(jù) q其中北京的數(shù)據(jù)積累了其中北京的數(shù)據(jù)積累了1010年年q上述數(shù)據(jù)多數(shù)是在一般公路上采集的上述數(shù)據(jù)多數(shù)是在一般公路上采集的 q為了驗證又采集了為了驗證又采集了2020多條高等級公路的路面數(shù)據(jù)多條高等級公路的路面數(shù)據(jù) q除了技術數(shù)據(jù)，還包括環(huán)境數(shù)據(jù)除了技術數(shù)據(jù)，還包括環(huán)境數(shù)據(jù) q

14、這是一個龐大的工程這是一個龐大的工程 PCIYEARSPCIALPHA的物理含義的物理含義ALPHABETA的物理含義的物理含義PCIBETA EsalSfEfBTfEsalSfEfBTf,654321使用年數(shù)PCI面層厚度使用年數(shù)PCI彎沉使用年數(shù)服務水平強面強基弱基強面弱面強基臨界n目前的方法目前的方法qAASHTOAASHTO方法方法qSHELLSHELL方法方法qAIAI方法方法qSUPERPAVESUPERPAVE方法方法q法國方法法國方法q比利時方法比利時方法q澳大利亞方法澳大利亞方法qAASHTO2002AASHTO2002q我國方法我國方法n損壞認識與設計考慮損壞認識與設計考慮

15、q形成于形成于6060、7070、8080、9090年代年代q疲勞開裂、車轍和低溫開裂疲勞開裂、車轍和低溫開裂是主要損壞形式是主要損壞形式q疲勞開裂首先產(chǎn)生于瀝青層疲勞開裂首先產(chǎn)生于瀝青層底面，并向上發(fā)展底面，并向上發(fā)展q路基變形是車轍產(chǎn)生的主要路基變形是車轍產(chǎn)生的主要原因原因q設計指標：設計指標：PSIPSI、 、l lzr和 n為什么不選擇彎沉為什么不選擇彎沉q彎沉不能很好地表示路面結構的受力狀態(tài)彎沉不能很好地表示路面結構的受力狀態(tài) q彎沉指標在進行設計時，其標準不一致，即對不同彎沉指標在進行設計時，其標準不一致，即對不同的結構有不同的標準的結構有不同的標準 q彎沉與整體層底面的彎拉應力的

16、獨立性較差，不管彎沉與整體層底面的彎拉應力的獨立性較差，不管采用什么參數(shù)都難以使其協(xié)調，無法使兩個指標同采用什么參數(shù)都難以使其協(xié)調，無法使兩個指標同時起到控制作用時起到控制作用 n為什么應力不合理而應變合理為什么應力不合理而應變合理q瀝青層底面的應力不是表征瀝青層疲勞的準確指標瀝青層底面的應力不是表征瀝青層疲勞的準確指標 EEEzrr 連續(xù)連續(xù)滑動滑動深度（深度（mm）應變應變應力應力應變應變應力應力0-109.98-0.202-138.50-0.272-13.3-76.88-0.188-97.67-0.239-26.7-47.20-0.173-60.74-0.205-40-23.20-0.1

17、58-30.04-0.171-7011.73-0.12218.99-0.096-10028.29-0.09149.34-0.026-15036.46-0.05383.160.082-20036.09-0.025118.330.196-25034.70-0.001174.590.340n階段階段1：輸入階段：輸入階段q輸入影響路面設計的所以因素，包括交通、環(huán)境、材料、路輸入影響路面設計的所以因素，包括交通、環(huán)境、材料、路基土質和施工能力等基土質和施工能力等n階段階段2：概念設計階段：概念設計階段q通過剪切分析進行路面結構材料（模量）組合設計，確定各通過剪切分析進行路面結構材料（模量）組合設計，確

18、定各結構層材料選擇原則結構層材料選擇原則q分析路表水和地下水的影響，決定水的處理措施分析路表水和地下水的影響，決定水的處理措施q確定材料設計參數(shù)確定材料設計參數(shù)模量組合分析模量組合分析高模量基層高模量基層低模量基層低模量基層可控制在可控制在 1000-50001000-5000MPaMPa之間之間 0200040006000800010000120001400016000-10001002003004000.300.350.400.450.500.55剪應力(MPa)應變()基層模量(MPa)壓應變彎拉應變剪應力n階段階段3：厚度設計階段：厚度設計階段q考慮技術經(jīng)濟因素，優(yōu)化得出合理的厚度組合

19、考慮技術經(jīng)濟因素，優(yōu)化得出合理的厚度組合路面的全壽命分析：分析期內的技術、經(jīng)濟綜合優(yōu)化性能使用年數(shù)1214161820222426283032343660080010001200140016001800200022002400260028003000ESAL/日面層厚度2830323436384060080010001200140016001800200022002400260028003000ESAL/日基層厚度283032343638404260080010001200140016001800200022002400260028003000ESAL/日墊層厚度( c m )12141618

20、202224262860080010001200140016001800200022002400260028003000ESAL/日面層厚度( c m )262830323436384060080010001200140016001800200022002400260028003000ESAL/日基層厚度( c m )26283032343638404260080010001200140016001800200022002400260028003000ESAL/日墊層厚度( c m )土基模量25MPa30MPa40MPa80MPan階段階段4：材料設計階段：材料設計階段q材料的各類常規(guī)試驗材

21、料的各類常規(guī)試驗q表面層材料的抗剪切試驗，控制剪切疲勞（車轍、表面層材料的抗剪切試驗，控制剪切疲勞（車轍、開裂），強度與應力比較開裂），強度與應力比較q均勻性控制均勻性控制基于性能的厚度設計基于性能的厚度設計確保彎拉應變滿足要求確保彎拉應變滿足要求不過要保證瀝青混合不過要保證瀝青混合料滿足一定的性能要求料滿足一定的性能要求必須據(jù)以進行材料疲必須據(jù)以進行材料疲勞檢驗，當不滿足要求勞檢驗，當不滿足要求時改進材料設計時改進材料設計當采用新材料時，可當采用新材料時，可以改變結構設計，或延以改變結構設計，或延長路面壽命長路面壽命ffNfN9現(xiàn)場室內疲勞試驗結果室內疲勞試驗結果 抗剪切強度驗算，確抗剪切強

22、度驗算，確保路面不產(chǎn)生剪切破壞保路面不產(chǎn)生剪切破壞抗剪切強度儲備（安抗剪切強度儲備（安全系數(shù)）應在全系數(shù)）應在1.5以上以上剪應力可采用力學分剪應力可采用力學分析方法計算析方法計算n綜合考慮力學分綜合考慮力學分析和試驗結果，析和試驗結果，確定：確定： q壓頭尺寸：壓頭尺寸：28.5mmq試件尺寸：試件尺寸： 100mm100mm貫入試驗示意圖貫入試驗示意圖沿深度方向剪應力分布圖沿深度方向剪應力分布圖05000010000015000020000025000000.511.522.533.54Z/D剪應力(Pa)道路中的剪應力分布試件中的剪應力分布剪應力分布比較圖剪應力分布比較圖 沿深度方向S1

23、應力比較圖沿深度方向S1應力比較圖-800000-700000-600000-500000-400000-300000-200000-100000010000020000000.511.522.533.54Z/DZ/DS1S1道路中度S1分布圖試件中S1分布圖拉應力分布比較圖拉應力分布比較圖 壓密階段彈性工作階段破壞階段徹底破壞階段彈性拐點破壞拐點損傷點極值點剪應力計算：通過有限元的分析，得出了在壓剪應力計算：通過有限元的分析，得出了在壓應力為應力為1MPa、=0.35時主應力的計算參數(shù)時主應力的計算參數(shù)參數(shù)類型參數(shù)類型 泊松比泊松比1 13 3maxmax所乘系數(shù)所乘系數(shù)0.350.350.

24、7650 0.7650 0.0872 0.0872 0.3390 0.3390 剪應力系數(shù)最大貫入應力maxC,值計算：值計算：)arcsin(3131uGGuGG)cossin1(2uC303234363840424446485052540.000.020.040.060.080.100.120.140.16C(MPa)C(MPa)()()P=100kNAB12141618202224262860080010001200140016001800200022002400260028003000ESAL/日面層厚度(cm)瀝青層底面應變與疲勞壽命關系瀝青層底面應變與疲勞壽命關系疲勞方程比較024

25、6810-5-4-3-2-1LOG(瀝青層底面彎拉應變)LOG(路面壽命)AIshell本研究-4.2-4.0-3.8-3.6-3.4-3.2-3.0-2.8-2.6024681012lgzlgN S SH HE EL LL L5 50 0 S SH HE EL LL L8 85 5 S SH HE EL LL L9 95 5 A AI I 諾諾丁丁漢漢10 諾諾丁丁漢漢20 比比 利利時時 法法國國（ 重重交交） 法法國國 同同濟濟低低標標 準準 同同濟濟中中標標 準準 同同濟濟高高標標 準準路基頂應變與疲勞壽命關系路基頂應變與疲勞壽命關系y = -0.0902x + 9.161R2 = 0

26、.9989y = -0.0981x + 9.3526R2 = 0.80556.66.76.86.977.17.27.3202122232425262728設計標準設計標準 低標準低標準 中標準中標準 高標準高標準 瀝青層底面彎拉瀝青層底面彎拉應變與疲勞壽命應變與疲勞壽命關系關系 路基頂面壓應變路基頂面壓應變與疲勞壽命關系與疲勞壽命關系 3 . 00414. 0Nr309. 00356. 0Nr30. 00245. 0Nr23. 0015. 0Nz19. 0006. 0Nz17. 00036. 0Nz剪應力剪應力車轍和車轍和開裂控開裂控制制彎拉應彎拉應變，疲變，疲勞開裂勞開裂控制控制)arcsi

27、n(3131uGGuGG303234363840424446485052540.000.020.040.060.080.100.120.140.16C(MPa)C(MPa)()()P=100kNAB疲勞壽命比與材料系數(shù)的關系y = 0.9865Ln(x) + 0.5713R2 = 0.997300.511.522.511.522.533.544.5Kf1壓應變壓應變12141618202224262860080010001200140016001800200022002400260028003000ESAL/日面層厚度(cm)2628303234363840600800100012001400

28、16001800200022002400260028003000ESAL/日基層厚度(cm)26283032343638404260080010001200 1400 1600 1800 2000 2200 24002600 2800 3000ESAL/日墊層厚度( c m )土基模量25MPa30MPa40MPa80MPan集料表面紋理集料表面紋理q對車轍、抗滑有很大的影響對車轍、抗滑有很大的影響q對級配有很大影響對級配有很大影響q新鮮程度新鮮程度貫入試驗貫入試驗壓縮試驗壓縮試驗040n設計考慮設計考慮n運輸運輸n攤鋪攤鋪:適當?shù)乃俣群蛯挾冗m當?shù)乃俣群蛯挾萵溫度不均勻溫度不均勻0510152

29、0253035LH25SMA16LK1LK0LH15SUP13變異性與集料最大粒徑的關系瀝青混合料均勻性瀝青混合料均勻性瀝青混合料均勻性指標瀝青混合料均勻性指標好好D 0.95較好較好0.95 D 1.15差差1.15 1.35n攤鋪厚度攤鋪厚度n攤鋪機的狀態(tài)攤鋪機的狀態(tài)n攤鋪中的分層攤鋪中的分層n雙層攤鋪雙層攤鋪n運輸車輛的影響運輸車輛的影響q施工車輛的超載施工車輛的超載q施工便道的重要性施工便道的重要性q施工組織的合理性施工組織的合理性n關于壓實標準的討論關于壓實標準的討論q96、97還是還是98？q壓實度的計算壓實度的計算修建年月修建年月路名路名標準偏差（標準偏差（mm） 滬嘉高速公路滬

30、嘉高速公路 2.5JTJ 171-94/981.8/1.2 沈（陽）沈（陽） 大（連）大（連）1.2京京津津塘塘1.0滬寧（江蘇段）滬寧（江蘇段）0.7205博萊高速博萊高速0.6京滬（泰安段）京滬（泰安段）0.55RQR與IRI之間的關系0123456012345IRI（m/km）RQR考慮條件考慮條件平整度指標平整度指標平整度標準平整度標準 0級級IRI1.1R1.460.78 I級級IRI1.5R1.951.12 II級級IRI2.0R2.571.55 III級級IRI2.35R3.01.85 路面施工平整度分層控制標準路面施工平整度分層控制標準 考慮因素考慮因素指標指標最終最終中面層中

31、面層下面層下面層基層基層 0 級級IRI1.11.301.954.23R1.461.712.515.310.780.951.513.47 I 級級IRI1.51.872.656.75R1.952.413.378.401.121.442.115.63 II 級級IRI2.02.593.559.93R2.573.294.4712.301.552.062.888.36 III 級級IRI2.353.094.1712.14R3.03.915.2315.011.852.493.4110.25q彎沉檢測即應限高值，也應限低值彎沉檢測即應限高值，也應限低值q目前的彎沉修正系數(shù)不適用于分層驗收目前的彎沉修正系

32、數(shù)不適用于分層驗收 ，只適用于最終的驗收，只適用于最終的驗收q建議采用如下修正公式：建議采用如下修正公式：19. 027. 0075. 0)()()(35.11hpEdlFsbv目前路面損壞的原因是多方面的，不同于傳統(tǒng)的輕交通目前路面損壞的原因是多方面的，不同于傳統(tǒng)的輕交通路面。對于路面損壞的機理缺少深入全面的認識；結構路面。對于路面損壞的機理缺少深入全面的認識；結構設計單純依靠力學設計方法，設計指標選取不當；對結設計單純依靠力學設計方法，設計指標選取不當；對結構層、尤其是瀝青層功能的考慮不夠明確；對重交通的構層、尤其是瀝青層功能的考慮不夠明確；對重交通的特點考慮不夠；許多試驗參數(shù)不適用于重交通道路。目特點考慮不夠；許多試驗參數(shù)不適用于重交通道路。目前的路面設計理論和方法只是以前輕交通路面設計理論前的路面設計理論和方法只是以前輕交通路面設計理論和方法的簡單外延，與重交通路面的要求尚有較大距離。和方法的簡單外延，與重交通路面的要求尚有較大距離。 v材料的來源復雜、變異性大、質量無法控制，造成成材料的來源復雜、變異性大、質量無法控制，造成成品材料的均勻性很差；強調就地取材、遷就現(xiàn)實；集品材料的均勻性很差；強調就地取材、遷就現(xiàn)實；集料開采設備比較原始；沒有及時的質量監(jiān)測體系，施料開采