永久性路面結構與材料性能070206課件

1、永久性路面結構與材料性能張起森 教授 博士生導師長沙理工大學主要內(nèi)容一、永久性路面設計理念二、永久性路面設計方法三、永久性路面的材料要求四、目前各地永久性路面狀況五、總結長沙理工大學一、永久性路面設計理念長沙理工大學定義 perpetual pavement ：指只需定期更換路面表層（把破壞限制在路面上層），而不需進行結構性修復或重建，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 （高強度路面）long-life asphalt pavement（長壽命路面）長沙理工大學設計理

2、念上面層：抗車轍能力和抗磨耗能力中間層：抗車轍能力基層：抗疲勞能力 路基：高強、穩(wěn)定和堅固 長沙理工大學最大拉應變路面基礎100180mm高模量抗車轍材料(根據(jù)需要定)柔性抗疲勞材料 75100mm 4075mm 高質量SMA、 OGFC 或 Superpave100150mm高壓力區(qū)設計理念長沙理工大學自下而上進行設計和施工基礎（高強、穩(wěn)定和堅固 ）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抗疲勞性能上面層加強抗車轍性能設計理念長沙理工大學 永久性瀝青路面在使用過程中，為保持其良好的性能和使用壽命，必須定期檢測，當自下而上的疲勞開裂、溫度開裂、車轍等病害達到預定深度時(即達到磨

3、耗層深度)，就必須采取罩面等措施。對于永久性瀝青路面而言，這點非常關鍵，它保證了將病害限制在表層 ，且盡可能減小未來罩面的附加厚度 （重鋪厚度必須盡可能采用原厚度 ）長沙理工大學要應避免以下現(xiàn)象發(fā)生 重復彎曲導致疲勞開裂 重復 變形導致車轍HMA基層路基長沙理工大學永久性路面優(yōu)點瀝青路面壽命可達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)護維修僅限于面層瀝青面層可再循環(huán)減少疲勞開裂和車轍損壞最大限度地減少自然資源的使用采用力學方法進行路面設計，綜合考慮疲勞開裂、車轍和溫度開裂長沙理工大學使用時間總費用傳統(tǒng)路面永久性路面經(jīng)濟性能經(jīng)濟差長沙理工大學二、永久性路面設計方法長沙理工大學設計原理

4、力學方法設計過程類似于其它結構設計方法選擇控制點驗算控制標準(由下至上設計)輸入材料性能參數(shù)路面分析模型路面應力和應變路面變換方程路面使用壽命拉應變標準壓應變標準永久性路面設計過程長沙理工大學力學設計法路面模型材料性能(模量值)路面反應 (應變, 應力等)轉移函數(shù)路面壽命是否滿足?設計完成盡量不讓瀝青層底拉應變65或路基頂壓應變 200長沙理工大學1992年Monismith提出力學設計法的流程圖長沙理工大學力學性能標準ESAL作用下彎曲拉應變極值 65me(Monismith, Von Quintus, Nunn,Thompson等人研究發(fā)現(xiàn))垂直壓應變極值 200mm）基層(as requ

5、ired)路基長沙理工大學疲勞開裂控制點位置：面層底面控制標準：拉應變200mm 永久性變形控制點位置： 路基頂面控制標準：壓應變 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/英寸路面基礎長沙理工大學四、各地永久性路面狀況長沙理工大學 傳統(tǒng)的瀝青路面設計壽命為20年。適度增加路面強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。歐洲使用情況簡介美國使用情況簡介中國山東濱州永久性路面試驗路各地永久性路面狀況長沙理工大學歐洲使用情況簡介1977年德國A5高速公路Frankfurter Kreuz采用的結構是

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，重載貨車比例為1020，使用17年后標準軸載次數(shù)為125百萬次，到現(xiàn)在仍然使用良好。再如德國漢堡高速公路都承受著非常重的交通量，結構為35mm澆注瀝青砼面層+265mm瀝青砼基層+150mm級配砂礫+防凍層長沙理工大學歐洲使用情況簡介法國巴黎Peripherique道路雙向交通量200000輛/d，重載貨車占10，年標準軸次1千萬。1993年進行了大修，結構為40mm排水面層+220mm高模量瀝青砼基層。再如法國Stered高速，結構為70mm瀝青砼+60mm瀝青穩(wěn)定砂礫+100350

7、mm水泥穩(wěn)定砂礫+150mm砂層長沙理工大學歐洲使用情況簡介意大利的Del Sole高速，結構為30mm中粒式瀝青砼+70mm粗粒式瀝青砼+150mm瀝青碎石+360mm級配砂礫+300400mm砂層奧地利Brenner高速，結構為27mm細粒式瀝青砼+30mm中粒式瀝青砼+45mm粗粒式瀝青砼+140mm瀝青碎石（密級配）+160mm瀝青碎石（開級配）+300mm防凍層長沙理工大學美國使用情況簡介New JerseyNew Jersey運輸部對I-287州際道路的路面損害情況進行調查。該道路1993年年平均日交通量為11.1019萬次，貨車占22，重貨車占9。20年累計當量荷載5000萬次。

8、由于是重載交通，因此經(jīng)常出現(xiàn)停車、慢速行車。1963年修建，原結構為3inHMA面層+7in基層+8in密級配的級配碎石+10in級配砂礫底基層，路基為粉質砂土。長沙理工大學美國使用情況簡介New Jersey使用多年來除了局部進行了小面積的補坑外，沒有經(jīng)過其他維修。調查發(fā)現(xiàn)路面維修很少，路表行車道處產(chǎn)生了縱向疲勞開裂，且車轍深度達到25mm以上。但是進一步研究表明這些病害深度都沒有發(fā)展到路表75mm以下，因此決定冼刨調表明75mm瀝青面層，重新加鋪100mmHMA。該工程1994年完工，2001年調查時沒有發(fā)現(xiàn)任何開裂、車轍，預計結構能夠使用40年以上。長沙理工大學美國使用情況簡介Iowa2

9、0世紀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，一條在Cedar，另一條在Johnson。該獎授予美國州際高速公路系統(tǒng)上的6個不同路段。Cedar路段修建于1962年，結構為4.5inHMA面層+16inATB，直接放到細粒土上。使用到現(xiàn)在為止分別在1967年、1990年進行了表面修補。長沙理工大學美國使用情況簡介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，結構為3inHMA面層+14inATB，1964年面層進行2in罩面，1968年工程結束，到現(xiàn)在只進行過一些面層修復（與剛通車時相比，現(xiàn)在I-8

10、0道路上的交通量已經(jīng)增長了5倍多）。實踐表明，正確的路面結構設計、嚴格的施工質量控制和適當?shù)木S修，瀝青路面一定能夠使用很長時間。長沙理工大學美國使用情況簡介Washington1999年該州交通運輸部（WSDOT）對480km全路段進行了詳細調查。該路中有三種路面結構：柔性結構、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?。藴瘦S次37.5萬次/年/車道），而有些路段交通量又很高（標準軸次2500萬次/年/車道）。長沙理工大學馬里蘭州路面

11、結構使用狀況馬里蘭州的巴爾的摩環(huán)形公路也是一個很好的例子，日交通量（ADT）是175000輛/日，貨車占19。結構為2inSMA19+2.5inHMA基層（大粒徑石料）。總厚度為16in（40.6cm），沒有發(fā)現(xiàn)自下而上的疲勞開裂，4年的觀測表明，路面車轍正常，為1/8in。長沙理工大學俄亥俄州柔性路面研究4條州際公路性能調查結果HMA路面沒有修復或重建而使用超過34年“沒有大量結構性或排水維修的柔性路面”僅略多于目前HMA路面花費長沙理工大學FHWA 長期路面性能研究數(shù)據(jù)GPS-6 (FHWA-RD-00-165)數(shù)據(jù)結論大部分AC 罩面 15 years( 修復前)許多 AC罩面 20 y

12、ears （大破壞前）厚面層意味著少:疲勞開裂橫向開裂縱向開裂長沙理工大學表面開裂 過去一般認為瀝青路面的開裂是從下到上的開裂，但近幾年歐洲和美國加利福尼亞、伊利諾伊德克薩斯、肯塔基、弗羅里達等州調查發(fā)現(xiàn)輪跡帶出現(xiàn)自上而下縱向裂縫。弗羅里達大學等對此展開了大量理論和現(xiàn)場調查研究，并取得了一定成果長沙理工大學表面開裂原因卡車輪胎引起的橫向應力過大（導致輪跡帶出現(xiàn)自上而下縱向裂縫）溫度應力（出現(xiàn)較高的溫度應力臨界狀態(tài)時間較短，如冬天一般是晚上出現(xiàn)）鋪筑設備（伊利諾伊州運輸部門研究人員發(fā)現(xiàn)）長沙理工大學 開裂 (從表面開始)軸載表面開裂TRL長沙理工大學新澤西 I-287表面開裂長沙理工大學150

13、mm50 mm華盛頓瀝青路面Top-Down開裂 150 mm長沙理工大學M32TRL長沙理工大學抗車轍面層車轍出現(xiàn)在瀝青上面層Full-Scale TracksMn/ROADWesTrackNCAT加速加載路面試驗CalAPTFHWA長沙理工大學中國山東濱州永久性路面試驗路背景：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)濟發(fā)達地區(qū)的交通樞紐和黃河三角洲開發(fā)的重要基地。試驗路（離黃河只有幾公里）2005年6月開始施工，9月通車。長沙理工大學試驗路設計與美國永久性路面一樣應用PerRoad軟件進行設計，但該路設計軸載是重載車（平均單軸重超過9噸）。設計控制指標：疲勞： 將HMA層底水平拉應變70或125作為破壞臨界值車轍：路基頂垂直應變?yōu)?00長沙理工大學試驗路設計兩套材料性能及破壞標準：土基模量48MPa，疲勞破壞臨界值是70（較為保守的標準），HMA層設計厚度為508mm土基模量103MPa，疲勞破壞臨界值是125， HMA層設計厚度為380m