混凝土路面加铺STRATA

旧水泥混凝土路面STRATA应力吸收层加铺结构2023/2/51一、概况2023/2/522023/2/53水泥混凝土路面具有造价低、刚度大、强度高、使用耐久和日常维护工作量小等优点;自20世纪70年代中期，我国许多干线公路、城市道路、厂矿道路及专用公路相继采用了水泥混凝土路面结构,目前这些公路已陆续进入维修期。2023/2/541997年加拿大国家研究委员会（NationalResearchCouncil,NRC）的研究报告表明：在路面破坏前及时采用罩面修复，可以减少罩面厚度15/4英寸，随之节省费用超过100000美元/英里。美国联邦公路管理局（FHWA）估计全国从1975年起用于养护公路的费用以大约3亿美元的速度不断上升，几乎相当于公路总费用的三分之一。我国的养护费用增长表明：公路系统已从建设投资密集型转入养护投资密集型，公路系统中早期建成的路面的维护从养护转变到修复与改建是必然趋势。2023/2/55汉宜高速——公路交通东西大通道旧水泥混凝土路面的病害经济发展对公路交通的需求汉宜高速加铺改造的主要问题2023/2/56汉宜高速——公路交通东西大通道武汉-宜昌高速公路（简称汉宜高速）是我国沪蓉通道的重要组成部分，位于长江中下游江汉平原，主线全长277.717公里，全线均为双向四车道水泥混凝土路面，是西南地区通向中东部地区公路大动脉，车流量大，重载车辆多。2023/2/57自上世纪九十年代修建通车十多年以来，未进行过大修改造，十多年营运使路面的使用性能急剧恶化，已严重影响车辆行驶安全和道路通行能力发挥，急需进行加铺改造。2023/2/58汉宜高速2023/2/59旧水泥混凝土路面的病害2023/2/5102023/2/511经济发展对公路交通的需求交通超前同步发展2023/2/512汉宜高速与国道318线交通量分布路段名称20022007201020152021武汉-仙桃G31841454053433645974872汉宜高速1165216401199582583733580通道1579720454242943043438452仙桃-潜江G31826302438260827652931汉宜高速945912340147142106630080通道12089147778173222383133011潜江-荆州G31871015762616565356927汉宜高速76909324128311731122787通道1479115086189962384629714加权平均G31844363932420744594727汉宜高速961012372155402102428284通道1404616304197472548333011交通量分摊比例G31831.58％24.11％21.30％17.50％14.32％汉宜高速68.42%75.89%78.70%82.50%85.68%2023/2/513交通量预测结果2002-2021年期间，汉宜高速公路预测交通量增长较快，约为5.85％；针对交通量预测结果，必须提高汉宜高速的通行能力，满足日益增长的交通需求，因此，对汉宜高速的维修改造迫在眉睫，为经济发展提供推动力。2023/2/514汉宜高速加铺改造的主要问题☞旧路面病害处治与处治后路面综合性能评价☞原路面材料综合利用与加铺层类型选择☞旧路面加铺层反射裂缝防治☞旧路面加铺层结构设计方法☞旧水泥路面加铺层施工工艺与质量控制措施☞加铺后罩面的路用性能评价及经济效益2023/2/515二、路况调查、病害处治与综合评定2023/2/516路面状况评价病害处治路面结构评定《公路水泥混凝土路面养护技术规范（JTJ073.1-2001）路面状况评价指数（PCI）断板率（DBL）混凝土路面结构刚度和混凝土板的传荷能力FWD弯沉值接缝传荷系数旧混凝土路面病害评价标准相应处治方案2023/2/517各路段之间有一定的差异，总体处于良以上。路况指数PCI2023/2/518路况最佳的永仙段，断板率为中级，其它路段都处于差级别，可见断板破裂是汉宜高速的主要病害。断板率DBL2023/2/519结构评定采用静态弯沉仪测试旧路面混凝土板中心、板边缘弯沉值，以此评价旧路面结构刚度和传荷能力。2023/2/520弯沉2023/2/5212023/2/522接缝传荷能力

传荷系数2023/2/5232023/2/5242023/2/525从调查路段的PCI、DBL、弯沉、混凝土路面板的传荷效率等指标的评价结果看出，可以充分利用旧混凝土路面整体的结构强度和板的剩余寿命，废弃或破碎旧板将造成资源浪费和环境污染。路面评定结论2023/2/526混凝土路面病害与处治施工工艺施工装备重车及超重车的影响软基、高填方路段处理不当、压实不足路面原材料质量病害原因养护管理水损害2023/2/527☞

破碎更换所有断板☞

严重断板周边的混凝土板视其破坏情况（沉陷、脱空、错台、唧泥等）分别采取换板、灌浆等方式处理☞

浇筑新板的同时恢复或增补拉杆和传力杆钢筋，以恢复或增强其板间传荷能力。路面板破损处理2023/2/528单点实测弯沉值ll＜14，不予处理；14≤l≤40，采用深层钻孔压浆处理；l＞40，整板破碎，处理基层，新浇混凝土板；两相邻板块间弯沉差△l，△l＜6，不予处理，△l≥6，对弯沉较大的板采用深层压浆处理。承载力不足2023/2/529☞

裂缝维修☞

板角修补☞

错台处理非结构性一般病害2023/2/530三、水泥混凝土路面板断裂破坏力学分析2023/2/531。局部脱空对荷载应力的影响以板角、纵、横缝边缘中点三个最不利荷位作为局部脱空区及加载荷位，由有限元软件计算水泥混凝土路面板在不同脱空面积及标准荷载BZZ—100作用下路面板最大弯拉应力。2023/2/532重载对路面板荷载应力与弯沉的影响超重车辆使水泥混凝土板产生过大的弯拉应力，导致路面板产生断裂破坏，对板角、纵缝及横缝边缘中点三个荷位在不同轴载作用下弯拉应力及弯沉进行有限元分析计算。2023/2/533重载对弯沉的影响板角、纵、横缝边缘中点的弯拉应力随轴载增加呈线性比例增长；纵、横缝边缘中点的弯沉值随车辆轴载的变化规律与弯拉应力的变化规律基本相同，但弯沉随荷载增长速率要快于弯拉应力的增长速率2023/2/534脱空与轮载耦合对荷载应力的影响。2023/2/5352023/2/536四、旧水泥路面加铺层

结构方案比选2023/2/537白色罩面黑色罩面优点：

☞

路面结构刚度高

☞

养护费用低缺点：☞罩面造价高

☞

工期长

☞施工期不利于疏导交通优点：

☞

造价低

☞

行驶舒适性好

☞

施工方便

☞

对交通及环境影响小缺点：☞易形成反射裂缝

☞材质要求较严格2023/2/538锯切横缝对应于旧水泥路面的接、裂缝，在沥青加铺层上预切横缝并灌入填缝料，保持有效密封，防止水或其他异物渗入。裂缝隔离在旧混凝土板上铺筑开级配沥青碎石混合料或者级配碎石等裂缝缓解层，隔离旧路病害。土工织物在旧混凝土板上铺筑土工布、土工格栅、改性沥青油毡等材料，阻断反射裂缝向沥青加铺层传播.面板破碎将旧板破碎作为基层，铺筑二灰稳定碎石等半刚性调平层，再铺筑沥青混凝土面层。

沥青加铺层反射裂缝主要防止方法2023/2/539

延缓反射裂缝出现3～5年延长沥青加铺层使用寿命防止路面水损害

施工方便，易于推广应用

可与面层一起再生，节约资源，减少环境污染。

根据汉宜高速旧水泥混凝土路面路况评定结果，应力吸收层沥青加铺结构的优越性，确定采用应力吸收层沥青加铺结构。设置应力吸收层防裂结构优势2023/2/540五、沥青加铺层反射裂缝成因

及扩展机理2023/2/541在交通荷载及温度应力作用下，旧水泥混凝土路面板接缝处沥青加铺层底面易产生应力集中，加剧了沥青加铺层层底裂缝的形成和扩展。加铺层层底开裂后，裂纹缝端将产生很大的拉应力和剪应力集中，其复合应力强度因子完全可能超过材料的断裂韧性使路面继续开裂，直至裂缝贯通整个加铺层。为研究旧水泥混凝土接缝处沥青加铺层应力集中现象，采用有限元方法对交通荷载和温度变化对加铺层的应力影响进行分析。反射裂缝成因及扩展机理2023/2/542接缝处σe接缝处τmax接缝处加铺层顶部σ1接缝处加铺层底部σ1接缝处弯沉应力集中现象2023/2/543有限元计算结果表明，无论是受车辆荷载作用还是温度应力作用，旧水泥混凝土板接缝处沥青加铺层应力的最大值均出现在接缝处，形成应力集中现象，裂缝在接缝处沥青加铺层底部开始萌生，然后逐渐向上扩展，最终贯穿整个加铺层。2023/2/544六、应力吸收层沥青加铺结构内力数值模拟2023/2/545

将路面结构视为弹性层状体系，建立沥青加铺层、应力吸收层（有无）、带有裂缝或接缝的水泥混凝土路面和地基的空间三维模型。沥青加铺层、水泥混凝土路面和基础等结构层采用8节点实体单元，进行应力、应变及位移分析。2023/2/546路面结构有限元空间网格划分图

结构计算模型

沥青加铺层荷载应力计算模型2023/2/547轴重对沥青加铺层的影响采用单轴轴载进行力学分析，以标准轴载100KN为起点，按20KN一级递增，至轴载240KN为止。2023/2/548

☞

轴重增加，接缝处沥青加铺层底最大主应力、等效应力及最大剪应力成线性增长；☞

轴载增加，接缝两侧的弯沉及弯沉差呈线性增长，接缝处沥青加铺层荷载应力随轴重变化接缝处两侧弯沉及弯沉差随轴重变化2023/2/549沥青加铺层模量对加铺层的影响车辆荷载为BZZ—100偏荷载作用，沥青混合料模量从00MPa变化到2200MPa，分析沥青加铺层模量变化对荷载应力产生的影响。

2023/2/5502023/2/551

☞

随着沥青加铺层模量增加，接缝处沥青加铺层最大主应力、等效应力及最大剪应力逐渐增大☞

加铺层模量增大，接缝两侧的弯沉及弯沉差都逐渐减小。加铺层模量的提高并不能减少车辆荷载应力，但可在一定程度上减小接缝两侧的弯沉及弯沉差☞

地基模量增大，接缝处沥青加铺层最大主应力、等效应力及最大剪应力逐渐减小☞

地基模量增加，接缝两侧弯沉及弯沉差都随之变小，但弯沉的减小幅度远大于接缝两侧的弯沉差减小幅度。2023/2/552应力吸收层厚度变化对加铺层的影响分别取应力吸收层厚度为1～7cm，对加铺层结构进行荷载应力有限元分析。车辆荷载为BZZ-100水泥混凝土路面板厚度22cm，弹性模量Ec=30000MPa，基础当量模量E0=100MPa沥青加铺层厚度10cm、模量Ea=1200MPa；应力吸收层材料模量根据室内材料实验取600MPa。2023/2/553应力吸收层厚度在1～7cm变化，层顶各应力变化不大，可见增加应力吸收层厚度对于顶面的竖直剪应力消减效果不明显。接缝处沥青加铺层底面应力随应力吸收层厚度增加而大幅度降低。应力吸收层厚度超过4cm时，厚度增加对于沥青加铺层底应力的消散作用减缓，2023/2/554应力吸收层厚度从1cm增加至7cm，其本身层底各应力的减小幅度均在10%以内，说明自身厚度增加对本体应力缓解作用不大。2023/2/555应力吸收层厚度变化对接缝两侧的弯沉及弯沉差影响很小，应力吸收层厚度为2.5～3.0cm时，板间弯沉差出现最大值1.198（0.01mm），说明在该厚度时应力吸收层的变形最大，有利于吸收应力，发挥其柔韧流变特性。2023/2/556应力吸收层模量对加铺层荷载应力的影响计算参数车辆荷载：BZZ-100水泥混凝土路面板厚22cm，弹性模量Ec=30000MP路面板平面尺寸：500cm×450cm；应力吸收层厚度2.5cm，模量200、600、1200、2200MPa基础当量模量E0=100MPa沥青加铺层厚度10cm、模量Ea=1200MPa2023/2/557应力吸收层模量变化，使沥青加铺层底面应力显著变化应力吸收层材料模量加大，加铺层接缝处顶面应力减小效果不明显，说明应力吸收层模量变化对沥青层顶面应力影响很小。应力吸收层材料模量越小，减少加铺层弯拉应力及第一主应力的效果越明显，其为200～600MPa时，主要起吸收加铺层内的应力，减小应力集中，延缓裂缝形成的作用。2023/2/558模量变化对加铺层结构内力分布的影响2023/2/559加铺层接缝处距路面深度约4.5cm处拉应力不随应力吸收层模量变化；加铺层顶面至深度4.5cm，拉应力随应力吸收层模量减小增大，增加的幅度随着路面深度的递增而减小；加铺层底部各应力随应力吸收层模量减小而显著减小，说明低模量的应力吸收层改善了整个加铺层的应力分布状况，延缓反射裂缝在加铺层中形成与扩展。2023/2/560

将路面结构视为弹性层状体系，建立由沥青加铺层、应力吸收夹层、带有裂缝或接缝的水泥混凝土路面和地基所组成路面体系组成的空间三维模型。水泥混凝土和基础单元采用8节点实体单元，为反映半无限大空间地基的特性，采用扩大尺寸来模拟地基。根据实际路面温度测量结果，取△T=－10℃计算温度应力。沥青加铺层温度应力计算模型2023/2/561温度场测试2023/2/562应力吸收层普通罩面应力吸收层普通罩面层最大主应力、等效应力及最大剪应力随应力吸收层厚度增加而减小，2～3cm厚的应力吸收层对减小温度应力有重要作用。应力吸收层厚度超过3cm时，温度应力减小幅度有限。应力吸收层模量变化对于路面0.1m至0.125m深度处的温度应力的影响十分显著。2023/2/563七、应力吸收层沥青加铺结构设计方法

2023/2/5642023/2/565八、沥青加铺层抗反射裂缝

室内试验论证

2023/2/566

微机监控试验过程

反射裂缝观测

大比例尺寸疲劳试验研究张开型试验2023/2/567

反射裂缝观测

剪切型试验2023/2/568

MTS测试系统

MTS反射裂缝疲劳测试

加铺层反射裂缝小梁疲劳试验研究2023/2/5692023/2/570温度型和剪切型大比例尺寸疲劳试验，均表明应力吸收层可消解水泥混凝土板块接缝处的应力集中现象，有效地防止沥青加铺层反射裂缝产生。其良好的弹性和抗疲劳性能可使水平位移在较宽的范围内分散，降低加铺层内裂缝尖端的应力强度因子幅值，使裂缝不会很快失稳扩展，从而延缓裂缝反射的速度。2023/2/571九、试验段铺筑及试验结果2023/2/572拌和生产摊铺2023/2/573十、主要结论2023/2/574在分析和研究国内外旧水泥混凝土路面沥青加铺结构设计方法的基础上，通过对汉宜高速公路旧水泥混凝土路面的路况调查、病害处治及综合评定，确定采用基于应力吸收层系统的沥青加铺结构方案。2023/2/575对应力吸收层