重交通路面设计施工新理念.ppt

1、重交通沥青路面设计施工新理念,（来自同济大学）,2020/8/5,一、概述 二、路面损坏机理 三、重交通路面设计 四、施工技术要点 五、结束语,主要内容,2020/8/5,一、概述,第一阶段：总体成功，主要问题是反射裂缝问题（96年前） 第二阶段：高速公路逐渐成网，运输量增加，压实不足以及重交通，主要问题是“水损坏”（9701年） 01年以来，面层混合料普遍采用密实型，使用改性沥青和SMA，“水损坏”减少，车辙严重,2020/8/5,斑状泛油,重交路面损坏特征,2020/8/5,内部松散,重交路面损坏特征,2020/8/5,新型翻浆,重交路面损坏特征,2020/8/5,新型沉陷,重交路面损坏特

2、征,2020/8/5,坑洞,重交路面损坏特征,2020/8/5,车辙,重交路面损坏特征,2020/8/5,纵向平行裂缝,重交路面损坏特征,2020/8/5,鸡爪形不规则裂缝,重交路面损坏特征,2020/8/5,Top-Down损坏,重交路面损坏特征,2020/8/5,重交路面损坏特征,2020/8/5,重交路面损坏特征,2020/8/5,目前的损坏 产生于路面使用初期 与结构的整体抗力无正相关性 重载的影响明显 损坏起于面层，开裂向下传播 雨水具有明显的影响 发展速度很快,传统的损坏 产生于长期使用后 与整体抗力关系明显 雨水的影响明显 开裂产生于结构层底部，向上发展 损坏随累计ESAL增加缓

3、慢增加 伴随非荷载型损坏,重交通道路路面损坏特征,2020/8/5,实测的水压,动水压力,2020/8/5,动水压力,2020/8/5,沥青的迁移,动水压力,2020/8/5,翻浆的过程,动水压力,2020/8/5,翻浆与沉陷,动水压力,2020/8/5,空隙率与损坏,沥青混合料的质量,2020/8/5,变异性与集料最大粒径的关系,沥青混合料的质量,2020/8/5,沥青混合料的质量,2020/8/5,车辆的大型化 超载车辆激增 轮胎花纹 车速快 交通量很大,荷载特性,2020/8/5,1050kpa/1900kg,1050kpa/2500kg,1050kpa/6250kg,典型测试结果：11

4、.00-20走向花纹轮胎接地压力分布实测,各花纹条走 向压力分布,接地面中心点处 横断面压力分布,荷载特性,2020/8/5,典型测试结果： 11.00-20横向花纹轮胎接地压力分布实测,810kpa/1900kg,810kpa/2500kg,810kpa/5000kg,810kpa/1900kg,810kpa/2500kg,810kpa/5000kg,各花纹块走 向压力分布,接地面中心点处 横断面压力分布,荷载特性,2020/8/5,荷载特性,新旧轮胎的 比较,2020/8/5,应力分析,2020/8/5,基于弯沉、弯拉的判断：abc,应力分析,2020/8/5,基于剪切应力的判断：bca,

5、应力分析,2020/8/5,应力分析,2020/8/5,力学分析小结 当荷载荷载的非均布效应时，路面结构内力学分布十分复杂 当轻型车辆超载时，即便总轴重小于标准荷载，但对路面的损伤更为严重 对目前的半刚性基层沥青路面，不能简单地认为弯沉小意味者强度高 剪切指标的分析为我们带来了路面考虑的新视角，是我们在传统的路面分析中忽略了的因素。该指标的引入，为从力学的角度进行路面结构组合设计提供了理论指导 剪切破坏可能是重交通沥青路面的主要损坏原因，是联系材料与结构的纽带，是一个好的设计指标,应力分析,2020/8/5,沥青混合料：均匀性，粘附性，空隙率，强度，级配 结构：过刚的基层导致面层剪应力过大 施

6、工：分层过多 排水、防水：设计比较弱 荷载：轮载与胎压超载 新的损坏机理,二、损坏机理,2020/8/5,二、损坏机理,自上而下的开裂过程,2020/8/5,应该为纵向开裂,二、损坏机理,2020/8/5,二、损坏机理,2020/8/5,传统的龟裂Down-Top,新龟裂（剪切） Top-Down,二、损坏机理,2020/8/5,弯拉疲劳,剪切疲劳,二、损坏机理,2020/8/5,二、损坏机理,车辙产生于10cm 深度以内,2020/8/5,模式1：沥青迁移-翻浆模式 模式2：整体强度不足造成的疲劳开裂类 模式3：剪切疲劳造成的车辙或纵向开裂类 模式4：低温开裂类,二、损坏机理,2020/8/

7、5,主要问题 对路面损坏机理的认识不够全面、不够确切 路面使用性能与路面力学分析结果之间缺少明确、定量联系 设计理论不能为路面结构组合设计提供明确的指导 没有考虑环境因素对路面的影响 材料设计与结构设计是独立进行的，双轨制 不能控制高轮压下的局部损坏,无法进行实质性路面优化,主要问题,2020/8/5,三、重交通路面设计 按照性能设计 按照力学验算,2020/8/5,从本质上描述路面行为变化的全过程是一个梦想，也是SHRP-LTPP的目标 工作过程 积累了北京、广东、山东、浙江、江西、河北、辽宁100多万个数据 其中北京的数据积累了10年 上述数据多数是在一般公路上采集的 为了验证又采集了20

8、多条高等级公路的路面数据 除了技术数据，还包括环境数据 这是一个庞大的工程,路面长期使用性能,2020/8/5,路面长期使用性能,2020/8/5,方程形式及参数物理含义,路面长期使用性能,BETA-寿命因子， ALPHA-衰变模式因子,0.632PCIo,2020/8/5,路面长期使用性能,2020/8/5,路面长期使用性能,2020/8/5,路面长期使用性能,2020/8/5,PCI,使用年数,环境因素的影响,路面长期使用性能,2020/8/5,改性沥青的影响,路面长期使用性能,PCI,2020/8/5,路面长期使用性能,2020/8/5,目前的方法 AASHTO方法 SHELL方法 AI

9、方法 SUPERPAVE方法 法国方法 比利时方法 澳大利亚方法 AASHTO2002 我国方法,损坏认识与设计考虑 形成于60、70、80、90年代 疲劳开裂、车辙和低温开裂是主要损坏形式 疲劳开裂首先产生于沥青层底面，并向上发展 路基变形是车辙产生的主要原因 设计指标：PSI、 、l,路面设计系统,2020/8/5,路面设计指标,设计指标：性能，弯拉应变，剪切应力，压应变,2020/8/5,为什么不选择弯沉 弯沉不能很好地表示路面结构的受力状态 弯沉指标在进行设计时，其标准不一致，即对不同的结构有不同的标准 弯沉与整体层底面的弯拉应力的独立性较差，不管采用什么参数都难以使其协调，无法使两个

10、指标同时起到控制作用,路面设计指标,2020/8/5,为什么应力不合理而应变合理 沥青层底面的应力不是表征沥青层疲劳的准确指标,路面设计指标,2020/8/5,路面设计指标,应变优于应力,2020/8/5,路面设计流程,2020/8/5,阶段1：输入阶段 输入影响路面设计的所以因素，包括交通、环境、材料、路基土质和施工能力等 阶段2：概念设计阶段 通过剪切分析进行路面结构材料（模量）组合设计，确定各结构层材料选择原则 分析路表水和地下水的影响，决定水的处理措施 确定材料设计参数,路面设计,2020/8/5,概念设计（模量组合设计）,模量组合分析 高模量基层 低模量基层 可控制在 1000-50

11、00MPa之间,2020/8/5,阶段3：厚度设计阶段 考虑技术经济因素，优化得出合理的厚度组合,路面的全寿命分析：分析期内的技术、经济综合优化,路面设计,2020/8/5,路面厚度设计诺谟图,高标准设计图,2020/8/5,路面厚度设计诺谟图,低标准设计图,2020/8/5,结构厚度设计比较,2020/8/5,阶段4：材料设计阶段 材料的各类常规试验 表面层材料的抗剪切试验，控制剪切疲劳（车辙、开裂），强度与应力比较 均匀性控制,路面设计,2020/8/5,路面材料设计,基于性能的厚度设计确保弯拉应变满足要求 不过要保证沥青混合料满足一定的性能要求 必须据以进行材料疲劳检验，当不满足要求时改

12、进材料设计 当采用新材料时，可以改变结构设计，或延长路面寿命,2020/8/5,路面材料设计,室内疲劳试验结果,F9 = 150, 与结构组成、所在地区有关,2020/8/5,路面材料设计,抗剪切强度验算，确保路面不产生剪切破坏 抗剪切强度储备（安全系数）应在1.5以上 剪应力可采用力学分析方法计算,2020/8/5,综合考虑力学分析和试验结果，确定： 压头尺寸：28.5mm 试件尺寸： 100mm100mm,贯入试验示意图,抗剪切强度试验方法,2020/8/5,2020/8/5,抗剪切强度试验方法,2020/8/5,剪应力计算：通过有限元的分析，得出了在压 应力为1MPa、=0.35时主应力

13、的计算参数,抗剪切强度试验方法,2020/8/5,C,值计算：,抗剪切强度试验方法,2020/8/5,抗剪切强度试验方法,AC的抗剪强度：0.35-0.45MPA SMA的抗剪强度：0.55-0.80MPA 空隙率较大时：强度可能小3050,2020/8/5,剪切安全系数一般应在1.5以上,抗剪切强度试验方法,2020/8/5,统一理论 原理,2020/8/5,统一理论 原理,2020/8/5,沥青层底面应变与疲劳寿命关系,统一理论 比较,2020/8/5,路基顶应变与疲劳寿命关系,统一理论 比较,2020/8/5,我 国,统一理论 比较,2020/8/5,统一理论 方程,2020/8/5,设

14、计总结,剪应力 车辙和开裂控制,弯拉应变，疲劳开裂控制,压应变,2020/8/5,第三部分：施工要点 勿以善小而不为 做到比知道更重要,2020/8/5,集料表面纹理 对车辙、抗滑有很大的影响 对级配有很大影响 新鲜程度,集料纹理控制,2020/8/5,2020/8/5,均匀性控制,设计考虑 运输 摊铺:适当的速度和宽度 温度不均匀,变异性与集料最大粒径的关系,2020/8/5,均匀性控制,均匀性标准,2020/8/5,摊铺,摊铺厚度 摊铺机的状态 摊铺中的分层 双层摊铺,2020/8/5,路面压实,2020/8/5,路面压实,关于压实标准的讨论 96、97还是98？ 压实度的计算,压实度新定

15、义参考空隙率/路面空隙率100 当压实度为96时，按新定义仅为50-60,2020/8/5,平整度控制,2020/8/5,平整度控制,2020/8/5,平整度控制,2020/8/5,路面施工平整度分层控制标准,平整度控制,2020/8/5,弯沉的分层验收标准,弯沉检测即应限高值，也应限低值 目前的弯沉修正系数不适用于分层验收 ，只适用于最终的验收 建议采用如下修正公式：,2020/8/5,结束语,目前路面损坏的原因是多方面的，不同于传统的轻交通路面。对于路面损坏的机理缺少深入全面的认识；结构设计单纯依靠力学设计方法，设计指标选取不当；对结构层、尤其是沥青层功能的考虑不够明确；对重交通的特点考虑

16、不够；许多试验参数不适用于重交通道路。目前的路面设计理论和方法只是以前轻交通路面设计理论和方法的简单外延，与重交通路面的要求尚有较大距离。,2020/8/5,结束语,材料的来源复杂、变异性大、质量无法控制，造成成品材料的均匀性很差；强调就地取材、迁就现实；集料开采设备比较原始；没有及时的质量监测体系，施工过程中对气候的影响重视程度不够。 虽然我们拥有现代化的生产工具，但由于没有工业化、现代化的思想和措施，难以在规模建设的条件下从根本上保证工程的质量。,2020/8/5,结束语,考虑重交通的特点进行路面设计是解决路面问题的根 本出路。路面技术已经演变为一项十分复杂的技术， 不采用整体性的解决方案难以解决问题。 这里给出了一个5阶段路面分析设计系统。这是一个基 于性能的全寿命分析系统，综合考虑了不同因素的影 响，能够得出优化的经济技术方案。,2020/8/5,将剪切应力作为路面结构的主要力学特征之一，可以解决结构组合设计问题，终于将结构设计、材料设计和原材料质量控制溶为一体。 结构行为方程覆盖了目前国内外主要的路面设计核心方程，