（交通运输工程专业论文）高速公路服务区新建utw路面设计及应用研究.pdf

t h ed e s i g na n d a p p l i c a t i o nr e s e a r c ho fu t wp a v e m e n tf o rn e w e x p r e s s w a ys e r v i c ea r e a c h e n s h a n x i a n g b e ( h u n a ni n s t i t u t eo fs c i e n c e t e c h n o l o g y ) 2 0 0 9 at h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o r t h ed e g r e eo f m a s t e ro f e n g i n e e r i n g d i s c i p l i n eo ft r a f f i ca n dt r a n s p o r t a t i o ne n g i n e e r i n g m c h a n g s h au n i v e r s i t yo fs c i e n c e t e c h n o l o g y s u p e r v i s o r a s s o c i a t ep r o f e s s o rg u a n h o n g x i n s e n i o re n g i n e e rq i nl u s h e n g a p r i l ，2 0 1 1 长沙理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名： 脯辫 日期：。汐1 年岁月乡d 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权长沙理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存 和汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本论文收录到 中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服务。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名： 导师签名： 膨湃 煸 日期：幽忙厂月夕d e 1 日期：) 9 厂j 年f 月弓1 日 摘要 高速公路服务区交通量小，而且车辆频繁启动和制动，对路面施加比较大的 水平力。这些特征比较符合超薄水泥混凝土路面的适用范围。因此本文开展了 u t w 路面在高速公路服务区新建路面工程中的设计及应用研究。 l 、利用有限元计算分析u t w 水泥混凝土、a c 层、水稳层的厚度、模量及面 板平面尺寸对u t w 路面板底弯弯拉应力的影响。计算发现，水泥混凝土影响最大。 基于计算分析结果，建立了板底弯拉应力计算方程，利用该方程设计u t w 路面结 构设为l o c m 水泥混凝土+ 8 c m a c 2 0 沥青混合料+ 1 8 c m 水泥稳定碎石+ 1 8 c m 水泥稳 定碎石，板平面尺寸为1 2 m 。 2 、通过开展室内试验，测定不同组成的u t w 水泥混凝土的抗压、抗弯拉强 度及模量，分析研究超细粉煤灰、纤维等对改善水泥混凝土性能的贡献。试验发 现，超细粉煤灰能改善了水泥混凝土的抗裂性能、耐久性能及后期强度，综合考 虑确定u f a 最佳掺量为2 5 ；纤维因其加筋效应对提高水泥混凝土的韧性和弯拉 强度、降低模量有着较大贡献，经试验确定其最佳掺量为0 9 k g m 3 。 3 、通过直接剪切试验和拉拔试验测定u t w 层和a c 层的层间抗剪能力和抗拉 拔能力，同时结合防水效果及施工可行性确定综合效果最佳的u t w 路面层间处理 方法为“改性沥青+ 1 3 k g m 2 的1 3 2 m m 玄武岩+ 轻压 。 最后将上述研究成果应用于河北省张承高速公路崇礼服务区建设，目前使用 状况良好。 关键词：道路工程；新建u t w 路面；设计；应用；服务区；超细粉煤灰； 层间结合。 a b s t r a c t t h et r a f f i co fh i g h w a ys e r v i c ea r e ai s s m a l l ，a n dv e h i c l e si n t os e r v i c e f r e q u e n t l ys t a r t - u pa n db r a k i n g , a n db r i n gt ob e a rc o m p a r a t i v eb i gl e v e lf o r c e o nt h er o a d t h e s ec h a r a c t e r i s t i c sa r ea p p r o p r i a t ef o rt h ea p p l i c a b l es c o p eo ft h e u l t r a - t h i nc e m e n tc o n c r e t e p a v e m e n t s o t h i sa r t i c l es t a r t e d d e s i g n a n d a p p l i c a t i o nr e s e a r c ho ft h en e wu t wp a v e m e n ts u r f a c ec o n s t r u c t i o ni nt h e 1 t h ei n f l u e n c eo ft h i c k n e s sa n dm o d u l u so fu t wc e m e n tc o n c r e t el a y e r , a c l a y e r , c e m e n ts t a b i l i z e dm a c a d a ml a y e ra n dt h ef l a tp a n e ls i z eo fu t ws l a b o nt h ef l e x u r a ls t r e s so fu t w p a v e m e n tw e r ea n a l y z e dw i t hf e m t h er e s u l t s s h o wt h ei n f l u e n c eo fc e m e n tc o n c r e t ei dt h e b i g g e s to n e b a s e do nt h e c a l c u l a t i n gr e s u l t s ，ar e g r e s s i o ne q u a t i o no ff l e x u r a ls t r e s sw a se s t a b l i s h e d a c c o r d i n gt ot h ee q u a t i o n ，t h ed e s i g n e di r t wp a v e m e n tw a s “1 0 c mu t w + 8 c m a c 2 0a s p h a l tm i x t u r e - i - 1 8 c mc e m e n ts t a b l em a c a d a m + 1 8 c mc e m e n t s t a b l em a c a d a m ，t h e p l a n e s i z eo fs l a bi s1 2m 2 t h ec o m p r e s s i v es t r e n g t h ，f l e x u r a ls t r e n g t ha n dm o d u l u so fu t w c o n c r e t ew i t hd i f f e r e n tc o m p o n e n t sw e r et e s t e dt o a n a l y z et h ec o n t r i b u t i o no f u l t r a - n ya s ha n df i b e rf o ri m p r o v i n gc o n c r e t ep e r f o r m a n c e t h et e s tr e s u l t s s h o wt h a tu l t r a n ya s hc a ni m p r o v et h ec r a c k , r e s i s t a n c ea n d p o s t - s t r e n g t ho f c e m e n tc o n c r e t e t h er e s u l t sa l s oi n d i c a t e t h a tt h eo p t i m a lc o n t e n to fu f ai s 2 5 t h er e s u l t ss h o wt h a tf i b e rh a sag r e a tc o n t r i b u t i o ni ni m p r o v i n gi t s t o u g h n e s sa n df l e x u r a ls t r e n g t ha n dr e d u c i n gi t sm o d u l u s ，a n dt h eb e s tc o n t e n t o ff i b e ri s0 9 k g m 3 3 t h ea n t i - s h e a rs t r e n g t ha n da n t i - t e n s i l es t r e n g t ho ft h ei n t e r l a m i n a t i o n b e t w e e na cl a y e ra n du r w l a y e rw a st e s t e d s y n t h e s i z i n gt e s tr e s u l t s ，i t s w a t e r p r o o fe f f e c ta n dc o n s t r u c t i o nf e a s i b i l i t y ，t h eb e s ti n t e r l a y e rc o m b i n a t i v e m e t h o db e t w e e nu t w l a y e ra n da cl a y e ri s ”m o d i f i e da s p h a l t + 1 3 2m mb a s a l t s t o n ew i t ht h ed o s a g eo f 1 3 k g m 2 - i - s o f tp r e s s u r e f i n a l l yt h er e s e a r c hr e s u l t sw e r ea p p f i e dt ot h en e wp a v e m e n to fc h o n g l i s e r v i c ea r e ao fz h a n g c h e n g e x p r e s s w a y ，a n dt h es i t u a t i o ni si ng o o dc o n d i t i o n n o w r o a de n g i n e e r i n g ；n e wu t w p a v e m e n t ；d e s i g n ；a p p f i c a t i o n ； s e r v i c e ； u l t r a n ya s h ；c o m b i n a t i o nb e t w e e nt h el a y e r s m 目录 摘要i a b s t i 矾c t 第一章绪论1 1 1 问题的提出及研究意义1 1 2 国内外研究概况j 2 1 3 论文主要研究内容7 1 4 论文研究实施方案8 第二章新建u 1 w 路面结构设计9 2 1u t w 路面结构计算分析模型及计算软件9 2 2u t w 路面结构影响变化规律分析9 2 3 新建u 1 1 w 路面结构设计1 8 2 4 本章小结2 6 第三章新建u t w 路面结构材料组成设计2 8 3 1u t w 水泥混凝土材料组成设计2 8 3 2a c 沥青层材料组成设计3 7 3 3 本章小结3 8 第四章新建u t w 结构路面层间结合性能研究4 0 4 1 层问性能研究实验方案4 0 4 2 层间性能研究试验方法4 0 4 3 层间性能研究试验结果对比分析4 3 4 4 本章小结5 0 第五章新建u t w 结构路面试验路施工研究5 2 5 1 试验路层间结合施工技术5 2 5 2 试验路接缝处治施工技术5 3 5 3 新建u t w 结构路面试验路现场施工5 3 5 4 本章小结6 5 第六章结论与展望6 3 6 1 主要结论6 3 6 2 进一步研究展望6 5 参考文献6 6 剪 谢”7 2 附录a 攻读学位期间发表的论文目录7 3 附录b 攻读学位期间参与的科研项目7 4 第一章绪论帚一旱三百了匕 1 1 问题的提出及研究意义 超薄水泥混凝土路面( u l t r a - t h i nw h i t e t o p p i n g ，简称u t w ) 是一种厚度为 5 0 m m - l o o m m ，接缝间距较小( 一般在0 6 m 1 8 m ) 的水泥混凝土面层粘结于已有旧 沥青路面形成的路面结构。在已有日沥青路面上加铺的水泥混凝土覆盖层通常被 称为“白色罩面层”，这是在国内外已被广泛使用的一种1 日沥青路面修复技术，但 有资料表明，这种白色罩面层通常厚度在l o c m - 4 5 c m 之间，且接缝间距较大，使 用材料较多，且后期维修难度较大。相对而言，u t w 路面既节约资源，又满足使用 要求，u t w 路面选用掺有纤维加筋的混凝土以提高韧性和弯拉强度，减小厚度 ( 5 c m - l o c m ) ，有效利用有限资源，降低投资成本，缩小面板接缝间距( 0 6 旷1 8 m ) ， 减小板内应力，满足路面强度要求，且后期维修方便；混凝土采用合理外加剂使 之高早强，缩短交通开放时间，提高使用效益，有效利用混凝土材料的特点，解 决了车辆频繁启动或制动路段沥青路面易剪切破坏的问题等。超薄水泥混凝土路 面从2 0 世纪9 0 年代在美国诞生以来，先后在美国3 0 个州铺筑了试验路，主要应 用于低速交通和车辆频繁启动或制动路段，车辙、拥包、龟裂等功能性破坏严重 的旧沥青路面地带，如城市街道、交叉口、停车场等。超薄水泥混凝土路面是一 种经济、快速、有效、简便、持续时间长的旧沥青路面修复技术。u t w 路面的产生 为解决日益面临的资源紧缺问题，提出了新的思路，为占大多数的低交通量，较 轻载重的道路路面修复，提供了一种有效的技术措施。 u t w 路面作为旧沥青路面修复技术已成功地运用于低交通量，较轻载重的道 路路面及低速交通和车辆频繁启动或制动路段的养护维修，同时也给我们提供了 一个新的思路及方法。u t w 路面结构能否运用到车辆频繁启动或制动路段的高速公 路服务区的新建工程中去? 本文调查发现高速公路服务区现状：沥青路面由重车 频繁启动制动产生的水平力引起的推移、拥抱等病害严重；常规水泥混凝土路面 由于板块尺寸大、且接缝配有钢筋，维修困难。而u t w 路面结构能够解决这些困 难，所以本文对u t w 路面结构应用到高速公路服务区新建工程进行了较为深入的 探讨和研究。对此，本文通过u t w 路面结构设计采用良好的路面结构组合，在水 泥混凝土中掺加超细粉煤灰、纤维、减水剂等配以改善水泥混凝土性能，选用良 好性能的沥青混合料并研究探讨设计u t w 层间界面处理方法，把u t w 路面结构应用 到高速公路服务区新建路面，并修筑试验路观察验证，以期能够对u t w 路面的设 计、建设及新建u t w 技术推广提供些许参考、借鉴价值和指导意义，为道路建设 的多元全面发展贡献微薄之力，为特殊路段的路面如服务区、城市道路交叉路口 的建设等探索新思路、新方法。 1 2 国内外研究状况 1 2 1 国外研究概况 传统的“白色罩面”是一种直接摊铺在旧沥青路面上，厚度大于1o c m ，通常 超过2 0 c m ，甚至可能高达3 0 c m 的水泥混凝土罩面。白色罩面技术早在1 9 1 8 年就 开始在美国运用，于2 0 世纪7 0 年代中期广泛应用于大交通量的州际高速公路、 乡村公路、地方街道和乡村的郡道( 农场与市集间的公路) 的维修。美国的白色罩 面项目不断增加从1 9 8 2 年的8 1 个增长到1 9 9 3 年的1 8 9 个。但研究同时结合实际 项目验证发现，对功能性破坏的沥青路面采用白色罩面技术过于保守，工程成本 高。为了改善白色罩面的不足并有效利用旧路强度，美国于9 0 年代初便开始研究 超薄水泥混凝土罩面( u t w ) 技术并修建大量试验路进行观察验证。 1 9 9 1 年9 月为了检验u t w 路面的使用性能美国在肯塔基( k e n t u c k y ) 的 l o u i s v i l l e 修筑了第一段u t w 路面试验段。该试验段路面面层采用9 c m 和5 c m 两 种厚度。对试验段进行了加速加载试验，加载采用每天行驶4 0 0 6 0 0 辆车，5 天半 为一个加载周期，共加载观测1 3 周，其加载频率相当于美国其他低交通道路、街 道和停车场试验段车辆数的2 0 - 1 0 0 倍。通过连续观测得到如下结论：厚度为5 9 c m 的u t w 路面可以承受低交通量道路、居民区街道和停车场等的典型交通荷载； 在水泥混凝土面层与原有1 日沥青路面之间存在着粘结现象，粘结力明显减小了混 凝土面层中的荷载应力；u t w 路面的主要破坏形式为角隅裂缝；接缝间距的不同对 角隅开裂率有着显著的影响 3 。 1 9 9 4 年，依阿华州交通厅、美国联邦公路管理局和依州州立大学联合修筑了 一条长为1 1 6 k m 的u t w 路面实体工程，这标志着u t w 路面修复技术作为旧沥青路 面的修复方法开始应用于主要公路上。为了评价u t w 路面的长期使用性能，实体 工程选择了4 个主要变量，并修筑了4 1 个试验路段，每段长2 1 3 m ，还有2 4 3 个附 加路段作为不同变量之间的过渡段。原有旧沥青路面修建于1 9 6 1 年，路面结构为 1 5 0 m m 厚的碾压石料底基层、1 7 5 m m 水泥稳定基层及封层，于1 9 6 4 年加铺过一层 7 5 m m 厚的水泥沥青混凝土复合路面( a c c ) ，于1 9 8 7 年进行过罩面处理。u t w 路面 修筑时的交通量约为1 3 5 0 辆日，其中1 3 为载重车。u t w 路面厚度设有5 0 m m 、 1 0 0 m 、1 5 0 m m 和2 0 0 r a m 四种。在板厚5 0 m m 、l o o r m n 、1 5 0 m m 路段，接缝间距分别为 0 6 m x0 6 m 、1 2 m x1 2 m 、1 8 r e x1 8 m ，在板厚2 0 0 r a m 路段采用接缝间距4 6 m 和 6 1 m 。为了对比分析研究u t w 路面不同混凝土的性能，在厚度和接缝间距相同的 路段分别采用了单丝聚丙烯纤维、网状聚丙烯纤维和不加纤维三种混凝土。对于 旧沥青路面表面处理采用了铣刨、清洁和冷铺7 5 m m 沥青表面再生料三种方法。经 过2 8 0 0 0 次e s a l s 作用后，得出的结论为：实体工程在使用两年后使用性能很好； 铣刨可以提高层间粘结，并可以减小破损的潜在机率。 2 1 9 9 5 年，圣路易斯机场中心铺筑了一段u t w 试验路进行现场试验，通过对u t w 路面在交通荷载和环境效应的共同影响下的路面反应进行观察，并于6 年后对路 况进行了检测和评价。研究人员利用路面中钻取的芯样进行直接剪切试验和拉拔 试验，测量界面粘结强度。试验发现，芯样均在界面上发生破坏，测得平均拉拔 强度为0 5 m p a ，平均剪切强度约0 7 m p a 。通过对比研究自由边界和普通边界的传 荷情况与加载作用下板的垂直运动，认为缩缝的传载能力非常好。使用6 年后的 路面状况调查结果显示近1 2 0 0 0 m 2 的u t w 路面仅有l8 块板开裂，接缝和填料基 本完好，个别有轻微啃边，可能是早期锯缝造成。尽管少数板也有多种裂缝，但 破坏的主要形式是角隅裂缝 5 。 1 9 9 8 年，佛罗里达州交通厅在佛州g a n i n e s v i l 修筑了3 条u t w 路面试验环道， 以评价u t w 路面的设计、施工和使用性能。在环道1 旧沥青路面上铺筑了1 0 0 m m 厚u t w 路面，原路面由3 8 r a m 厚沥青面层和1 5 0 m m 厚混凝土基层组成，接缝间距为 1 2 2 m 1 2 2 m ；在环道2 旧沥青路面上铺筑厚度为7 5 m m 和l o o m m 两种u t w 路面， 原路面由3 8 r a m 厚沥青面层和1 6 3 m m 厚石灰稳定基层组成，接缝间距为1 8 3 m x 1 8 3 m ；环道3 在与环道2 相同的旧沥青路面上铺筑了5 0 m m 厚的u t w 路面，接缝 间距采用0 9 2 m x o 9 2 m 和1 2 2 m x1 2 2 m 两种。环道l 和环道2 使用聚丙烯纤维 网高早强水泥混凝土，环道3 使用聚烯烃纤维高早强水泥混凝土。试验环道采用 装载混凝土块的卡车进行加载，连续加载约6 0 0 0 0 次e s a l s 后，观测使用状况。 得到的主要结论为：6 0 0 0 0 次e s a l s 作用后，u t w 路面使用状况良好；u t w 路面可 以明显提高了旧沥青路面的承载能力，可以作为旧沥青路面修复或重建的良好选 择方法；u t w 路面与旧沥青层界面的充分粘结是保证u t w 路面长期使用性能的关键 因素；u t w 路面设计中应使用较小的接缝间距，加铺厚度为7 5 1 m - - - l o o m m 时的板的 最佳接缝间距为1 2 2 m - 1 8 3 m ，对厚度为5 0 m m 时的u t w 路面，其接缝间距不应大 于1 2 2 m ；u t w 路面在仅3 8 m 厚的沥青层上铺筑后，使用性能良好，适宜在沥青 层相对较薄的佛罗里达州使用 4 。 u t w 作为一种新的白色罩面技术迅速发展并广泛推广，到1 9 9 7 年，北美已修 建了2 0 0 多条u t w 路面，截至2 0 0 0 年底，美国已修筑u t w 路面总面积约2 2 0 万平 方米。这些项目中u t w 主要是用于道路交叉口和沥青路面车辙严重的地区，也用 于修复州际公路的入口或出口匝道、城市道路、乡村道路、市内街道的巴士车道、 专用航空飞机停机坪以及汽车停车区。为了研究u t w 路面是否适应大交通量道路， 如州际公路，从1 9 9 7 年起在美国麻萨诸塞州、密西西比州、明尼苏达州的三条州 际公路上进行了试验，使用一年后路况评估良好。由于这些试验路罩面层厚度在 1 0 ( 0 到1 7 5 m 之间，国外也称之为复合薄白色罩面。为减小水泥混凝土罩面层应 力，设置短接缝间距且与旧沥青路面联结形成复合路面形式的水泥混凝土罩面， 可视为加厚型u t w 路面。 3 根据国外对u t w 路面的研究，总结得出u t w 路面具有以下特点：要求水泥混 凝土罩面与旧沥青路面联结良好，使水泥混凝土罩面层和旧沥青路面成为一个复 合整体共同承受荷载；中性轴往下移，可以显著减小罩面层的荷载应力；良好的 层间粘结可以较大幅度地减小罩面层最大弯拉应力，薄的加铺层可以将荷载较大 地转移到沥青层。根据美国工程实例，对旧沥青路面进行铣刨后，必须留有一定 厚度的沥青层，较厚的沥青层可形成更厚的复合路面结构，使中性轴从水泥混凝 土层中下移，从而减小罩面层应力，提高路面结构的承载能力。根据美国工程实 例，在旧沥青路面铣刨后，必须留有一定厚度的沥青层。较厚的沥青层可形成更 厚的复合路面结构，并使中性轴在水泥混凝土层中位置下移，减小罩面层应力， 提高路面系统的承载能力。 路面可以通过翘曲或弯沉的形式吸收荷载能量。传统的水泥混凝土路面以翘 曲的形式吸收能量，从而设计时要求增加板厚以抵抗翘曲应力。而u t w 路面不同， 由于其接缝问距短，减小了荷载产生的力臂，大幅减小面板弯曲应力，并通过弯 沉形式将荷载有效地转移到旧沥青层；同时，较小的接缝间距也可以减小温度引 起的翘曲应力。所以，在美国的u t w 设计中认为可以不考虑温度应力。 美国u t w 路面的研究主要是采用经验法，通过试验确定路面的设计参数，力 学研究较少。美国哥多拉多州进行了u t w 路面现场试验，采用二维平面有限元进 行理论分析，采用柔性基层，假设层间完全粘结的，采集大量应变数据。根据理 论计算和试验结果同时考虑在接缝和角隅处加载时罩面层的疲劳及接缝处加载时 旧沥青层的疲劳，从而初步建立了u t w 路面的设计方法。对于荷载换算，部分国 外研究者认为常规的荷载换算公式的系数不能用于u t w 路面设计。虽然荷载换算 形式仍采用指数形式，但指数大小应在6 1 2 之间。 1 2 2 国内研究现状 国内一直对u t w 研究起步较晚，发表文献大都是翻译或综述，不过也有少数 人对u t w 结构的设计方法、影响因素及施工工艺进行大量的研究工作。率先开展 u t w 路面结构研究的是长安大学，长沙理工大学自筹经费对此进行了大量研究工 作，同济大学等也开展了许多相应的研究工作。 长安大学的马磊、胡长顺等根据u t w 的特点在利用有限元对u t w 路面结构荷 载应力和温度应力进行计算分析的基础上，提出了u t w 路面结构设计方法。方法 提出了以路面板的疲劳断裂为u t w 路面结构破坏的主要模式；以控制行车荷载反 复作用在板内产生的荷载应力不大于混凝土弯拉强度作为路面板厚度设计的标 准，利用计算结果确定结构设计参数，提出路面板厚度计算方法；以用旧沥青路 面表面弯沉计算出的综合回弹模量来评价旧沥青路面承载能力，并推荐其控制标 准为当量回弹模量宜大于1 8 8 m p a 。同时利用有限元法计算分析了路面结构荷载应 力和温度应力，提出路面板厚度、板平面尺寸( 板接缝间距) 、面板的弯拉回弹模 4 量与综合地基回弹模量比，、层间接触状况对荷载应力和温度应力的影响及板分别 出现不同程度的纵缝边缘脱空、横缝边缘脱空和板角脱空情况下的混凝土板受力 特性。2 0 0 1 年，长安大学与陕西省铜川公路管理局联合，率先在中国成功地修筑 了首条u t w 路面试验路从目前使用状况看，性能良好。试验路位于国道2 1 0 线陕 西省铜川市境内k 1 6 7 + 5 1 踮k 1 6 7 + 8 1 8 处，长3 0 0 m ，为一般二级公路，改建于1 9 9 0 年l o 月，旧路面结构为2 c m 沥青封面+ 5 c m 沥青( 渣油) 碎石+ 4 2 c m i 0 石灰土基层， 1 9 9 2 年对局部段落进行了2 c m 沥青罩面中修。对旧路调查得出交通等级为中等交 通( 日平均混合交通量为5 2 7 辆) ，平整度和承载能力状况良好，p c i 值为4 5 4 9 ， 路面破损评价为次级，急需维修。为了分析、对比不同因素对u t w 路面使用性能 的影响，路面板平面尺寸分别选取0 9 m x 0 9 m 、1 i r a 1 1 m 和1 5 m x1 5 m 三种， 路面板厚度分别取5 c m 、8 c m 和l o c m ，混凝土种类分别选取普通混凝土、钢纤维混 凝土和聚丙烯纤维网混凝土，混凝土配合比通过室内试验确定。使用初期通过钻 芯取样发现路面板与沥青层之间的层间黏结状况良好；u t w 路面使用状况良好，对 恢复1 日沥青路面的使用性能有显著作用。根据第l 条试验路使用效果，2 0 0 5 年长 安大学与陕西省铜川公路管理局联合在国道2 1 0 线陕西省铜川市境内旧水泥混凝 土路面局都沉陷变形的处治中，也推广应用了u t w 技术，使用效果良好。在浙江 省新昌县新大线旧路改建中，浙江省绍兴市公路管理局通过和长安大学的技术合 作，修筑了一长5 0 0 m 的u t w 罩面技术应用研究试验路段。在该试验段的修建中， 确定了新大线超薄水泥混凝土罩面的合理板块尺寸；并根据当地的施工及气候条 件，选择了满足试验段要求的u t w 原材料和配合比；顺利完成了试验路的超薄水 泥混凝土罩面施工，取得了u t w 在浙江绍兴地区的研究应用经验。在u t w 路面使 用中，发现u t w 路面可以应用在一般公路的旧沥青混凝土路面和水泥混凝土路面 养护维修及建设中，初期使用效果良好，后期养护维修方便，可以节约建设和管 理成本，寿命期内的综合经济效益好。 长沙理工大学的李宇峙教授就u t w 路面结构开展大量研究工作：鉴于水泥混 凝土路面设计方法，在考虑疲劳及可靠度的基础上，提出了考虑温度和荷载综合 影响的u t w 路面结构设计方法，采用三维有限元法确定u t w 路面的设计荷位为纵 缝边缘中部，设计时不考虑沥青面层的底弯拉应力疲劳，以控制混凝土路面的疲 劳断裂作为设计目标，同时指出，在某些条件下温度应力可以达到甚至超过荷载 应力，认为设计时不考虑温度应力似有不妥，应当考虑温度应力，并指出u t w 路 面结构在重载高等级道路中的实用性需要实体工程的验证；基于a n s y s 软件分析 研究了脱空u t w 面板的受力特性和路面破坏原因及破坏模式，结果发现板底脱空 后，u t w 板底及板表面弯拉应力迅速增大，横缝脱空可能是板表面横向开裂直至板 发生断裂的原因之一，板角脱空是部分u t w 板从表面开始破坏并出现角偶断裂的 首要原因，并指出设计及施工时应采取相应措施保证u t w 层间粘结，避免u t w 面 5 板过早破坏；在长沙理工大学直道试验室修筑了多方案的大型足尺试验路，采用 直线式加速加载系统进行试验以研究半刚性基层沥青路面的u t w 结构特性，发现 层间粘结使中性轴下移，减小了混凝土板底弯拉应力，得出了较好的结构组合， 通过路面开裂的有限元分析，印证了开裂位置，并指出脱空是板角开裂的主要原 因；通过有限元分析不同层间接触条件下u t w 超载下的受力特性，发现超载时板 底弯拉应力剧增，结构组合越弱，超载应力比越大，板底弯拉应力对层间接触条 件很敏感，所以层间处理必须要求，以保持层间界面连续，提高u t w 使用寿命， 同时指出设计u t w 路面时应充分认识到超载的巨大影响，应增大设计安全系数。 长安大学王秉纲教授在水泥混凝土板与地基绝对光滑，水泥混凝土与沥青上 面层完全连续的假设条件下，采用三维等参单元法，对有沥青上面层的水泥混凝 土路面进行了应力分析。 此外，重庆交通大学对超薄水泥混凝土应用到水泥混凝土路面改造养护进行 了研究分析，提出了“白+ 白 超薄水泥混凝土罩面技术，同时对新旧水泥混凝土 界面的粘结处理方式及材料进行了研究或研制。 这些学者的研究给了我们许多好的研究理论和方法，值得我们借鉴。我们知 道，u t w 路面结构层广泛应用于就沥青路面的养护维修工程，且基本用于低交通或 中等交通道路中，对于能否用于重交通的高等级道路还在研究和试验阶段。 1 2 3 国内外研究现状评述 u t w 技术作为旧沥青路面修复技术已在国内外被广泛使用，并实体工程应用 中取得良好的效果和效益。u t w 路面主要应用于低速交通和车辆频繁启动或制动路 段和车辙、拥包、龟裂等功能性破坏严重的就沥青路面地带及低交通量或较轻载 重的道路路面，如城市道路、交叉口、停车场及低交通量国道、二级公路及乡村 公路等，但应用到新建道路的研究很少。对u t w 的研究主要采用经验法，通过试 验和有限元确定其设计参数，力学研究不多。已有不少学者利用有限元对u t w 进 行了计算分析，对u t w 多种情况下荷载应力、温度应力、i 艋界荷位、破坏形式及 结构设计进行了不少研究，提出许多应力计算公式、设计方法及临界荷位位置和 主要破坏形式，但到目前尚无公认的统一的应力计算公式和设计方法，但这些研 究是针对旧沥青路面修复开展的，对新建u t w 结构路面有借鉴意义和参考价值。 u t w 路面在旧路修复和改造工程的成功运用，为道路设计和建设提供了新的 思路和方法。针对高速公路服务区由于车辆频繁启动或制动产生的水平力引起沥 青路面推移、拥包严重，而常规水泥混凝土路面由于板块大、且接缝配有钢筋， 维修困难的状况，本文欲研究将u t w 路面结构运用到高速公路服务区新建路面工 程中去，计算分析研究新建u t w 路面应力影响规律，归纳回归新建u t w 路面应力 计算公式，依此进行u t w 路面结构设计，对路面结构层及u t w 路面至关重要的层 间界面处理方式进行深入探讨研究，并结合实体工程修筑试验路。 6 1 3 论文主要研究内容 本文主要通过有限元计算分析新建u t w 路面结构的应力性能，回归得到新建 u t w 路面应力计算公式，以此进行新建u t w 路面结构设计；通过在水泥混凝土中掺 加聚丙烯短纤维、用超细粉煤灰u f a 部分取代水泥并用减水剂，改善水泥混凝土 的力学性能及拌合性能，探讨水泥混凝土中纤维、水泥、超细粉煤灰及减水剂最 佳用量范围，以期得到既经济又环保的还能满足路用性能的水泥混凝土；通过直 接剪切试验和拉拔试验确定新建唧路面结构层间界面最佳综合处理方案，并结 合工程项目在张承高速公路崇礼东服务区修筑了试验路。具体研究内容包括以下 几点： 1 ) u t w 路面结构性能计算分析 采用有限元法依次计算分析u t w 路面结构的水泥混凝土板厚度和板平面尺寸 及模量、沥青混合料下卧层厚度及模量、水泥稳定碎石基层的厚度及模量等对u t w 面板板底弯拉应力的影响，归纳推导u t w 路面结构板底弯拉应力计算公式，为u t w 路面结构设计提供前提及参考。 2 ) u t w 路面结构设计研究 根据u t w 路面结构的影响变化规律及应力计算公式，在不考虑温度应力的前 提下进行u t w 路面结构设计，以行车荷载作用边缘中部产生的板底最大弯拉应力 不超过水泥混凝土的弯拉强度为设计标准并各依据板底弯拉应力计算公式确定 u t w 路面各层结构的厚度、模量及面板的平面尺寸。 3 ) 水泥混凝土组成设计及性能研究 分析研究选择水泥混凝土所用原材料并测试所需的水泥、石料、砂子、超细 粉煤灰、纤维、减水剂的基本技术指标，为后续研究提供基础和参考。研究水泥 用量、超细粉煤灰取代水泥用量、纤维掺量、减水剂用量对水泥混凝土性能指标 及拌合指标的影响，对比分析各技术指标随其影响因素的变化规律，探求各影响 因素在水泥混凝土中的作用机制。 4 ) u t w 路面结构层间界面处理方法研究 分析研究各种层间处理处理方法选出喷洒改性沥青+ 铺撒碎石、强力压入碎 石、喷洒改性沥青+ 铺撒碎石并轻压、压入碎石+ 喷洒改性沥青、沥青面层表面打 毛等五种层间处理方案并进行试验分析研究，从抗剪强度、抗拉拔强度及防水效 果综合考虑得出：在沥青混合料下卧层铺筑完后按约1 8 k g m 2 的用量喷洒改性沥 青，紧随按约1 3 k g m 2 的用量铺撤1 3 2 m m 的单粒径玄武岩碎石，之后轻压一遍， 最后铺筑u t w 水泥混凝土。 5 ) u t w 路面结构试验路研究 分析研究试验路现场材料的基本技术指标，选择符合要求材料，进行现场配 7 合比设计并进行力学性能测试，满足设计条件便精心指导施工以保证施工质量。 在施工过程中随机对材料及拌合物进行抽样检查，严格控制每一个环节。试验路 开通交通后进行钻芯检测和跟踪观测。 1 4 论文研究实施方案 本文的研究技术路线如图1 1 所示。 图1 1 研究技术路线图 8 第二章新建u t w 路面结构设计 2 1u t w 路面结构计算分析模型及计算软件 本文研究的新建u t w 路面结构模型是u t w 水泥混凝土面板+ a c 沥青混合料下卧 层层+ 水泥稳定碎石基层，面板和下卧层的层间界面完全连续，面板接缝不设拉杆 和传力杆。采用无接缝的水泥混凝土路面力学分析专业三维软件e v e f e 2 2 4 ，在面 板纵缝边缘中部加载的情况下分别从u t w 水泥混凝土层厚度和模量及平面尺寸、 a c 层厚度和模量以及水泥稳定碎石基层厚度和模量等方面考虑，探讨不同组合结 构对u t w 路面板底弯拉应力的影响。 根据国内外经验及研究结论，确定u t w 最不利荷位为板纵缝边缘中部；同时 因为u t w 板块尺寸小，产生的温度应力比较小，故在u t w 设计中不考虑温度应力， 主要考虑荷载应力。 2 2u t w 路面结构影响变化规律分析 2 2 1u t