PPT精品文永久性路面与结构材料性能

1、永久性路面与结构材料性能永久性路面与结构材料性能张起森张起森 教授教授 博士生导师博士生导师长沙理工大学长沙理工大学长长沙沙理理工工大大学学张张起起森森教教授授博博导导主要内容主要内容一、永久性路面设计理念一、永久性路面设计理念二、永久性路面设计方法二、永久性路面设计方法三、永久性路面的材料要求三、永久性路面的材料要求四、目前各地永久性路面状况四、目前各地永久性路面状况五、总结五、总结长长沙沙理理工工大大学学张张起起森森教教授授博博导导一、永久性路面设计理念永久性路面设计理念长长沙沙理理工工大大学学张张起起森森教教授授博博导导定义定义 perpetual pavement perpetual

2、pavement ：指只需定期更换路面：指只需定期更换路面表层（把破坏限制在路面上层），而不需进行表层（把破坏限制在路面上层），而不需进行结构性修复或重建，且使用寿命大于结构性修复或重建，且使用寿命大于5050年的沥年的沥青路面。青路面。 full-depth asphalt pavement （全厚式路面） deep strength asphalt pavement （高强度路面） long-life asphalt pavement（长寿命路面）长长沙沙理理工工大大学学张张起起森森教教授授博博导导设计理念设计理念p上面层：抗车辙能力和抗磨耗能力上面层：抗车辙能力和抗磨耗能力p中间层：抗车

3、辙能力中间层：抗车辙能力p基层：抗疲劳能力基层：抗疲劳能力 p路基：高强、稳定和坚固路基：高强、稳定和坚固 长长沙沙理理工工大大学学张张起起森森教教授授博博导导最大拉应变最大拉应变路面基础路面基础100180mm高模量高模量抗车辙材料抗车辙材料( (根据需要定根据需要定) )柔性抗疲劳材料柔性抗疲劳材料 75100mm 4075mm 高质量高质量smasma、 ogfc ogfc 或或 superpave superpave100150mm高压力区高压力区设计理念设计理念长长沙沙理理工工大大学学张张起起森森教教授授博博导导自下而上进行设计和施工自下而上进行设计和施工基础（高强、稳定和坚固基础（

4、高强、稳定和坚固 ）稳定将使用期间的季节性变化和体积变化降低到最小下面层加强抗疲劳性能下面层加强抗疲劳性能上面层加强抗车辙性能上面层加强抗车辙性能设计理念长长沙沙理理工工大大学学张张起起森森教教授授博博导导 永久性沥青路面在使用过程中，为保持永久性沥青路面在使用过程中，为保持其良好的性能和使用寿命，必须定期检其良好的性能和使用寿命，必须定期检测，当自下而上的疲劳开裂、温度开裂、测，当自下而上的疲劳开裂、温度开裂、车辙等病害达到预定深度时车辙等病害达到预定深度时( (即达到磨耗即达到磨耗层深度层深度) )，就必须采取罩面等措施。对于，就必须采取罩面等措施。对于永久性沥青路面而言，这点非常关键，永

5、久性沥青路面而言，这点非常关键，它保证了将病害限制在表层它保证了将病害限制在表层 ，且尽可能，且尽可能减小未来罩面的附加厚度减小未来罩面的附加厚度 （重铺厚度必（重铺厚度必须尽可能采用原厚度须尽可能采用原厚度 ）长长沙沙理理工工大大学学张张起起森森教教授授博博导导要应避免以下现象发生 重复弯曲导致疲劳开裂 重复重复 变形变形导致导致车辙车辙hma路基路基长长沙沙理理工工大大学学张张起起森森教教授授博博导导永久性路面优点永久性路面优点l沥青路面寿命可达沥青路面寿命可达5050年年l路面平整，噪音低，摩擦系数高路面平整，噪音低，摩擦系数高l成本效益高成本效益高l路面的养护维修仅限于面层路面的养护维

6、修仅限于面层l沥青面层可再循环沥青面层可再循环l减少疲劳开裂和车辙损坏减少疲劳开裂和车辙损坏l最大限度地减少自然资源的使用最大限度地减少自然资源的使用l采用力学方法进行路面设计，综合考虑疲劳开采用力学方法进行路面设计，综合考虑疲劳开裂、车辙和温度开裂裂、车辙和温度开裂长长沙沙理理工工大大学学张张起起森森教教授授博博导导使用时间使用时间总费用总费用传统路面传统路面永久性路面永久性路面经济性能经济差经济差长长沙沙理理工工大大学学张张起起森森教教授授博博导导二、永久性路面设计方法永久性路面设计方法长长沙沙理理工工大大学学张张起起森森教教授授博博导导设计原理设计原理力学方法力学方法设计过程设计过程类似

7、于其它结构设计方法类似于其它结构设计方法选择控制点选择控制点验算控制标准验算控制标准( (由下至上设计由下至上设计) )输入材料性能参数输入材料性能参数路面分析模型路面分析模型路面应力和应变路面应力和应变路面变换方程路面变换方程路面使用寿命路面使用寿命拉应变标准拉应变标准压应变标准压应变标准永久性路面设计过程永久性路面设计过程长长沙沙理理工工大大学学张张起起森森教教授授博博导导力学设计法力学设计法路面模型路面模型材料性能材料性能( (模量值模量值) )路面反应路面反应 ( (应变应变, , 应力等应力等) )转移函数转移函数路面寿命路面寿命是否满足是否满足? ?设计设计完成完成尽量不让沥青层底

8、拉尽量不让沥青层底拉应变应变6565或路基顶或路基顶压应变压应变 200200长长沙沙理理工工大大学学张张起起森森教教授授博博导导1992年monismith提出力学设计法的流程图长长沙沙理理工工大大学学张张起起森森教教授授博博导导力学性能标准力学性能标准esal作用下弯曲拉应变极值 65me(monismith, von quintus, nunn,monismith, von quintus, nunn,thompsonthompson等人研究发现)垂直压应变极值 200mm）路基长长沙沙理理工工大大学学张张起起森森教教授授博博导导疲劳开裂疲劳开裂控制点位置：面层底面控制点位置：面层底面控

9、制标准：拉应变控制标准：拉应变65200mm200mm 永久性变形永久性变形控制点位置：控制点位置： 路基顶面路基顶面控制标准：压应变控制标准：压应变 2006cbr6。 或者：或者：路基上铺石灰稳定层或碎石层底基层路基上铺石灰稳定层或碎石层底基层05101520250123456789cbr加加铺铺层层厚厚度度要要求求/ /英英寸寸路面基础路面基础长长沙沙理理工工大大学学张张起起森森教教授授博博导导四、各地永久性路面状况各地永久性路面状况长长沙沙理理工工大大学学张张起起森森教教授授博博导导 传统的沥青路面设计寿命为传统的沥青路面设计寿命为2020年。适度增加路年。适度增加路面强度及沥青混合料

10、基层厚度的永久性路面，面强度及沥青混合料基层厚度的永久性路面，则甚至可以获得则甚至可以获得5050年或年或5050年以上使用寿命。年以上使用寿命。欧洲使用情况简介欧洲使用情况简介美国使用情况简介美国使用情况简介中国山东滨州永久性路面试验路中国山东滨州永久性路面试验路各地永久性路面状况各地永久性路面状况长长沙沙理理工工大大学学张张起起森森教教授授博博导导欧洲使用情况简介欧洲使用情况简介 19771977年年德国德国a5a5高速公路高速公路frankfurter kreuzfrankfurter kreuz采用的采用的结构是结构是37mm37mm浇注沥青砼面层浇注沥青砼面层+200mm+200mm

11、沥青砼基层沥青砼基层+150mm+150mm稳定底基层。该高速公路双向日交通量稳定底基层。该高速公路双向日交通量152000152000辆辆/d/d，重载货车比例为，重载货车比例为10102020，使用，使用1717年后标准轴载次数为年后标准轴载次数为125125百万次，到现在仍然使用百万次，到现在仍然使用良好。良好。 再如再如德国德国汉堡高速公路都承受着非常重的交通量，汉堡高速公路都承受着非常重的交通量，结构为结构为35mm35mm浇注沥青砼面层浇注沥青砼面层+265mm+265mm沥青砼基层沥青砼基层+150mm+150mm级配砂砾级配砂砾+ +防冻层防冻层长长沙沙理理工工大大学学张张起起

12、森森教教授授博博导导欧洲使用情况简介欧洲使用情况简介 法国法国巴黎巴黎peripheriqueperipherique道路双向交通量道路双向交通量200000200000辆辆/d/d，重载货车占，重载货车占1010，年标准轴次，年标准轴次1 1千万。千万。19931993年进行了大修，结构为年进行了大修，结构为40mm40mm排水面层排水面层+220mm+220mm高模量沥青砼基层。高模量沥青砼基层。 再如再如法国法国steredstered高速，结构为高速，结构为70mm70mm沥青砼沥青砼+60mm+60mm沥青稳定砂砾沥青稳定砂砾+100+100350mm350mm水泥稳定砂砾水泥稳定砂

13、砾+150mm+150mm砂层砂层长长沙沙理理工工大大学学张张起起森森教教授授博博导导欧洲使用情况简介欧洲使用情况简介 意大利意大利的的del soledel sole高速，结构为高速，结构为30mm30mm中粒式沥中粒式沥青砼青砼+70mm+70mm粗粒式沥青砼粗粒式沥青砼+150mm+150mm沥青碎石沥青碎石+360mm+360mm级配砂砾级配砂砾+300+300400mm400mm砂层砂层 奥地利奥地利brennerbrenner高速，结构为高速，结构为27mm27mm细粒式沥青细粒式沥青砼砼+30mm+30mm中粒式沥青砼中粒式沥青砼+45mm+45mm粗粒式沥青砼粗粒式沥青砼+14

14、0mm+140mm沥青碎石（密级配）沥青碎石（密级配）+160mm+160mm沥青碎石沥青碎石（开级配）（开级配）+300mm+300mm防冻层防冻层长长沙沙理理工工大大学学张张起起森森教教授授博博导导美国使用情况简介美国使用情况简介 new jerseynew jersey new jerseynew jersey运输部对运输部对i-287i-287州际道路的路面损害情况进州际道路的路面损害情况进行调查。该道路行调查。该道路19931993年年平均日交通量为年年平均日交通量为11.101911.1019万次，万次，货车占货车占2222，重货车占，重货车占9 9。2020年累计当量荷载年累计当

15、量荷载50005000万万次。由于是重载交通，因此经常出现停车、慢速行车。次。由于是重载交通，因此经常出现停车、慢速行车。19631963年修建，原结构为年修建，原结构为3inhma3inhma面层面层+7in+7in基层基层+8in+8in密级密级配的级配碎石配的级配碎石+10in+10in级配砂砾底基层，路基为粉质砂土。级配砂砾底基层，路基为粉质砂土。长长沙沙理理工工大大学学张张起起森森教教授授博博导导美国使用情况简介美国使用情况简介 new jerseynew jersey 使用多年来除了局部进行了小面积的补坑外，没有经使用多年来除了局部进行了小面积的补坑外，没有经过其他维修。调查发现路

16、面维修很少，路表行车道处过其他维修。调查发现路面维修很少，路表行车道处产生了纵向疲劳开裂，且车辙深度达到产生了纵向疲劳开裂，且车辙深度达到25mm25mm以上。但以上。但是进一步研究表明这些病害深度都没有发展到路表是进一步研究表明这些病害深度都没有发展到路表75mm75mm以下，因此决定冼刨调表明以下，因此决定冼刨调表明75mm75mm沥青面层，重新沥青面层，重新加铺加铺100mmhma100mmhma。该工程。该工程19941994年完工，年完工，20012001年调查时没年调查时没有发现任何开裂、车辙，预计结构能够使用有发现任何开裂、车辙，预计结构能够使用4040年以上。年以上。长长沙沙理

17、理工工大大学学张张起起森森教教授授博博导导美国使用情况简介美国使用情况简介 iowa 2020世纪世纪6060年代修建的州际道路年代修建的州际道路i-80i-80上的两段道路，被上的两段道路，被apaapa授予授予20022002年永久性路面奖，一条在年永久性路面奖，一条在cedarcedar，另一条，另一条在在johnsonjohnson。该奖授予美国州际高速公路系统上的。该奖授予美国州际高速公路系统上的6 6个个不同路段。不同路段。cedarcedar路段修建于路段修建于19621962年，结构为年，结构为4.5inhma4.5inhma面层面层+16inatb+16inatb，直接放到细

18、粒土上。使用到现在为止，直接放到细粒土上。使用到现在为止分别在分别在19671967年、年、19901990年进行了表面修补。年进行了表面修补。长长沙沙理理工工大大学学张张起起森森教教授授博博导导美国使用情况简介美国使用情况简介 iowa 与与cedarcedar不同的是，不同的是，johnsonjohnson路段路基土是罕有的潮湿，路段路基土是罕有的潮湿，19641964年采用了年采用了6in6in土石底基层，结构为土石底基层，结构为3inhma3inhma面层面层+14inatb+14inatb，19641964年面层进行年面层进行2in2in罩面，罩面，19681968年工程结束，年工程

19、结束，到现在只进行过一些面层修复（与刚通车时相比，现到现在只进行过一些面层修复（与刚通车时相比，现在在i-80i-80道路上的交通量已经增长了道路上的交通量已经增长了5 5倍多）。实践表明，倍多）。实践表明，正确的路面结构设计、严格的施工质量控制和适当的正确的路面结构设计、严格的施工质量控制和适当的维修，沥青路面一定能够使用很长时间。维修，沥青路面一定能够使用很长时间。长长沙沙理理工工大大学学张张起起森森教教授授博博导导美国使用情况简介美国使用情况简介 washington 19991999年该州交通运输部（年该州交通运输部（wsdotwsdot）对）对480km480km全路段进行全路段进行

20、了详细调查。该路中有三种路面结构：柔性结构、了详细调查。该路中有三种路面结构：柔性结构、ctbctb基层（水泥稳定基层）沥青路面和基层（水泥稳定基层）沥青路面和pccpcc路面，依次占里路面，依次占里程百分比为程百分比为4747、3333和和2020。而且全段被。而且全段被cascadecascade山山脉分成两个不同的气候区，西部为温和海洋性气候，脉分成两个不同的气候区，西部为温和海洋性气候，交通量较高；而东部夏热冬寒，部分路段交通量较小交通量较高；而东部夏热冬寒，部分路段交通量较小（标准轴次（标准轴次37.537.5万次万次/ /年年/ /车道），而有些路段交通量车道），而有些路段交通量又

21、很高（标准轴次又很高（标准轴次25002500万次万次/ /年年/ /车道）。车道）。长长沙沙理理工工大大学学张张起起森森教教授授博博导导马里兰州路面结构使用状况 马里兰州的巴尔的摩环形公路也是一个马里兰州的巴尔的摩环形公路也是一个很好的例子，日交通量（很好的例子，日交通量（adt）是）是175000辆辆/日，货车占日，货车占19。结构为。结构为2insma19+2.5inhma基层（大粒径石基层（大粒径石料）。总厚度为料）。总厚度为16in（40.6cm），没有），没有发现自下而上的疲劳开裂，发现自下而上的疲劳开裂，4年的观测表年的观测表明，路面车辙正常，为明，路面车辙正常，为1/8in。长

22、长沙沙理理工工大大学学张张起起森森教教授授博博导导俄亥俄州俄亥俄州柔性路面研究柔性路面研究 4 4条州际公路性能调查结果条州际公路性能调查结果 hmahma路面没有修复或重建而使用超过路面没有修复或重建而使用超过3434年年 “没有大量结构性或排水维修的柔性路面没有大量结构性或排水维修的柔性路面” 仅略多于目前仅略多于目前hmahma路面花费路面花费长长沙沙理理工工大大学学张张起起森森教教授授博博导导fhwa 长期路面性能研究数据 gps-6 (fhwa-rd-00-165)数据数据 结论结论长长沙沙理理工工大大学学张张起起森森教教授授博博导导表面开裂 过去一般认为沥青路面的开裂是从下到上过去

23、一般认为沥青路面的开裂是从下到上的开裂，但近几年欧洲和美国的开裂，但近几年欧洲和美国加利福尼亚、加利福尼亚、伊利诺伊德克萨斯、肯塔基、伊利诺伊德克萨斯、肯塔基、弗罗里达等州弗罗里达等州调查发现轮迹带出现自上而下纵向裂缝。弗调查发现轮迹带出现自上而下纵向裂缝。弗罗里达大学等对此展开了大量理论和现场调罗里达大学等对此展开了大量理论和现场调查研究，并取得了一定成果查研究，并取得了一定成果长长沙沙理理工工大大学学张张起起森森教教授授博博导导表面开裂原因 卡车轮胎引起的横向应力过大（卡车轮胎引起的横向应力过大（导致轮迹带出导致轮迹带出现自上而下纵向裂缝）现自上而下纵向裂缝） 温度应力温度应力（出现较高的

24、温度应力临界状态时间较（出现较高的温度应力临界状态时间较短，如冬天一般是晚上出现）短，如冬天一般是晚上出现） 铺筑设备铺筑设备（伊利诺伊州运输部门研究人员发现）（伊利诺伊州运输部门研究人员发现） 开裂开裂 (从表面开始从表面开始)轴轴载载表面开裂trl长长沙沙理理工工大大学学张张起起森森教教授授博博导导新泽西 i-287表面开裂长长沙沙理理工工大大学学张张起起森森教教授授博博导导150 mm50 mm华盛顿沥青路面top-down开裂 150 mm长长沙沙理理工工大大学学张张起起森森教教授授博博导导m32trl长长沙沙理理工工大大学学张张起起森森教教授授博博导导长长沙沙理理工工大大学学张张起起

25、森森教教授授博博导导中国山东滨州永久性路面试验路中国山东滨州永久性路面试验路 背景：背景：滨州地处黄河尾闾、渤海之滨，滨州地处黄河尾闾、渤海之滨，是联接京津塘与山东半岛两大经济发达是联接京津塘与山东半岛两大经济发达地区的交通枢纽和黄河三角洲开发的重地区的交通枢纽和黄河三角洲开发的重要基地。要基地。 试验路（离黄河只有几公里）试验路（离黄河只有几公里）2005年年6月开始施工，月开始施工，9月通车。月通车。长长沙沙理理工工大大学学张张起起森森教教授授博博导导试验路设计 与美国永久性路面一样应用与美国永久性路面一样应用perroad软软件进行设计，但该路设计轴载是件进行设计，但该路设计轴载是重载车重载车（平均单轴重超过（平均单轴重超过9吨）。吨）。 设计控制指标：设计控制指标： 疲劳：疲劳： 将将hma层底水平拉应变层底水平拉应变70或或125作作为破坏临界值为破坏临界值 车辙：路基顶垂直应变为车辙：路基顶垂直应变为200长长沙沙理理工工大大学学张张起起森森教教授授博博导导试验路设计 两套材料性能及破坏标准：两套材料性能及破坏标准： 土基模量土基模量48mpa，疲