永久性路面结构与材料性能070206课件

1、永久性路面结构与材料性能张起森 教授 博士生导师长沙理工大学主要内容一、永久性路面设计理念二、永久性路面设计方法三、永久性路面的材料要求四、目前各地永久性路面状况五、总结长沙理工大学一、永久性路面设计理念长沙理工大学定义 perpetual pavement ：指只需定期更换路面表层（把破坏限制在路面上层），而不需进行结构性修复或重建，且使用寿命大于50年的沥青路面。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）长沙理工大学设计理

2、念上面层：抗车辙能力和抗磨耗能力中间层：抗车辙能力基层：抗疲劳能力 路基：高强、稳定和坚固 长沙理工大学最大拉应变路面基础100180mm高模量抗车辙材料(根据需要定)柔性抗疲劳材料 75100mm 4075mm 高质量SMA、 OGFC 或 Superpave100150mm高压力区设计理念长沙理工大学自下而上进行设计和施工基础（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上面层加强抗车辙性能设计理念长沙理工大学 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(即达到磨

3、耗层深度)，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，它保证了将病害限制在表层 ，且尽可能减小未来罩面的附加厚度 （重铺厚度必须尽可能采用原厚度 ）长沙理工大学要应避免以下现象发生 重复弯曲导致疲劳开裂 重复 变形导致车辙HMA基层路基长沙理工大学永久性路面优点沥青路面寿命可达50年路面平整，噪音低，摩擦系数高成本效益高路面的养护维修仅限于面层沥青面层可再循环减少疲劳开裂和车辙损坏最大限度地减少自然资源的使用采用力学方法进行路面设计，综合考虑疲劳开裂、车辙和温度开裂长沙理工大学使用时间总费用传统路面永久性路面经济性能经济差长沙理工大学二、永久性路面设计方法长沙理工大学设计原理

4、力学方法设计过程类似于其它结构设计方法选择控制点验算控制标准(由下至上设计)输入材料性能参数路面分析模型路面应力和应变路面变换方程路面使用寿命拉应变标准压应变标准永久性路面设计过程长沙理工大学力学设计法路面模型材料性能(模量值)路面反应 (应变, 应力等)转移函数路面寿命是否满足?设计完成尽量不让沥青层底拉应变65或路基顶压应变 200长沙理工大学1992年Monismith提出力学设计法的流程图长沙理工大学力学性能标准ESAL作用下弯曲拉应变极值 65me(Monismith, Von Quintus, Nunn,Thompson等人研究发现)垂直压应变极值 200mm）基层(as requ

5、ired)路基长沙理工大学疲劳开裂控制点位置：面层底面控制标准：拉应变200mm 永久性变形控制点位置： 路基顶面控制标准：压应变 6。 或者：路基上铺石灰稳定层或碎石层底基层05101520250123456789CBR加铺层厚度要求/英寸路面基础长沙理工大学四、各地永久性路面状况长沙理工大学 传统的沥青路面设计寿命为20年。适度增加路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50年或50年以上使用寿命。欧洲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各地永久性路面状况长沙理工大学欧洲使用情况简介1977年德国A5高速公路Frankfurter Kreuz采用的结构是

6、37mm浇注沥青砼面层+200mm沥青砼基层+150mm稳定底基层。该高速公路双向日交通量152000辆/d，重载货车比例为1020，使用17年后标准轴载次数为125百万次，到现在仍然使用良好。再如德国汉堡高速公路都承受着非常重的交通量，结构为35mm浇注沥青砼面层+265mm沥青砼基层+150mm级配砂砾+防冻层长沙理工大学欧洲使用情况简介法国巴黎Peripherique道路双向交通量200000辆/d，重载货车占10，年标准轴次1千万。1993年进行了大修，结构为40mm排水面层+220mm高模量沥青砼基层。再如法国Stered高速，结构为70mm沥青砼+60mm沥青稳定砂砾+100350

7、mm水泥稳定砂砾+150mm砂层长沙理工大学欧洲使用情况简介意大利的Del Sole高速，结构为30mm中粒式沥青砼+70mm粗粒式沥青砼+150mm沥青碎石+360mm级配砂砾+300400mm砂层奥地利Brenner高速，结构为27mm细粒式沥青砼+30mm中粒式沥青砼+45mm粗粒式沥青砼+140mm沥青碎石（密级配）+160mm沥青碎石（开级配）+300mm防冻层长沙理工大学美国使用情况简介New JerseyNew Jersey运输部对I-287州际道路的路面损害情况进行调查。该道路1993年年平均日交通量为11.1019万次，货车占22，重货车占9。20年累计当量荷载5000万次。

8、由于是重载交通，因此经常出现停车、慢速行车。1963年修建，原结构为3inHMA面层+7in基层+8in密级配的级配碎石+10in级配砂砾底基层，路基为粉质砂土。长沙理工大学美国使用情况简介New Jersey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25mm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75mm以下，因此决定冼刨调表明75mm沥青面层，重新加铺100mmHMA。该工程1994年完工，2001年调查时没有发现任何开裂、车辙，预计结构能够使用40年以上。长沙理工大学美国使用情况简介Iowa2

9、0世纪60年代修建的州际道路I-80上的两段道路，被APA授予2002年永久性路面奖，一条在Cedar，另一条在Johnson。该奖授予美国州际高速公路系统上的6个不同路段。Cedar路段修建于1962年，结构为4.5inHMA面层+16inATB，直接放到细粒土上。使用到现在为止分别在1967年、1990年进行了表面修补。长沙理工大学美国使用情况简介Iowa与Cedar不同的是，Johnson路段路基土是罕有的潮湿，1964年采用了6in土石底基层，结构为3inHMA面层+14inATB，1964年面层进行2in罩面，1968年工程结束，到现在只进行过一些面层修复（与刚通车时相比，现在I-8

10、0道路上的交通量已经增长了5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维修，沥青路面一定能够使用很长时间。长沙理工大学美国使用情况简介Washington1999年该州交通运输部（WSDOT）对480km全路段进行了详细调查。该路中有三种路面结构：柔性结构、CTB基层（水泥稳定基层）沥青路面和PCC路面，依次占里程百分比为47、33和20。而且全段被Cascade山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（标准轴次37.5万次/年/车道），而有些路段交通量又很高（标准轴次2500万次/年/车道）。长沙理工大学马里兰州路面

11、结构使用状况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（ADT）是175000辆/日，货车占19。结构为2inSMA19+2.5inHMA基层（大粒径石料）。总厚度为16in（40.6cm），没有发现自下而上的疲劳开裂，4年的观测表明，路面车辙正常，为1/8in。长沙理工大学俄亥俄州柔性路面研究4条州际公路性能调查结果HMA路面没有修复或重建而使用超过34年“没有大量结构性或排水维修的柔性路面”仅略多于目前HMA路面花费长沙理工大学FHWA 长期路面性能研究数据GPS-6 (FHWA-RD-00-165)数据结论大部分AC 罩面 15 years( 修复前)许多 AC罩面 20 y

12、ears （大破坏前）厚面层意味着少:疲劳开裂横向开裂纵向开裂长沙理工大学表面开裂 过去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加利福尼亚、伊利诺伊德克萨斯、肯塔基、弗罗里达等州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查研究，并取得了一定成果长沙理工大学表面开裂原因卡车轮胎引起的横向应力过大（导致轮迹带出现自上而下纵向裂缝）温度应力（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）铺筑设备（伊利诺伊州运输部门研究人员发现）长沙理工大学 开裂 (从表面开始)轴载表面开裂TRL长沙理工大学新泽西 I-287表面开裂长沙理工大学150

13、mm50 mm华盛顿沥青路面Top-Down开裂 150 mm长沙理工大学M32TRL长沙理工大学抗车辙面层车辙出现在沥青上面层Full-Scale TracksMn/ROADWesTrackNCAT加速加载路面试验CalAPTFHWA长沙理工大学中国山东滨州永久性路面试验路背景：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地区的交通枢纽和黄河三角洲开发的重要基地。试验路（离黄河只有几公里）2005年6月开始施工，9月通车。长沙理工大学试验路设计与美国永久性路面一样应用PerRoad软件进行设计，但该路设计轴载是重载车（平均单轴重超过9吨）。设计控制指标：疲劳： 将HMA层底水平拉应变70或125作为破坏临界值车辙：路基顶垂直应变为200长沙理工大学试验路设计两套材料性能及破坏标准：土基模量48MPa，疲劳破坏临界值是70（较为保守的标准），HMA层设计厚度为508mm土基模量103MPa，疲劳破坏临界值是125， HMA层设计厚度为380m